高铁电力贯通线的感应电压与金属护层接地方式

5.1 金属护层工频感应电压的计算
1.平衡负载条件下、电缆金属护层中感应电压的计算
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-导体 2-内屏蔽 3-绝缘 4-外屏蔽 5-金属屏蔽 6-填 充 7-绕包层 8内衬层 9-铠装层 10-外护套
(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。
(6) 交联聚乙烯绝缘比重为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。
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。
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。
• 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。
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。
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 ：
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 传输容量和电缆的安全运行。
根据相关要求，非直接接地的
•
EC
•
Id
•
EB
•
Id
B 2s
C DA
DB DC
•
Id
•
Id
•
Id
DB DC
•
Id
•
••
R2
Id
R1
R2
•
Id
(I0 ID)
R1
• ••
Id (I0 ID)
•
R2
Id
• ••
Id (I0 ID)
• ••
Id (I0 ID)
（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
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 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。
• (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。
10 4
ln
DADB rP S
lI d
U SC
RP
j2
10 4
ln
D A DC rP 2S
lI d
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，另一部分以回流线或金 属护层为回路
A
A
•
EA
•
•
Id
•
B 2s
•
Id
EC
EB
C DA
s
s
•
EA
YJV623*(1*95) 1.0376
1.6723 1.0570 1.3294 1.0570
1.6641 1.0478 1.3205 1.0478
1.6550 1.0376 1.3108 1.0376
• 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
YJV62- YJV62- YJV62-
A
S3
S1
A
B
C
S1
S2
A
S1
S3
S2
C
B
S3
( a)
(b)
B S2 C (c)
三相电缆敷设在一直角等边三角形顶点上
U SA U SC I
x
2 S
1 2
xS
xm
xm 2
2
U SB Ixs (V/km)
(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
3*(1*50) 3*(1*70) 3*(1*95)
等边三角 A,B,C
2.6425 2.6194 2.5941
形排列
直线排列 A,C
4.1807 4.1602 4.1376
B
2.6425 2.6194 2.5941
直角三角 A，C 形排列 B
3.3234 2.6425
3.3014 2.6194
3.2771 2.5941
根据GB50217-2007的要求， 在未采取能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/T52212005)10条规定:通常单芯电缆金属护层接地方式四种方式：
•
EA
•
EC
••Id来自EB•Id
A
B
2s
C DA
DB DC
s
•
Id
•
Id
•
Id
R1
•
Id
R2
• 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
U SA
RP
j2 104
ln
DA rP
j2 104
ln
DA rS
lI
d
B、C相的金属护层对回流线的电动势为
U SB
RP
j2
(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。
(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。
(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。
① 单芯电缆金属护层两端接地方式分析 ② 单芯电缆金属护层一端接地、一端接保护器方式 分析 ③电缆金属护层中点接地，两端保护接地 ④电缆金属护层交叉互联
(a)
(b)
(c)
(d)
① 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%。
2.工频短路时电缆金属护层中感应电压 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
U SB
R
Rg
j2 104
ln
D S
l
I
d
U SC
R
Rg
j2 104 ln
D 2S
l
I
d
• 土壤电阻率取50Ω.m，R=0Ω，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)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
A
S3
S1
S2
C
B
( a)
A
B
C
S1
S2
S3
(b)
A
S1
S3
B S2 C (c)
• 三相电缆敷设在等边三角形顶点上,护层电感
x1
x2
x3
xS
2 ln 2S
DS
10 4
（Ω/km）
单位长度金属护层中的感应电压
U SA U SB U SC I f xs (V/km)
A
S3
S1
A
B
C
S1
S2
B
15.8548 15.7167 15.5645