(中铁建电气化局集团南方工程有限公司 430000)
[摘要] 铁路客运专线为保证通信、信号等重要负荷的供电可靠性一般设置两路10kV全电缆线路。为减少电缆线路中间接头、提高电缆线路的供电可靠性，铁路客运专线10kV电力贯通线多采用单芯电缆线路。本文从单芯电缆结构、金属护层接地原理、接地方式、感应电压计算等方面对单芯电缆线路金属护层接地进行了全面的分析，以期提高客运专线单芯电缆线路的运行可靠性。
[关键词]铁路客运专线、单芯电缆线路、金属护层接地、感应电压计算
1 铁路客运专线10kV电力贯通线特点
铁路客运专线为保证通信、信号等重要负荷的供电可靠性一般设置两路10kV全电缆线路。为减少电缆线路中间接头、提高电缆线路的供电可靠性，铁路客运专线10kV电力贯通线多采用单芯电缆线路。
根据我国电力安全规程的规定，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求接地。对于三芯电缆来说，正常运行时流经三个导电线芯的三相电流相量和为0，在金属屏蔽层两端基本上无感应电压。但当采用单芯电缆时，其导电线芯有电流通过，就有磁力线交链金属屏蔽层，使金属屏蔽层的两端产生感应电压。如果接地方式处理不当，将在屏蔽层产生很大的感应电流，从而影响电缆的正常运行，甚至发生事故。
2 单芯电缆的结构及各部分的主要作用
单芯电缆从内向外的结构依次为：导体、内半导体层、绝缘层、外半导体层、金属屏蔽层、内护层、金属铠装层、外护层。
(1)导体：传输电能，提供负荷电流的通路。
(2)内半导体层：起均匀导体表面电位的作用，用于改善金属电极表面电场分布，提高绝缘层表面耐电强度。
(3)绝缘层：起绝缘作用，一般采用聚乙烯材料，是将高压电极与地电极可靠隔离的关键部位，能承受工作电压及过电压长期作用，具有较高的耐电强度，能承受发热导体的热效应。
(4)外半导体层：起屏蔽作用，消除绝缘层与金属屏蔽层之间的间隙，用于改善金属电极表面电场分布，提高绝缘表面耐电强度。
(5)金属屏蔽层：也可称作薄铜带屏蔽层，起屏蔽作用，用于形成工作电场的低压电极，提供电容电流及故障电流的通路，以免因短路引起电缆温升过高而损坏绝缘层。金属屏蔽层可以防止周围外界强电场对电缆内传输电流的干扰，也可以有效地将电缆产生的强电场限制在屏蔽层内。
(6)内护层：起密封保护作用，一般采用聚氯乙烯材料，是保护绝缘和整个电缆正常可靠工作的重要保证。
(7)金属铠装层：起机械保护作用，提高电缆承受纵向和径向外力作用的能力。
(8)外护层：起密封保护作用，针对各种环境使用条件，设计有相应的护层结构，主要是起到机械保护、防水、防火、防腐蚀等作用。
3 护层接地的原理与分析
单芯电缆在正常运行时，负荷电流从芯线流过，芯线周围将产生交变磁场，一部分磁力线与屏蔽层铰链，在屏蔽层内产生感应电压，感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流成正比。当电缆很长时，感应电压叠加起来可以达到危及人身安全的程度。在电缆发生故障或遭受过电压时，屏蔽层上会形成很高的感应电压，甚至可能击穿护层绝缘。因此，高压电力电缆的屏蔽层和钢铠层一般都需要接地，目的是降低感应电压，提供金属屏蔽和护层流人大地的电流通路，防止人身受到电击，保护线路和设备免遭损坏。
如果金属屏蔽层采用两端同时接地，在屏蔽层与大地之间形成回路，屏蔽中将产生环形电流，环流的大小与导体的负荷电流基本上为同一数量级，其值可达线芯电流的50％一95％，屏蔽层发热时损耗大量的电能，将产生很大的环流损耗，使电缆发热，从而降低电缆的载流量，加速电缆的绝缘老化，减短电缆的使用寿命。因此，电缆屏蔽层应可靠合理的接地。
如果金属屏蔽层采用一端接地、另一端不接地，当雷电流或过电压波沿线芯流动时，金属屏蔽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，金属屏蔽层不接地端也会出现较高的工频感应电压，在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。因此，在采用一端接地时，必须采取措施限制护层上的过电压，根据线路的不同情况，按照经济合理的原则在金属屏蔽层的一定位置采用特殊的连接和接地方式，并同时装设护层保护器，以防止电缆护层绝缘被击穿。
规程要求，单芯电缆线路的护层只有一点接地时，护层任一点的感应电压不应超过50V，并应对地绝缘。如果大于此规定电压时，应采取护层分段绝缘或绝缘后连接成交叉互联的接线。通常，护层接地方式是通过电缆头制作来实现的，在制作电缆头时，有时将钢铠和铜屏蔽层分开焊接接地，是为了便于检测电缆内护层的好坏，在检测电缆护层时，钢铠与铜屏蔽间通上电压，如果能承受一定的电压就证明内护层是完好无损。如果没有这方面的要求，用不着检测电缆内护层，则将钢铠与铜屏蔽层连在一起接地。
4 铁路单芯电缆线路单芯常用护层接地方式分析
(1)金属屏蔽层一端接地：金属屏蔽层接地端感应电压为零，非接地端感应电压与电缆长度成正比，由于金属屏蔽层和大地之间没有形成闭合导电回路，金属屏蔽层内无环流，适用于短电缆线路。
(2)金属屏蔽层一端直接接地，另一端通过护层保护器接地：金属屏蔽层内无环流，屏蔽层接地端感应电压为零，非接地端感应电压与电缆长度成正比，适用于长电缆线路。
5 金属护套正常工频感应电压的计算
单芯电缆通过交变电流时，在电缆护套上产生感应电压，其大小与电缆排列中心距和金属护套平均半径之比的对数成正比，并与线芯的负荷电流、频率及电缆的长度成正比。
电缆的金属护套可以看成一薄壁圆柱体，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，同时也与金属护套相链，这部分磁通使金属护套具有电感，在它上面产生感应电动势，其大小由线芯电流来决定。本文通过实例来计算正常工作情况下感应电压的大小。
实例1：汉孝城际铁路1#基站至盘龙城站综合负荷贯通线电缆使用单芯截面为95mm2的铜芯单芯电缆。对应供电调压器容量为800kVA,电缆额定电流为46.2A。电缆长度为3km，电缆成“品”字形绑扎金属护套半径为r=15mm，电缆敷设中心轴间距为S=30mm。计算电缆的金属护套中的感应电压（见图1）
图1 汉孝贯通线电缆品字形绑扎
图1中，A、B、c代表三相单芯电缆；间距
即1km长电缆感应电压为1.87 V，则1#基站至盘龙城站的综合贯通电缆正常运行时的金属护层的最大感应电压为5.61V。
实例2：汉孝城际铁路天河10kV配电所至天河机场站方向站馈电缆的负载总容量约为5000kVA,电缆中的额定电流为289A, 从配电所至第一个负荷点的电缆长度约为5km。站馈电缆采用150mm2的铜芯单芯电缆。电缆电缆成“品”字形绑扎金属护套半径为r=17mm，电缆敷设中心轴间距为S=38mm。计算电缆的金属护套中的感应电压。
将数据带入公式，得：
即1km长电缆感应电压为11.7 V，则若本段电缆金属护层为一个整体，正常情况下天河10kV配电所至天河机场方向第一个负荷点的电缆金属护层的最大感应电压为58.5V，已经不满足在未采取能有效防止人员任意接触金属层的安全措施时，不得大于50 V的国标要求（GB50217_2007《电力工程电缆设计规范》）。
5 铁路客运专线单芯电缆金属护层接地
目前国内外普遍采用氧化锌保护器作为电缆护层保护器，该保护器在正常情况下呈现很高的电阻，以保证电缆护套在单点接地时正常工作，当雷电过电压或操作过电压波进入时，不接地端的护套出现很高的冲击过电压，保护器这时呈现较小的电阻，使过电压电流较容易的经保护器流人大地，而保护器不能损坏，这时不接地端的护套电压下降至保护器的残压，当然保护器的残压应低于电缆外护层的冲击击穿电压，高于护层上可能出现的工频过电压，这样保护器就能起到保护电缆护层不被击穿的作用。
铁路客运专线一般设置一级贯通、综合贯通单芯电缆线路各一路，因正常情况下运行电流不高，在相对较长的电缆线路（3km左右）通过电缆金属护层采用一端直接接地，一端经护层保护器接地的方式进行运行，满足国标感应电压值的要求，同时在面对雷电侵入波及合闸电流时亦可很好的保护金属护层不被击穿，可以获得较强的电缆运行可靠性。而对于重负荷单芯电缆线路，则要根据负载电流及实际情况对线路护层感应电压进行计算，合理的配置单段电缆金属护层的长度。
6 结束语
合理、正确的配置铁路单芯电缆线路的金属护层接地对应客运专线安全、可靠的运行具有重要意义，了解并掌握其接地的原因和具体要求是非常有必要的，希望本文能给相关从业人员一些借鉴。
7 参考文献
【1】高速铁路设计规范(TB10621-2014)。
【2】铁路电力设计规范(TB10008-2015)。
【3】铁路电力工程施工质量验收标准（TB10420-2018）。
【4】高速铁路电力工程施工质量验收标准（TB10757-2018）。
【5】高速铁路电力工程施工技术规程（Q/CR 9608-2015）。
【6】李国荣，熊涛，等．GB50217—2007电力工程电缆设计规范[s]．北京：中国计划出版杜，2008
论文作者:邓旭龙
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/17
标签：电缆论文; 屏蔽论文; 金属论文; 电压论文; 护套论文; 感应论文; 过电压论文; 《电力设备》2018年第32期论文;