35 kV城市轨道交通用电力电缆的感应电压及其接地的处理

王振林， 江亚朔， 董宇鹏， 赵明明（上海南大集团有限公司，上海201100）

35 kV城市轨道交通用电力电缆的感应电压及其接地的处理

王振林， 江亚朔， 董宇鹏， 赵明明
（上海南大集团有限公司，上海201100）

介绍了城市轨道交通用电力电缆的发展概况、产品的结构以及各地实际工程应用对电缆金属层感应电动势带来的影响，就此问题展开研究并提出合理的处理建议。

电力电缆；感应电压；接地

0　引 言

轨道交通用电缆（以下简称地铁电缆）因其特殊的敷设环境，要求具备防老鼠、防白蚁、防水等性能，露天敷设部分（轻轨）还需要具备防紫外线老化性能，这些性能通过电缆结构和材料的改进得到了一定程度的解决。

本文将针对线路很长的地铁电缆研究其感应电压和接地方式。

1　35 kV地铁电缆的基本结构及性能要求

图1所示为额定电压35 kV的1×300型交联聚乙烯绝缘钢带铠装防水耐候型轨道交通B级阻燃电力电缆。电缆导体应符合GB/T 3956的要求，绝缘及屏蔽符合GB/T 12706.3的要求。防水采用铝塑复合带综合防水结构，铠装采用非磁性不锈钢钢带，护套采用耐候型低烟无卤阻燃聚烯烃护套。该电缆具有工作温度高、抗老化性能强、耐热性能良好等特点，因此在城市轨道交通中得到广泛应用。

为了满足电缆的不同性能要求，如防白蚁、防老鼠、阻燃级别等，结构也会有相应的变化，要求如下：

图1　FS/FZ-WDZB-YJE63 26/35kV 1×300

（1）铠装可以采用铜带或钢带铠装；

（2）低烟无卤材料要求在GB/T 17650规定的试验条件下，燃烧时产生的烟浓度其透光率不小于64%；

（3）电缆护套燃烧时的无卤性能满足在GB/T 17650.1规定的试验条件下，燃烧时产生的卤酸气体逸出量不大于5 mg/g；

（4）电缆燃烧时逸出气体的PH值和电导率测试按GB/T 17650.2的规定，PH值不小于4.5，电导率不大于5μS/mm；

（5）防水、防潮性能。要求电缆样品在水中浸泡72 h后，去除绝缘层外面的复合层后，用肉眼观察，绝缘层外表面是干燥的；

（6）阻燃性能。电缆燃烧时应满足GB/T18380规定的A类成束电缆垂直燃烧试验要求；

（7）对于敷设于户外的电缆，需按照GB/T 2951.41中“耐环境应力开裂试验”的要求按步骤B进行试验，其它性能会略作调整；

（8）对于电缆具有防白蚁和防鼠咬性能要求的，试验时采取的措施应是成熟、可靠的，并满足使用时环保、对人体无害及不影响电缆其它性能的要求。

2　电缆金属屏蔽层、金属防水层及金属铠装层感应电动势

35 kV地铁电缆由于其特殊的敷设环境要求，除了具有金属屏蔽层外，通常还有金属防水层及金属铠装层。当有交流电通过单芯电缆时，交流电周围会产生交变磁场，该磁场既会与电缆的金属屏蔽层、金属防水层及金属铠装层相交链，又会与电缆线芯回路相链通，这样就会在金属护套上产生感应电动势。

2.1 三相电缆的两种敷设方式

图2、图3分别为等边三角形敷设和平行敷设的三相电缆示意图。这两种情况下其感应电动势有效值是不同的，下面将对两种敷设方式下正常运行和短路两种状态下的感应电动势进行计算。

图2　等边三角形敷设的三相电缆

图3　平行敷设的三相电缆

2.2 两种敷设方式正常运行状态下的感应电动势计算

（1）等边三角形敷设时三相电缆感应电动势的计算

等边三角形敷设时的感应电动势为：

式中：ω=2πf，为角频率；S为相邻电缆中心间距离（mm）；r为电缆金属层的平均半径（mm）；I为每相负载电流（A）。

计算均以广州地铁的数据为例：I=650 A；S= 250 mm；r=28.5 mm；f=50 Hz。则有：

即电缆正常运行状态下感应电压为89 V/km。

（2）平行敷设时三相电缆感应电动势的计算平行敷设时感应电动势为：

式中：XS为中间电缆单位长度电抗（Ω/m）；Xm为两边电缆单位长度电抗（Ω/m）；S为电缆中心间距离（S1=S2=S，S3=2S）。

设I=650 A；S=250 mm；r=28.5 mm；f=50 Hz。则有：

故1 km电缆长度上的最大感应电压，边相和中相分别为108 V和89 V。

2.3 两种敷设方式短路状态下的感应电动势计算

（1）等边三角形敷设时三相电缆感应电压的计算

等边三角形敷设时感应电动势为：

式中：I1S为短路时间1 s时负载的短路电流（A）。

设I1S=42.9 kA；S=250 mm；r=28.5 mm；f= 50 Hz。则有：

即电缆短路状态下的感应电压为5850 V/km。

（2）平行敷设时三相电缆感应电压的计算

平行敷设时感应电动势为：

设I1S=42.9 kA；S=250 mm；r=28.5 mm；f= 50 Hz。则有：

故1 km电缆长度上的最大感应电压，边相和中相分别为7 121.4 V和5 850 V。

3　电缆接地处理方式

正确的接地方式不仅可以将感应电动势控制在允许的安全范围内以降低损耗，还可以使电缆载流量得到提高，降低工程造价，同时减少设备后期的运行维护工作量，因此我们要在电缆线路的设计施工中特别注意金属护套的接地处理方式。

而在实际工程项目中电缆以平行敷设为主，仅有部分项目有金属护套（屏蔽）接地处理方式，如广州轨道交通某线路采用中性点经电阻（电阻值31.75Ω）接地的方式；上海轨道交通某线路采用小电阻接地，接地短路电流Id≤1 000 A。

3.1 接地要求

根据GB 50217—2007《电力工程电缆设计规范》中的第4.1.9条，电力电缆金属层必须直接接地。交流系统中三芯电缆的金属层，应在交流单相电力电缆的金属护层两终端和接头等部位实施接地。

根据GB 50217—2007中的第4.1.10条，交流单芯电力电缆的金属层上任一点非直接接地处的正常感应电势计算，宜符合规范附录F的规定。

3.2 接地方式

根据GB 50217—2007中的第4.1.11条，交流系统单芯电力电缆金属层接地方式有一点直接接地、两端直接接地、交叉互联接地三种。

3.2.1 一点直接接地

在线路不长的情况下，且能满足GB 50217—2007第4.1.10条要求时宜采取在线路一端或中央部位单点直接接地。

（1）一端直接接地、另一端经过电压保护器接地

图4为一端直接接地、另一端经过电压保护器接地的示意图。

图4　一端直接接地、另一端经过电压保护器接地

此方法仅适用于电缆线路长度小于500 m的情况。

（2）中间直接接地、两端经过电压保护器接地

图5为中间直接接地、两端经过电压保护器接地的示意图。

此方法是一端直接接地、另一端经过电压保护器接地的接地方式的延伸，原理相同，可以把一端直接接地方式电缆最大长度增加一倍，适用于长度约为1 km的电缆线路。

图5　中间直接接地、两端经过电压保护器接地

3.2.2 两端直接接地

在线路不长的情况下，而且单点直接接地方式无法满足GB 50217—2007第4.1.10条要求时，例如水下电缆、35 kV及以上电缆或输送容量较小的35 kV及以上电缆，可采取在线路两端直接接地，图6为两端直接接地的示意图。

图6　两端直接接地

从经济安全的角度来考虑，只有当电缆线路很短、负载和传输功率都很小时，才可以考虑采用护套两端直接接地的方式，此时护套环路感应电压很小，环流很小，损耗不显著，对电缆载流量影响也不大，不需要加装过电压保护器，其安装和后期维护都很方便。

3.2.3 交叉互联接地

当电缆线路非常长、负载率很高时，即使采用护套中间直接接地、两端经过电压保护器接地也会产生很高的感应电压，对于这种情况，我们就可以采用金属护套交叉互联的方式，图7为交叉互联接地的示意图。

图7　交叉互联接地

这种方法适用于各种长度的电缆，但因投资较大，所以常用于1 km及以上且输送容量很大的单芯电缆。

3.3 接地方式对比

一点直接接地的方法中，若有一端不直接接地，

护套上不会产生环流，损耗也很小，但含有过电压保护器，会增加线路的维护工作量，故此方法适用于线路很短的情况；两端直接接地的方法简单、运行维护方便，但在输送过程中金属护套与大地构成回路会带来损耗，虽与其他方式相比经济方便，但也只适用于线路较短，负载很小的情况；交叉互联接地能有效地减小感应电压以及护套环流，提高电缆传输容量，但因接线方式复杂，增加了后期的维护工作量，所以适用于长距离大负载的线路。

4　结束语

地铁电缆是城市轨道交通系统的重要组成部分，本文通过对地铁电缆金属护套（屏蔽）感应电动势的计算，说明了金属护套接地和选择接地方式的重要性。借此希望地铁设计及施工单位能够严格按照标准进行设计和施工，避免发生因感应电压引起的问题。

The Induced Voltage and Grounding M ethod of 35 kV Power Cab le Used for City Rail Traffic

WANG Zhen-1in，JIANG Ya-shuo，DONG Yu-Peng，ZHAO Ming-ming
（Shanghai Nanda GrouPCo.，Ltd.，Shanghai201100，China）

This PaPer introduces the basic deve1oPmentsurvey of Power cab1e in urban rai1transit，the structure of the Product and the inf1uence of the e1ectric Potentia1in different situations.It discusseson this issue and Put forward reasonab1e suggestions.

Power cab1e；induced vo1tage；grounding

TM247.1

A

1672-6901（2016）03-0024-04

2015-08-19

王振林（1971-），男，高级工程师.

作者地址：上海市闵行区中春路500号［201100］.