高鐵电力贯通线感应电压与金属护层接地方式

1、电缆贯通线的感应电压与金属电缆贯通线的感应电压与金属 护层接地方式护层接地方式 高速铁路电力技术 高鐵电力贯通线感应电压与金属护 层接地方式 电缆贯通线的感应电压与金属护层接地方式电缆贯通线的感应电压与金属护层接地方式 单芯电缆从结构组成上，可分为导体、绝缘 层、屏蔽层和护层4部分。 绝缘层是包覆在导 体外围四周起着电 气绝缘作用的构件， 既能确保电流只沿 着导线传输而不流 向外面，又能确保 外界物体和人身的 安全。 屏蔽层由导体屏蔽层、绝缘屏蔽层、铜带屏蔽层等组成，它的 作用是将电缆导体中的电磁场与外界进行隔离的构件。 护层由包带、内护层、外护 层及金属护层等组成，它的 作用是对电缆特别是对

2、绝缘 层进行保护，它必须能承受 各种机械力、耐大气环境及 化学药品腐蚀、能防止火灾 危害等。绝缘层、护层一般 采用热塑性材料，如聚氯乙 稀、聚乙烯等。 单芯电缆的导线与金属护层的关系，可以看作一个变压 器的初级绕组与次级绕组，当单芯电缆在三相交流电网中运 行时，流经电缆线芯的电流产生的一部分磁通与金属护层交 链，在金属护层中产生纵向感应电动势。 此外，接触网的运行在单芯电缆金属护层中也产生感应 电动势，单芯电缆金属护层中还存在操作过电压等情况。 单芯电缆金属护层中感应电压及操作过电压的存在，不 但可能危及人身安全，对周围环境造成电磁干扰，而且 可能造成电能损耗、降低电缆的载流量、加速电缆绝缘

3、老化，因此，采用合理的方式对单芯电缆金属护层进行 接地，将金属护层中的感应电压及操作过电压降低到最 低程度是非常必要的。 单芯电缆金属护层采用单端接地或两端接地。单端接地 护层有感应电压无电流，双端接地有感应电流无电压。 如果单芯电缆护层采用经去磁处理的金属护层，使得电 缆导体中有电流通过时不会在金属护层中产生感应电压 及电磁场，这样的电缆称为单芯非磁铠装电缆。 根据高速铁路电力设计规范电缆线路设计要求，全电缆电 力贯通线宜采用单芯电缆，单芯电缆应采用非磁性金属铠 装层，不得选用未经非磁性有效处理的钢制电缆。 导体线芯 绝缘屏蔽 交联聚乙烯绝缘 导体屏蔽 铜带屏蔽 聚氯乙烯外护套 防水型聚乙烯

4、内护套 铝塑复合带 非磁性不锈钢带铠装 交联聚乙烯非磁铠装单芯铜芯电缆特点交联聚乙烯非磁铠装单芯铜芯电缆特点 (1) XLPE是交联聚乙烯英文名称的缩写，聚乙 烯是一种线性的分子结构，在高温下极易变形 。交联聚乙烯过程使其变成一种网状结构。这 种结构即使在高温下也一样具有很强的抗变形 能力。 (3) XLPE电缆有极佳的电气性能。介质损耗比纸绝 缘和PVC绝缘都要小，XLPE电缆的电容也小。 (2) XLPE电缆料是一种含有机过氧化物的聚乙烯。 这种过氧化物在高温高压及惰性气体环境下与聚乙 烯发生化学反应，使热塑性聚乙烯变成热固性（弹 性体）的聚乙烯，即XLPE。 (6) 交联聚乙烯绝缘比重为

5、0.92g/cm3。而聚氯乙 烯绝缘比重为1.35g/cm3，交联聚乙烯绝缘电缆比 聚氯乙烯绝缘电缆重量轻，直径要小，安装敷设方 便，附件接头简单。 (5) 极佳的抗老化特性及超强的耐热变形决定了交 联聚乙烯电缆在正常运行温度（ 90）、短时故 障（130）及短路（250）条件下可允许大电 流通过。 (4) 极易敷设是 XLPE电缆的又一个优点。XLPE电 缆有一个较小的弯曲半径，它比其它同类电缆轻而 且有较为简单的终端处理。由于XLPE电缆不含油， 所以在敷设XLPE电缆时不用考虑路线，也不存在 由于淌油而无法敷设的情况。 (7) 铜芯电缆具有电阻率低、延展性好、载流 量大、电压损失低、抗氧

6、化、抗疲劳等优点。 正由于交联聚乙烯绝缘非磁铠装单芯铜 芯电缆具有其它绝缘电缆无法比拟的优点。 它的结构简单、重量轻、耐热好、负载能力 强、不熔化、耐化学腐蚀，机械强度高等优 异特性，在高速铁路长距离的电力贯通线路 中得到广泛的使用。 5.1 金属护层工频感应电压的计算金属护层工频感应电压的计算 电缆的金属护层可以看成一薄壁圆柱体，同芯地套 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，同时也与金属护层相链，这部分磁通 使金属护层具有电感，在它上面产生感应电动势， 其大小由线芯电流来决定。 1.平衡负载条件下、电缆金属护层中感应电压的计算 1-导体 2-内屏蔽 3-绝缘 4-外屏蔽

7、 5-金属屏蔽 6-填 充 7-绕包层 8- 内衬层 9-铠装层 10-外护套 三相电缆敷设在等边三角形顶点上,护层电感 4 321 10 2 ln2 S S D S xxxx（/km） 单位长度金属护层中的感应电压 sfSCSBSA xIUUU(V/km) 三相电缆敷设在一直线上，边相感应电压为 22 mmSSSBSA xxxxIUU (V/km) 中相感应电压为 sSB IxU(V/km) 4 21 10 2 ln2 S S D S xxx 4 102ln2 m x （/km）（/km） 三相电缆敷设在一直角等边三角形顶点上 2 2 22 1 m mSSSCSA x xxxIUU (V/k

8、m) sSB IxU(V/km) 电缆YJV62-3*(1*50)单位长度金属护层中的感应电压 随电流变化曲线 电缆YJV62-3*(1*70) 单位长度金属护层中的感应 电压随电流变化曲线 表2.5-1 I=20A，单位长度金属护层中的感应电压（V/km） 排列相别Y J V 6 2 - 3*(1*50) Y J V 6 2 - 3*(1*70) Y J V 6 2 - 3*(1*95) 等边三角 形排列 A,B,C1.05701.04781.0376 直线排列 A,C1.67231.66411.6550 B1.05701.04781.0376 直角三角 形排列 A，C1.32941.320

9、51.3108 B1.05701.04781.0376 表2.5-2 I=50A，单位长度金属护层中的感应 电压（V/km） 排列相别Y J V 6 2 - 3*(1*50) Y J V 6 2 - 3*(1*70) Y J V 6 2 - 3*(1*95) 等边三角 形排列 A,B,C2.64252.61942.5941 直线排列 A,C4.18074.16024.1376 B2.64252.61942.5941 直角三角 形排列 A，C3.32343.30143.2771 B2.64252.61942.5941 表2.5-5 I=300A，单位长度金属护层中的感应 电压（V/km） 排列相

10、别Y J V 6 2 - 3*(1*50) Y J V 6 2 - 3*(1*70) Y J V 6 2 - 3*(1*95) 等边三角 形排列 A,B,C15.854815.716715.5645 直线排列 A,C25.084524.961324.8257 B15.854815.716715.5645 直角三角 形排列 A，C19.940619.808219.6624 B15.854815.716715.5645 当电缆长度和工作电流较大的情况下，感应电 压可能达到很大的数值，因此，必须采取措施 限制到安全值50V的范围内。 对于长电缆线路，可将金属护层分段，同时 为了减少接地点，宜采用换位

11、述接法。这种述接 法，如电缆是对称敷设，且每段长度相等，在平 衡负载条件下，金属护层中两接地间的感应电动 势等于零，因此不会产生环流。 2.工频短路时电缆金属护层中感应电压工频短路时电缆金属护层中感应电压 的计算的计算 电缆金属护层一端接地，分析单相接地时护层 的感应电压，三种情况： (1)接地电流全部以大地为回路； (2)接地电流全部以回流线或电缆金属护层 为回路； (3)接地电流一部分以大地为回路，另部 分以回流线或金属护层为回路。 (一)接地电流全部以大地为回路 当电缆外架空输电线路发生一相接地时，该相 的护层电压为 d S gSA Il r D jRRU ln102 4 d S gSA

12、 Il r D jRRU ln102 4 距离接地故障的A相为S的B相护层上的感应电 压和距A相为2S的C相护层上的感应电压 dgSB Il S D jRRU ln102 4 dgSC Il S D jRRU 2 ln102 4 土壤电阻率取50.m，R=0，三相感应电压 随短路电流变化曲线 土壤电阻率变化时，A相纵向感应电动势随短 路电流变化曲线 (二二)接地电流以回流线或金属护层为回路接地电流以回流线或金属护层为回路 金属护层点互联接地的电缆线路，为了降低电缆金 属护层的感应电动势，通常可在电缆线路近旁平行敷 设一根回流线(该线采用钢芯铝线或铜绞线均可，但两 端要接地)。当电缆出线端发生单

13、相接地时，由于接地 点正处于回流线连接地网中，此时接地故障电流绝大 部分通过回流线，入地部分故障电流可以忽略不计 当接地电流全部通过回流线时，电缆金属护层对回流当接地电流全部通过回流线时，电缆金属护层对回流 线的感应电动势为线的感应电动势为 d S A P A PSA lI r D j r D jRU ln102ln102 44 B、C相的金属护层对回流线的电动势为 d P BA PSB lI Sr DD jRU ln102 4 d P CA PSC lI Sr DD jRU 2 ln102 4 接地电流以回流线为回路，三相感应电压随短路电 流变化曲线 三、接地电流一部分以大地为回路，另一部分

14、以回流线或金三、接地电流一部分以大地为回路，另一部分以回流线或金 属护层为回路属护层为回路 （a）回流线有导通电流(b)回流线无导通电流 部分接地故障电流以大地为回路，护层感应电动势 小结 如果将电缆的金属护层一端直接接地，另一端 （非接地端）将产生感应电动势 4 2 2ln10 f S S UI D 式中，S为电缆中心间的距离;Ds为电缆金属护层的平均 直径，If为负荷电流 若取S = 1.25Ds,则0.058 f UI(V/km) 若两端接地，护层电流为负荷电流的5070%。 5.2单芯电缆金属护层接地方式分析单芯电缆金属护层接地方式分析 根据GB50217-2007的要求， 在未采取能

15、有效防止人员任意解除 金属护层的安全措施时，交流单芯 电力电缆线路金属护层的非直接接 地端的任意一点的感应电压不应超 过50V，如果超过此范围时，应利 用绝缘接头将电缆划分成适当的单 元，降低感应电压。 根据城市电力电缆线路设计技术规定(DL/T5221- 2005)10条规定:通常单芯电缆金属护层接地方式四种方式： 单芯电缆金属护层两端接地方式分析单芯电缆金属护层两端接地方式分析 单芯电缆金属护层一端接地、一端接保护器方式单芯电缆金属护层一端接地、一端接保护器方式 分析分析 电缆金属护层中点接地，两端保护接地电缆金属护层中点接地，两端保护接地 电缆金属护层交叉互联电缆金属护层交叉互联 单芯电

16、缆金属护层两端接地方式单芯电缆金属护层两端接地方式 护层中的感应电压将产生以大地为回路的循环电流， 此电流大小与电缆间距等因素有关。 护层中有电流通过，不但增加了电能损耗，而且使电 缆的载流量减小了30%40%。 线芯和金属护层发热加速了电缆的绝缘老化，降低了 电缆的绝缘等级，造成电缆寿命减少。 该方法多用在电缆长度很短，传输功率小的场合。 单芯电缆金属护层一端接地、一端接保护器方式分析 可以有效减小及消除环流，提高电缆的传输容量及 运行安全性。 但是，感应电压与电缆线路的长度成正比，当电缆 线路长度达到一定数值，金属护层感应电压就有可能超 过安全特低电压50V，就会危及人身安全，并可能导 致

17、设备事故。 因此，单点接地只能适用于电缆线路相对较短的情况。 单芯电缆金属护层有一端不接地，带来下述问题 ： 因此，当采用单点接地时，必须采取措施限制金属护 层上的过电压。一般采取在电缆线路未接地的一端加 装设过电压保护器的方式限制电缆金属护层上的过电 压。 当过电压波沿线芯流动时，金属护层不接地端会 出现很高的冲击电压； 当系统发生短路，短路电流流经线芯时，金属护 层不接地端会出现较高的工频感应电压。 当电缆外护层绝缘不能承受这种过电压的作用而 损坏时，将导致出现多点接地，形成环流。 电缆线路较短时(500m以内)， 可采取这种接地方式，可以减少 及消除环流，有利于提高电缆的 传输容量和电缆

18、的安全运行。 根据相关要求，非直接接地的 一端金属护层上的感应电压不得 超过50V，如果与架空线路连接时， 直接接地一般装设在架空线路端， 保护器装设在另一端。 电缆金属护层中点接地，两端保护接地 电缆线路较长时，在电缆线路的中点将电缆金属护层直接 接地，电缆两终端的金属护层通过保护器接地。此接地方 式电缆不安装中间接头，避免产生绝缘薄弱环节，有利于 提高电缆使用寿命及载流量，减少运行维护工作量。 电缆金属护层交叉互联 当电缆线路很长，金属护层可采用交叉互联方式安装。此 方式将电缆线路分成3个等小段，每小段间安装绝缘结构， 金属护层在绝缘接头处用同轴电缆引出并经过互联箱进行 交叉互联后，通过保

19、护器接地，电缆两终端的金属护层直 接接地，形成1个互联段位。电缆线路更长时，通过若干个 互联段位连接形成多段互联。互联段位间安装直线接头， 金属护层互联直接接地。交叉互联方式可以减小金属护层 感应电压及环流，提高传输容量 提高了电缆线路的载流量。研究表明，对铅 护层电缆线路可提高载流量15%50%，对铝 护层电缆线路可提高载流量25%80%； 减小了对附近通信、信号等电子信息设备的 电磁干扰； 减少了对人身安全的危害。 电缆金属护层交叉互联优点 安装交叉互联保护箱的注意事项安装交叉互联保护箱的注意事项 要对绝缘接头的接地端子的送电端、受电端必须要 有统一的约定，否则由于线路长，中间接头位置的方

20、 位不一，而造成接线的失误； 认真核对相序，确保相序一致的情况下进行连接。连接 接地时，须正确领会交叉换位的原理，如果接线有误， 电 缆换位处的感应电压将远远大于50V，且护层中的环流将 显著增大并造成运行故障， 接线错误也不容易发现， 即 使发现接线错误，更改也非常困难。 同时应该对交叉互联保护接地箱的护层保护器进行检 查和校准。 由于采用的中间头附件是两个接地端子在同一个位置， 且方向一致，所以在安装时，首先要用摇表进行区分，标 注出哪个是送电端，哪个是受电端； 高速铁路10kV贯通线电缆护层接地方案 单端接地时，如发生另一点也接地，将是双端或多段 接地，也会造成电缆外皮长期导流过热导致电缆烧损。 因此，单端接地时，也应考虑电缆外皮载流能力。 宜采用在线路一端或中央部位单点直接接地方式，宜采用在线路一端