牵引电缆金属护层的雷击感应电压

冯 康，王庆峰，李相强，张健穹，陈晓豪

（1.西南交通大学 物理科学与技术学院，成都 610031；2.福建省交通科研院有限公司，福州 350101）

引言

自从2004 年《中长期铁路网（2003～2020）》实施，我国在铁路方面取得了长足的进步。国家铁路局表示，到2020 年末，全国铁路营业里程达到14.6万公里，其中，复线里程达到8.8 万公里，复线率60%；电气化里程10.7万公里，电气化率73%。持续增长的铁路里程和铁路电气化率也导致了铁路用27.5kV 牵引馈电电缆的使用量大大增加。因此，保障牵引馈电电缆的正常运行对于铁路系统的稳定运行具有重要意义[1]。

原铁道部相关技术部门统计，大部分牵引电缆故障是由于电缆外护套破损引起的。因此，雷击感应过电压作为造成电缆绝缘外护套破损的主要原因之一，国内外已有很多科研院校对其进行研究。文献[2]针对电缆金属护层接地系统提出了计算模型；文献[3]研究了电缆敷设于两层不同土壤介质时金属护层上的雷击感应电流。

1 电缆护层感应电压的产生原理

1.1 牵引馈电电缆基本结构

如图1 所示，27.5 kV 单芯电缆是电气化铁路的专用电缆，其主要结构包括线芯、导体屏蔽、绝缘层、绝缘屏蔽、金属护套以及外护套[4,5]。线芯为绞合紧压的圆形铜导体以减少电能损耗；导体屏蔽为挤包的半导电层；绝缘层为交联聚乙烯以保护线芯；绝缘屏蔽与导体屏蔽具有一样的结构与功能；金属护层为软铜线和铜带以减少电磁干扰及保护作用；外护套为聚乙烯以保护电缆内部。

图1 单芯电缆基本结构

1.2 电缆护层感应电压的理论计算

由上述的电缆具体结构可知，铁路用27.5 kV电缆为单芯电缆。单芯电力电缆可以类比于一个单相变压器，变压器的一次侧为电缆线芯，二次侧为金属护套。当电缆线芯有电流通过时，电缆的金属护套上就会产生感应电压。

我国的铁路供电系统中最主要的供电方式是AT 供电，这也是本研究主要分析对象的工作环境。因此以AT 供电方式中的牵引电缆布局为参考对象进行金属护层感应电压的理论分析。在AT 供电方式中，牵引电缆采用正、负馈线并行布置的敷设方式，所以对牵引电缆进行简化等效后，可以得出图2所示的模型。

图2 AT供电方式下的单芯电缆模型

在图2 中，P 代表牵引电缆的金属护层，可以把它近似地看成一根和牵引电缆T 和F 平行的导体。导体P 与牵引电缆T、F 之间的中心间距分别为D、αD；电缆T和F之间的中心间距为S。

若导体P为电缆T线的金属护层，则有αD=S，D=RP＞RT。这里RT为单芯电缆的线芯导体几何半径。高速铁路正常运行时，电缆T、F 的线芯电流幅值基本相等，并且相位相差180°，即IT=-IF=I。因此，电缆单位长度金属护层的感应电压为：

式中，μ为真空磁导率，f为线芯电流频率。由公式1可知，电缆金属护层上的感应电压与线芯电流的频率和线芯电流的幅值都成正比例关系。

雷电流波具有幅值大和频率高的特点。结合上述理论分析，当雷电流入侵牵引馈电电缆线芯时，无论是较大的幅值还是较高的频率，都会使金属护层上产生的感应电压增大。

2 雷击感应电压的仿真模型

仿真模型分为三个部分，分别为牵引供电系统、牵引电缆以及雷电流模型，如图3所示。

图3 牵引供电系统模型

牵引电缆模型由电缆外部模型、电缆内部模型构成。电缆外部模型使用软件自带的线缆模型，并按照AT 供电方式将正、负馈线并行布置；电缆内部模型需要设置线缆各个部分的尺寸和电气参数。

雷电流模型选用双指数形式模型，幅值选用最常见的20 kA，波前时间和半峰值时间按照国家标准分别设置为2.6 μs和50 μs。

3 仿真结果

雷电流模型选用为双指数形式模型时，其函数形式为：

式中，Im为电流峰值，设置为20 kA；η为峰值电流的修正因子，设置为0.926；ɑ为波前衰减系数，设置为12 000；β为波尾衰减系数，设置为1 860 000。

仿真得出的雷电流最大幅值为20 kA，波前和波 后 时 间 近 似 于2.6 μs 和50 μs，符 合 国 家 相 关标准。

3.1 避雷器接地电阻对雷击感应电压的影响

实际上，牵引电缆一般是埋地敷设的，所以很难被雷电直接击中。雷电流只有通过接触网的传导才能侵入牵引电缆的线芯。当雷电直击牵引接触网时，安装在接触网上的避雷器开始动作，一部分雷电流沿着避雷器和避雷器接地电阻流入大地；另一部分沿着接触网侵入牵引电缆线芯。因此，避雷器的接地电阻对于电缆金属护层的雷击感应电压是有影响的。

由仿真结果可知，电缆金属护层的雷击感应电压与避雷器接地电阻正相关。当避雷器接地电阻值为6 Ω 时，对应的金属护层雷击感应电压为41.9 kV，这已经超过了牵引电缆外护套的冲击耐受电压，有可能导致外护层击穿。

3.2 牵引电缆接地方式对雷击感应电压的影响

牵引电缆最主要的接地方式为一端直接接地，另一端通过护层保护器的方式接地。护层保护器安装在哪一侧，也会影响到电缆金属护层的雷击感应电压。

4 结论

（1）避雷器接地电阻对电缆金属护层的雷击感应电压影响比较明显。当接地电阻为6 Ω，雷击感应电压就超过了电缆的护层套防护水平。因此，避雷器接地电阻设置为5 Ω以下最佳。

（2）牵引电缆的护层保护器安装在牵引接触网那一侧比安装在牵引供电所那一侧更好，有利于延长牵引电缆的使用寿命。