客运专线27.5 kV单芯电缆屏蔽层接地方式的探讨

傅豪情 上海铁路局杭州供电段俞益飞 上海铁路局供电处

2011年x月x日沪宁城际常州牵引所211、212断路器阻抗一段跳闸重合失败，经重点设备隔离确定牵引网故障区段为薛家AT所上行上网电缆，后将该上网电缆退出运行，牵引网恢复供电。在故障查找过程中发现故障由于机械外力造成电缆击穿接地，但在接触网上网端处发现单芯电缆头雨裙衬下面抱箍对支架放电，电缆屏蔽接地铜线部分烧熔。结合沪杭客专开通以来牵引网也多次发生上网单芯电缆故障的情况，通过对单芯电缆金属屏蔽层和铠装层接地方式的探讨，以便掌握其对单芯电缆运行的影响。

1 单芯电缆金属护套过电压产生的原因分析

1.1 单芯电缆金属屏蔽层感应电动势的原理分析和计算

电力安全规程规定，电气设备非带电的金属外壳都要接地，因此电缆的金属屏蔽层都要接地。通常在35 kV及以下的电缆大多采用三芯，在正常运行过程中，流过三个线芯的电流总和为零，在电缆金属屏蔽层基本上没有磁链，在屏蔽层两端基本没有感应电压。但单芯电力电缆的导体中通过交流电流时，其周围产生的磁场会与金属屏蔽层交链，在金属屏蔽层上会产生感应电动势。交联聚乙烯铠装铜芯电缆结构见图1。

图1 交联聚乙烯铠装铜芯电缆结构图

单芯电缆金属屏蔽层上磁链和感应电动势大小计算如下：单芯电缆的金属屏蔽层可以看作同心地套在线芯周围，线芯回路产生的一部分磁通不仅与线芯回路相链，同时也与屏蔽层相链，这部分磁通使屏蔽层具有电感，在它上面产生感应电动势。其相感应电动势Us计算公式如下：

以交联聚乙烯铠装铜芯300 mm2电缆为计算对象，最大实际运行负荷电缆Is取1 000 A,电缆外径D取55 mm，T、F线间距S取200 mm，计算结果每100 m长单芯电缆在屏蔽层上最大感应电压为12.5 V.

电缆排列图见图2。

图2 电缆排列图

结论：单芯电缆金属屏蔽层上感应电动势的大小与导体中的电流大小、电缆排列和电缆长度有关。在电缆长度超过400 m时，感应电压可能超过安全值50 V，需要采取措施将其进行限制以确保人身安全。

2 单芯电缆金属屏蔽层不接地端过电压产生

2.1 过电压产生的原理

当外部有冲击电压波沿电缆进入，若电缆屏蔽层首端直接接地，冲击电压U必然全部作用在线芯与金属屏蔽层之间。冲击电压波沿电缆线芯流动时，使电缆线芯和金属屏蔽层随之流过电流i，电流方向相反而大小相等，在金属屏蔽层外面就没有磁力线作用，因此不会出现电缆护层过电压。但当电缆末端线芯出现接地故障时，冲击电压波到达末端后会在金属屏蔽层会出现很高的感应电压。上述过电压可能击穿电缆外护层绝缘，造成电缆金属护层多点接地故障，严重影响电力电缆正常运行甚至大幅减少电缆使用寿命。

冲击波通过电缆示意图如图3所示。

图3 冲击波通过电缆示意图

2.2 限制过电压的办法

显然，为了限制这一过电压，要让金属屏蔽层在冲击电压波下接地，给冲击电流以通路，可在电缆金属屏蔽层和大地间接一过电压保护器。该保护器在正常工作条件下呈现很大的电阻，以保证电缆护层在单点接地状态下工作。当雷电波和过电压波进入电缆线芯，不接地端的的护层出现较高电压时，保护器却呈现较小的电阻，使电流较容易经保护器泄入大地，此时保护器不应损坏。当然还要求保护器的残压应小于电缆护层冲击绝缘水平，从而起到保护作用。金属屏蔽层上电压等于保护器的残压。

2.3 保护器选用安装的注意事项

（1）在选用和安装电缆护层保护器时，其上端引线至电缆金属护层处要作全绝缘处理，不可挂靠或搭接铁件，防止引线对地放电。

（2）对于单侧接地的单芯电缆线路，外护套不能破损，否则破损处会对地放电，造成电缆损坏。

（3）电缆护层保护器是用来保护电缆外护套的，所以其技术参数要与电缆外护套的技术参数匹配，在绝缘配合上进行考虑。根据电缆设计要求，典型的中压电缆聚氯乙烯护套一般应能通过工频电缆10 kV，1 min，及冲击试验电压50 kV、正负10次不击穿。

（4）对于铠装电缆，钢铠和铜屏蔽要同时直接接地，或同时接护层保护器；对于多根单芯电缆要分别接不同护层保护器。

（5）对于单芯电缆，金属护层至少有一侧要可靠接地，不能在两端的金属护层上同时接护层保护器。

3 单芯电缆金属屏蔽层环流的分析

3.1 单芯电缆金属屏蔽层环流产生的原因

单芯电缆金属屏蔽层在单端接地时，如果电缆外护套绝缘没有损坏、接地情况时，金属屏蔽层不构成回路，屏蔽层环流为零。当电缆金属屏蔽层两端直接接地或不直接接地系统意外接地后，造成电缆金属屏蔽层环流大，其值计算如下（暂不考虑相邻电缆的互感影响）：

以电缆长度按100 m，屏蔽层两端接地电阻Rd1、Rd2（Rd1实际接地电阻非常小，暂按0.5 Ω计算；意外接地端接地电阻变化大，暂按4 Ω计算），感应电压Us，由于屏蔽层导体电阻R与两接地电阻Rd1、Rd2相比非常小，可忽略不计，则有，

环流分析示意图见图5。

图5 环流分析示意图

结论：单芯电缆金属屏蔽层单端接地方式，在金属屏蔽层意外接地后形成环流的大小与电缆长度成正比，与接地电阻的大小成反比，所以应避免直接接地。

3.2 单芯电缆金属屏蔽层环流的危害

单芯电缆金属护层环流出现异常时，它会造成电缆损耗发热，影响电缆线路的载流量，导致电缆绝缘局部高温，加速绝缘老化，降低电缆使用寿命，对电缆线路安全运行造成很大威胁。目前国内尚未制定单芯电缆金属屏蔽层环流是否正常的定量判断标准，查阅地方供电公司一般规定金属屏蔽层环流不超过负荷电流的5%或10 A，超过规定时必须采取措施加以保护。薛家AT所单芯电缆头雨裙衬下面抱箍把接地编织线压在支架上，造成金属屏蔽层意外接地，长时间环流将支架角钢局部烧熔。

3.3 单芯电缆金属屏蔽层环流采取的对策

（1）电缆线路施工过程中，加强监管，严格按照施工工艺要求操作，保证施工质量。

（2）加强电缆线路巡视，严格铺设固定要求，对于可能存在割伤电缆的隐患，及时处置。特别对于电缆金属护层经保护器接地的回路进行重点巡查，防止由于连接片或接地编织线安装疏忽造成意外接地，致使系统的接地方式由单端接地变成了两端直接接地。

（3）对于部分电缆外护层老化、绝缘水平降低的情况，应尽快纳入计划进行整治。

（4）线路投运后，要分别记录电缆线路在空载运行和带负荷运行两种情况下的环流值进行比较，发现异常及时组织查找原因并处置。定期进行线路外护层试验，有条件时可加装高压电缆在线监测装置，动态监控高压电缆的参数，以便对存有隐患的电缆及早进行处置。

4 牵引网单芯电缆金属屏蔽层接地保护方式的选择

常见牵引网单芯电缆局势屏蔽层接地保护方式有以下四种：

（1）屏蔽层一端直接接地，另一端悬空，仅适用于极短电缆（一般小于50 m）和小负载电缆线路，且不常用。

（2）屏蔽层一端接地，另一端通过保护器保护接地，适用于中等长度的电缆。

（3）电缆中间点屏蔽层接地，两端通过保护器保护接地，适用于较长的电缆。

（4）屏蔽层交叉互联后接地—适用于长电缆。

5 结束语

客运专线27.5 kV单芯电缆一般用在所亭上网处，特点是长度较短（几十米至二三百米间），但短时负荷电流较大。考虑铁路牵引供电负荷特点，对小于50 m的单芯电缆宜采用屏蔽层一端直接接地，另一端悬空的方式；超过50 m的中等长度电缆宜采用一端直接接地，另一端经保护器接地。对特殊情况下较长电缆需根据实际情况采用针对性的接地方式。当然，随着牵引网单芯电缆使用的不断增多，运行经验尚需不断积累，在建设过程中及早参与电缆敷设安装、电缆头工艺标准、屏蔽层接地方式选用以及对运行电缆的定期检查、在线检测、定期试验等等，及早发现电缆存在的安全隐患，以确保电气化铁路牵引供电系统安全稳定运行。