高速铁路电力电缆不对称接地故障对二次电缆的影响

周思宇，冷 怡

(1.四川电力科学研究院，四川 成都 610072;2.四川省电力公司远维检修部，四川 成都 610041)

0 引言

由于空间走廊和建设成本的限制，新建高速客货共线铁路建设中将10 kV供电电缆、通信电缆、信号电缆同沟敷设。这些电缆之间相邻距离近、平行距离远，处于同一电磁环境中的电气线缆通过各种电磁耦合方式彼此紧密联系在一起。将通过理论分析、计算机仿真计算等方法分析高速铁路电力电缆不对称接地故障对通信电缆、信号电缆等二次电缆的影响。

1 三相电力电缆系统不对称接地故障分析

考虑电力电缆对通信信号电缆可能产生的电磁感应影响，10 kV三相电力电缆系统不对称运行方式主要有3种形式:三相电力电缆有相线断线、三相电力电缆发生单相对屏蔽层的短路、三相电力电缆发生两相对屏蔽层的短路。下面就这3种情况分别加以分析。

1.1 三相电力电缆的相线断线引起的不对称运行分析

当三相电力电缆的相线发生一相断线时，系统若是不接地系统，则在非故障相流过的电流相同，但方向相反，两者对外界产生交变磁场相互抵消，故不会在信号电缆芯线上产生较大的纵向感应电势;系统若是直接接地系统，则在非故障相流过的电流相位相差120°，两者叠加恰好是一相的电流，即这时产生了幅值为正常相电流的零序电流，该电流产生的磁场会在信号电缆芯线上产生纵向感应电势。

当三相电力电缆的相线发生两相断线时，若是不接地系统，非故障相的电流无法流通亦应为零;系统若是直接接地系统，则在非故障相流过的电流应为相电流，即这时产生的零序电流为相电流，该电流产生的磁场会在信号电缆芯线上产生纵向感应电势。

当三相电力电缆的相线发生三相断线时，电力电缆中将无电流输出，亦不会产生能交链信号电缆的磁场，故不会对信号电缆产生影响。

图1 分析电力电缆单相接地故障电流分布示意图

图2 分析电力电缆两相接地故障电流分布示意图

综上所述，当三相电力电缆系统发生断相故障时，对于中性点直接接地系统可能产生的最大零序电流为系统运行的相电流，而系统的相电流一般不超过80 A;而对于中性点不接地系统，不会产生对信号电缆有影响的纵向感应电势。

1.2 三相电力电缆发生单相对屏蔽层的短路故障分析

在电力系统中，单相对地短路是最常见的故障形式。对于电力电缆发生单相短路，是指电缆相导线对屏蔽层的短路，当系统中性点不接地时，流过故障点的电流是非故障相的分布对地电容电流的矢量和，而能引起同沟信号电缆纵向电势的短路电流，是指流经电力电缆屏蔽层的短路电流。

当电力电缆发生单相对屏蔽层的短路故障时，流经外皮的电流可用图1加以说明。图1中设铁路三相电力电缆由n段构成，其中n段电缆的三相导线串联联接，而每段电力电缆的屏蔽层为一段经接地装置接地，另一端经保护器接地(相当于开路)，每段电力电缆长度约为1 km。

假设第i段内发生单相对屏蔽层的短路故障，则非故障段的对地电容电流经接地体流向故障段的故障点，再返回电源，电缆屏蔽层的电容电流流向如图1所示。该零序电流产生交变磁场，会交链相邻的信号电缆，在信号电缆芯线上产生感应电势E1。

若故障点发生在i段首端(图1中靠近接地装置处)，则n段电缆外皮流过相同的电流，且电流流向相同，在相邻电缆上产生的感应电势相叠加为n E1;

若故障点发生在i段末端，则在故障相外皮上流过的电流为非故障段的对地电容电流之和，且方向相反，相应综合在信号电缆上产生的感应电势就很小。

1.3 三相电力电缆发生两相对屏蔽层的短路故障分析

同样假设三相电力电缆由n段构成，假设在第i段内L2相发生对电缆屏蔽层的短路，而在第k段内发生L1相对屏蔽层短路，如图2所示。

由电流分布可知，在i段的左侧靠近电源的所有电缆段内，流过故障相(两相)的短路电流大小相等，方向相反，不会在相邻信号电缆产生纵向感应电势;在k段的右侧靠近负载的所有电缆段内，无故障电流，亦不会在相邻信号电缆中产生感应电势;在第i段与k段间的所有电缆段的一相导线(图中L1相)中有故障电流流过，该电流会在相邻信号电缆中产生感应电势;而在第k段内，若故障点在其端部，则在该段内相导线与屏蔽层流过的短路电流相等，流向相反，不会产生磁感应电势;在第i段内，不论故障点在什么位置，都有相间短路电流可以产生磁感应电势。

在相邻信号电缆中产生感应电势最严重的情况是，在第1段电缆的首端发生一相(例L2相)对屏蔽层短路，而在第n段电缆内发生另一相(例L1相)对屏蔽层短路。若1段(一般1 km)两相短路电流在相邻信号电缆产生的感应电势为E2，则n段电缆发生两相短路故障时，在相邻信号电缆芯线上产生的最大感应电势为(n-1)E2。

2 感应电压的仿真计算

针对以上的理论分析，利用国际通用的电磁暂态仿真计算程序ATP-EMTP的图形输入程序ATP-Draw对电力电缆发生不对称接地故障时，在通信信号电缆芯线产生的感应电压进行仿真计算。仿真计算主要考虑了信号电缆屏蔽层多点接地(最理想屏蔽状况)、信号电缆屏蔽层两端经接地装置接地两种情况。

2.1 二次电缆屏蔽层理想接地

二次信号电缆屏蔽层理想接地时，电缆芯线纵向感应电动势的仿真计算模型如图3所示。

图3中电源为电力电缆故障状态下，流过其外皮的短路电流值;LCC为电力电缆外皮与带屏蔽层的二次电缆并列运行模型，其中二次电缆屏蔽层理想接地，测量信号电缆芯线上的纵感应电动势值。

图3 二次电缆芯线纵向感应电动势计算模型(屏蔽层理想接地)

当电力电缆外皮流过短路电流时，在并列运行二次电缆芯线上产生的感应电压仿真计算结果见表1。

表1电缆外皮流过短路电流时，二次电缆芯线上的纵向感应电动势

表1

由表1中数据可画出，流过电力电缆外皮的短路电流值与二次电缆芯线上的纵向感应电动势关系曲线如图4所示。

图4 二次电缆芯线纵向感应电动势与流过电力电缆屏蔽层短路电流的关系

由图4可见，二次电缆芯线上的纵向感应电动势随电力电缆外皮的短路电流值增大而增大，两者间满足线性关系。

2.2 二次电缆屏蔽层经接地装置接地

二次电缆屏蔽层两端经接地装置接地，二次电缆芯线感应电压的仿真计算模型如图5所示。

图5 二次电缆芯线纵向感应电动势计算模型

图5中电源为电力电缆故障状态下，流过外皮的短路电流值;LCC为电力电缆外皮与带屏蔽层的二次电缆并列运行模型;二次电缆屏蔽层两端分别经电阻接地，目的是为了引入接地电阻对感应电压的影响，并通过改变接地方式、接地电阻值得出二次电缆芯线感应电动势与接地电阻的关系。

2.2.1 二次电缆屏蔽层一端接地时，电缆芯线感应电压的计算

当二次电缆屏蔽层一端直接接地时，电缆芯线上的纵向感应电动势与电缆间距的关系数据见表2。

表2 二次电缆芯线纵向感应电动势与电缆间距d的关系

图6 二次电缆芯线纵向感应电动势与电缆间距的关系

由表2中数据可知，二次电缆屏蔽层一端接地时，电缆芯线上的感应电压值相比于理想接地的情况已急剧增大。由理论分析可知，二次电缆屏蔽层一端接地只能消除静电感应分量，而不能起到电磁电缆屏蔽的作用。仿真计算还进一步表明，这时二次电缆芯线感应电压与屏蔽层的接地电阻无关，而与电力电缆外皮流过的短路电流值成正比关系。二次电缆芯线感应电压与电缆间距的关系如图6所示。与前面结果相同，二次电缆芯线上的感应电压值随电缆间距增大而逐渐减小，这与理想屏蔽时的变化趋势相同。

信号电缆屏蔽层一端接地时，二次电缆芯线感应电压值与接地电阻的关系数据见表3。由表3可以看出，二次电缆屏蔽层一端接地时，二次电缆芯线纵向感应电动势与接地电阻大小无关。

2.2.2 二次电缆屏蔽层两端接地时，电缆芯线感应电压的计算

当二次电缆屏蔽层两端直接接地时，信号电缆芯线上的纵向感应电动势与电缆间距关系的仿真计算结果见表4。

表3 二次电缆芯线纵向感应电动势与接地电阻大小的关系

表4 二次电缆芯线纵向感应电动势与电缆间距d的关系

由表中数据可知，二次电缆屏蔽层两端理想直接接地时，比二次电缆屏蔽层理想接地(屏蔽层各点均理想接地)情况下的表2数据稍大一些，相应的结论同前。表4数据亦表明，二次电缆芯线纵向感应电动势随着电缆间距增大而减小。当二次电缆屏蔽层两端经接地装置接地时，电缆芯线上的纵向感应电动势与接地电阻值关系的仿真计算结果见表5。由表5数据可得，二次电缆芯线纵向感应电动势与接地电阻的关系曲线见图7。

表5 二次电缆芯线纵向感应电动势与接地电阻大小的关系

从表5中的数据和图7可以看出，当二次电缆屏蔽层两端经电阻接地后，电缆芯线感应电压值随着接地电阻值的增大而增大，并且在接地电阻阻值较小时感应电压上升幅度较大。

图7 二次电缆芯线纵向感应电动势与接地电阻大小的关系

3 结语

经过理论分析和仿真计算，主要得出以下几个结论。

(1)同沟铺设的电力电缆与二次电缆，在一定间距范围内，当三相电力电缆发生单相接地、两相接地故障时，会在二次电缆芯线上产生纵向感应电动势。

(2)二次电缆芯线上的纵向感应电动势与影响电流满足线性关系。

(3)当二次电缆屏蔽层一端接地时，其芯线上的纵向感应电动势与接地电阻大小无关;当二次电缆屏蔽层两端接地时，其芯线上的纵向感应电动势与接地电阻大小有关。

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