電氣化鐵路鋪設(shè)電力電纜金屬護(hù)層與鋼鎧接地問題的討論

劉強(qiáng)　卓建洪　張擁周

摘 要：當(dāng)沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜的護(hù)層和鋼鎧兩端都接地時(shí)，其護(hù)層和鋼鎧中有牽引電流通過，使鋼鎧和護(hù)層發(fā)熱，造成電力電纜損壞。該文分析了電力電纜的護(hù)層和鋼鎧中產(chǎn)生電流的原理，提出了沿電氣化鐵路鋪設(shè)電力電纜時(shí)，護(hù)層和鋼鎧須采取保護(hù)接地的防護(hù)措施，為電力電纜的安全運(yùn)行提供幫助，為有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考意見。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路 電力電纜 護(hù)層和鋼鎧 發(fā)熱 接地

中圖分類號(hào)：U2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（a）-0093-04

我國的電氣化鐵路通車?yán)锍桃堰_(dá)到20000 km，正以每年約4000 km的速度快速發(fā)展，并以圖1所示的工頻單相50 Hz、27.5 kV的供電方式為主。在電氣化鐵路沿線鋪設(shè)的電力電纜，當(dāng)距電氣化鐵路較近和平行于電氣化鐵路較長時(shí)，電力電纜的中間端子盒和電纜頭處，經(jīng)常出現(xiàn)絕緣損壞的事故。針對(duì)這一問題，該文進(jìn)行了分析，找出了事故原因并提出了應(yīng)該采取的技術(shù)措施，旨在為電力電纜的安全運(yùn)行提供幫助，為有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考意見。

1 鐵路沿線鋪設(shè)電力電纜的現(xiàn)狀

沿電氣化鐵路鋪設(shè)電力電纜時(shí)，根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50168-92《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》的第5.1.21條規(guī)定：沿電氣化鐵路或有電氣化鐵路通過的橋梁上明敷電纜的金屬護(hù)層或金屬管道，應(yīng)沿其全長與金屬支架或橋梁的金屬構(gòu)件絕緣。第6.2.11條規(guī)定：三芯電力電纜終端處的金屬護(hù)層必須接地良好；塑料電纜每相銅屏蔽層和鋼鎧應(yīng)錫焊接地線。

我國高鐵（城際）鐵路大多使用的交聯(lián)聚乙烯鎧裝三芯電纜與單芯電纜。通常三芯電纜都采用兩端直接接地方式，這是因?yàn)檫@些電纜大多數(shù)是在正常運(yùn)行中，流過三個(gè)線芯的電流總和為零，在鋁包或金屬屏蔽層外基本上沒有磁鏈，這樣，在鋁包或金屬屏蔽層兩端就基本上沒有感應(yīng)電壓，所以兩端接地后不會(huì)有感應(yīng)電流流過鋁包或金屬屏蔽層。而單芯電纜的線芯與金屬屏蔽的關(guān)系，可看作一個(gè)變壓器的初級(jí)繞組，當(dāng)單芯電力電纜的導(dǎo)體中通過交流電流時(shí)，其周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)與金屬護(hù)套交鏈，在金屬護(hù)套上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)體中的電流大小、電纜的排列和電纜長度有關(guān)。當(dāng)電纜長度與工作電流較大的情況下，感應(yīng)電壓可能達(dá)到很大的數(shù)值。電纜以緊貼三角形布置時(shí)，感應(yīng)電壓最小。當(dāng)電纜相間距離增加，相對(duì)位置改變時(shí)，感應(yīng)電壓都會(huì)相應(yīng)地改變。另外，多回電纜同路徑敷設(shè)，也會(huì)對(duì)感應(yīng)電壓產(chǎn)生影響。

圖1中牽引變電所的牽引電流I1沿接觸網(wǎng)送給電力機(jī)車，然后經(jīng)鋼軌和大地流回牽引變電所，因此在大地中有很大的牽引電流。目前，沿電氣化鐵路鋪設(shè)電力電纜時(shí)，都按照國家標(biāo)準(zhǔn)將護(hù)層和鋼鎧對(duì)地絕緣，同時(shí)又在電力電纜的兩個(gè)終端處將護(hù)層和鋼鎧兩端都接地（圖1），使?fàn)恳鼗亓饕徊糠萁?jīng)電纜護(hù)層及鋼鎧和兩端接地點(diǎn)組成回路（圖1中的I3），引起護(hù)層與鋼鎧發(fā)熱；在護(hù)層和鋼鎧與接地引線聯(lián)接的過渡處，還容易造成接觸不良、發(fā)熱嚴(yán)重。同時(shí)電力電纜的接頭在電纜井內(nèi)，電纜頭又在空氣中，工作環(huán)境和散熱條件都比埋在地下的電纜差。這就是造成沿電氣化鐵路鋪設(shè)電力電纜的電纜接頭和電纜頭處絕緣損壞機(jī)率很高的主要原因。例如廣州鐵路局的長沙和廣州供電段，在電氣化鐵路牽引變電所的饋線供電線上，多次發(fā)生電纜中間頭及上網(wǎng)電纜頭炸裂的事故。現(xiàn)在這兩個(gè)供電段采取了將這些電纜僅保留牽引變電所側(cè)的電纜護(hù)層和鋼鎧的接地，把另一端的接地點(diǎn)開路的措施。

2 電纜護(hù)層與鋼鎧中的感應(yīng)電勢(shì)及電流

如圖1所示，由于電纜都埋在距離地面1m深左右或安裝在電纜托架上，電纜護(hù)層與鋼鎧中主要為電磁感應(yīng)電勢(shì)，接觸網(wǎng)27.5 kV對(duì)電纜護(hù)層與鋼鎧的靜電感應(yīng)電勢(shì)可以忽略不計(jì)。設(shè)Z13、Z23分別為接觸網(wǎng)和鋼軌與電纜鋼鎧的互感抗，L為電纜與電氣化鐵路平行的長度（單位為km），其電纜護(hù)層和鋼鎧的電磁感應(yīng)電勢(shì)為：

（1）△U=（Z13I1-Z23I2）L

因?yàn)闋恳娏鞯念l率為50Hz，所以式中：

（2）Z13=0.05+j0.145lg（Dg/d13）Ω/km

（3）Z23=0.05+j0.145lg（Dg/d23） Ω/km

（4）I2=I1Z12/Z2

式中：Dg—等效地回線入地深度； d13、d23—分別為接觸網(wǎng)和鋼軌與電纜的距離；

Z12—接觸網(wǎng)與鋼軌的互感（Ω/km）；Z2—鋼軌的自阻抗（Ω/km）。

電纜護(hù)層和鋼鎧中的電流I3為：

（5）I3=△U/（Z3+R01+R02）

式中：Z3—電纜鋼鎧的自阻抗；R01、R02分別為護(hù)層及鋼鎧兩端的接地電阻。

目前，電氣化鐵路接觸網(wǎng)的供電方式中，以直接供電和架空回流線供電方式為主；在重載牽引區(qū)段，采用自耦變壓器的AT供電方式；城市郊區(qū)對(duì)通信干擾大的區(qū)段，采用吸流變壓器的BT供電方式。

2.1 牽引網(wǎng)直接供電方式時(shí)，電纜護(hù)層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢(shì)

圖2為電氣化鐵路牽引網(wǎng)直接供電方式示意圖，圖中所標(biāo)尺寸以米為單位，接觸網(wǎng)的承力索，接觸網(wǎng)的接觸導(dǎo)線，鋼軌，電力電纜。

當(dāng)電氣化鐵路為單線時(shí)，無C2、J2、g3、g4，d13、d23為：

（6）d13=（Ldc1Ldj1）1/2 d23=（Ldg1Ldg2）1/2

當(dāng)電氣化鐵路為復(fù)線時(shí)，d13、d23為：

（7）d13=（Ldc1Ldj1 Ldc2Ldj2）1/4

d23=（Ldg1Ldg2 Ldg3Ldg4）1/4

式中：Ldc1、Ldc2—電力電纜至接觸網(wǎng)承力索1、2的距離；Ldj1、Ldj2—電力電纜至接觸網(wǎng)接觸線1、2的距離；Ldg1～Ldg4—電力電纜至鋼軌1～4的距離。當(dāng)電力電纜距離鐵路較遠(yuǎn)時(shí)，d13和d23可以近似取電力電纜至兩鋼軌中心的距離。endprint

當(dāng)?shù)刃У鼗鼐€入地深度為930 m時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[2]計(jì)算，單線電氣化鐵路的參數(shù)為：

（8）Z12=0.05+j0.319Ω/km

（9）Z2=0.198+j0.560Ω/km

（10）所以

I2=I1×0.543 6∠10.6°

（11）復(fù)線電氣化鐵路的參數(shù)為：

Z12=0.05+j0.3068 Ω/km

（12）Z2=0. 124+j0.445Ω/km

（13）所以

I2=I1×0.6729∠6.3°

2.2 牽引網(wǎng)具有架空回流線時(shí)，電纜護(hù)層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢(shì)

圖3是電氣化鐵路具有架空回流線區(qū)段的接觸網(wǎng)布置示意圖，圖中O和O`是架空回流線。架空回流線與鋼軌并聯(lián)，電流方向與鋼軌中電流相同。在架空回流線區(qū)段，電纜護(hù)層和鋼鎧的感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算方法與（1）式中的直接供電方式相同，只是Z23、Z12、Z2略有不同。

Z23的計(jì)算公式與（3）式相同，當(dāng)電氣化鐵路為單線時(shí)，d23只考慮C1、J1、g1、g2和架空回流線O。

（14）d23=（Ldg1Ldg2LdO）1/3

復(fù)線電氣化鐵路的d23為：

（15）d23=（Ldg1Ldg2Ldg3Ldg4LdOLdO`）1/6

式中：LdO、LdO`—電力電纜至接觸網(wǎng)架空回流線O、O`的距離。

同樣，當(dāng)?shù)刃У鼗鼐€入地深度為930 m時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[2]中數(shù)據(jù)計(jì)算，單線電氣化鐵路的參數(shù)為：

（16）Z12=0.05+j0.3256 Ω/km

（17）Z2=0.126+j0.4507 Ω/km

（18）所以I2=I1×0.7039∠6.9°

（19）復(fù)線電氣化鐵路的參數(shù)為：

Z12=0.05+j0.3116 Ω/km

（20）Z2=0.097+j0.344 Ω/km

（21）所以I2=I1×0.883∠3.9°

2.3 牽引網(wǎng)采用其它供電方式時(shí)，電纜護(hù)層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢(shì)

采用自耦變壓器的AT供電方式和吸流變壓器的BT供電方式時(shí)，當(dāng)電力機(jī)車運(yùn)行在兩個(gè)AT（BT）之間時(shí)具有半段效應(yīng)，這時(shí)機(jī)車的牽引電流才對(duì)電纜護(hù)層和鋼鎧具有電磁感應(yīng)電勢(shì)。半段效應(yīng)的距離AT區(qū)段為3～5 km，BT區(qū)段1～2 km。由于半段效應(yīng)不管電力電纜有多長，都只有一臺(tái)機(jī)車運(yùn)行在兩個(gè)AT（BT）之間時(shí)才有電磁感應(yīng)電勢(shì)，因此電力電纜護(hù)層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢(shì)和電流都很小。

分別將I2代入（1）式得沿電氣化鐵道鋪設(shè)的電力電纜護(hù)層與鋼鎧的電磁感應(yīng)電勢(shì)和電流如表1。

3 計(jì)算實(shí)例

以單線電氣化鐵路直接供方式為例，設(shè)電力電纜鋼鎧的直經(jīng)為60 mm，兩層鋼鎧的厚度為1.3 mm，參照鋼絞線電阻系數(shù)0.14，在不考慮鋼鎧的內(nèi)阻抗和護(hù)層直流電阻時(shí)，電纜鋼鎧的自阻抗為：

（22）Z3=0.5833+j0.145lg（930/0.03）

=0.05833+j0.6512Ω/km

電纜護(hù)層和鋼鎧中電流：

（23）I3=△U/（0.5833+R01+R02+j0.6512）

接觸網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，牽引變電所在短路后0.1～0.5 s才能跳閘切除故障電流，以接觸網(wǎng)平均短路電流1000 A計(jì)算電纜在與鐵路不同距離時(shí)，每km電纜鋼鎧的感應(yīng)電勢(shì)。計(jì)算結(jié)果如（表2）。

如果電纜護(hù)層和鋼鎧的兩端接地電阻均為5 Ω，牽引網(wǎng)短路電流為1000 A時(shí)，不同距離下護(hù)層和鋼鎧中的電磁感應(yīng)電勢(shì)和電流如表3所示。

4 防止?fàn)恳鼗亓髁鹘?jīng)電力電纜護(hù)層和鋼鎧的措施

當(dāng)電纜導(dǎo)體中有電流通過時(shí)，在與導(dǎo)體平行的金屬護(hù)套中必然產(chǎn)生縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果把兩端金屬護(hù)套直接接地，護(hù)套中的感應(yīng)電壓將產(chǎn)生以大地為回路的循環(huán)電流。護(hù)套中有電流通過，增加了電能損耗，同時(shí)減小了電纜的輸送容量。為了解決這個(gè)問題，可采取單點(diǎn)互聯(lián)，僅一端接地，另一端對(duì)地絕緣，護(hù)套中就沒有電流通過。但是，感應(yīng)電壓與電纜長度成正比，當(dāng)電纜線路較長時(shí)，過高的護(hù)套感應(yīng)電壓可能會(huì)危及人身安全，并可能導(dǎo)致設(shè)備事故，因此，電纜運(yùn)行規(guī)程規(guī)定，單芯電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓不得超過50 V。對(duì)于較長的電纜線路，應(yīng)用絕緣接頭將金屬護(hù)套分隔成多段，使每段的感應(yīng)電壓限制在小于50 V的安全范圍以內(nèi)。通常將三段長度相等或基本相等的電纜組成一個(gè)換位段，其中有兩套絕緣接頭，每套絕緣接頭的絕緣隔板兩側(cè)不同相的金屬護(hù)套用交叉跨越法相互連接。為了減少電纜線路的損耗，提高電纜的輸送容量，高壓單芯電纜的金屬護(hù)套，一般均采取交叉互聯(lián)或單點(diǎn)互聯(lián)方式。

由表2可以看出，當(dāng)電力電纜離鐵路很近（遂道內(nèi)和橋梁上），電力電纜與鐵路平行的距離較長時(shí)，電力電纜護(hù)層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢(shì)和地回流都很大。隨著牽引負(fù)荷的不斷增大，電氣化鐵路重負(fù)荷區(qū)段一個(gè)供電臂的最大牽引負(fù)荷電流可達(dá)800～ 1000A，供電臂首端的短路電流在3000～ 5000A之間。因此當(dāng)電力電纜鋪設(shè)在牽引供電臂的首端時(shí)，1 km電纜護(hù)層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢(shì)和電流是表2的3～5倍。電纜護(hù)層和鋼鎧中長期通過電流時(shí)會(huì)造成護(hù)層和鋼鎧發(fā)熱，導(dǎo)致電纜絕緣損壞。

為了防止?fàn)恳鼗亓鹘?jīng)過電纜護(hù)層和鋼鎧，因此在沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜頭的護(hù)層和鋼鎧就不能在電纜的兩端同時(shí)接地。最好在電纜的電源側(cè)接地，另一側(cè)采用Y1.5W-0.5/2.6型低壓氧化鋅避雷器進(jìn)行保護(hù)接地（圖4）。該避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓為420 V，U1mA電壓為1 200 V。

當(dāng)電力電纜中，牽引重負(fù)荷電流造成的感應(yīng)電壓高于420 V，或接觸網(wǎng)的短路電流產(chǎn)生的感應(yīng)電壓高于1200 V時(shí)，可以采用兩只避雷器串聯(lián)進(jìn)行電纜護(hù)層和鋼鎧的保護(hù)接地。在與電氣化鐵路平行很長，又離電氣化鐵路很近的電力電纜，當(dāng)感應(yīng)電壓影響到電力電纜絕緣的安全運(yùn)行時(shí)，可以采用在電力電纜的中間接頭端處進(jìn)行電纜護(hù)層和鋼鎧的直接接地，電纜兩端進(jìn)行保護(hù)接地，如圖5所示。

5 結(jié)語

（1）沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜的護(hù)層和鋼鎧只能一端接地，另一端應(yīng)采用低壓氧化鋅避雷器進(jìn)行保護(hù)接地；當(dāng)電力電纜過長，護(hù)層和鋼鎧中的電磁感應(yīng)電勢(shì)過高，影響到電纜的安全運(yùn)行時(shí)，可以在電力電纜的中間接頭端子處進(jìn)行電纜護(hù)層和鋼鎧接地，電力電纜兩端的端子頭處應(yīng)進(jìn)行保護(hù)接地。

（2）在電氣化鐵路為AT和BT供電區(qū)段，沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜的護(hù)層和鋼鎧可以一端接地，另一端采用一只低壓220 V或380 V的氧化鋅避雷器進(jìn)行保護(hù)接地。

（3）建議中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50168-92《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》的第5.1.21條中增加：電力電纜的護(hù)層和鋼鎧沿電氣化鐵路鋪設(shè)時(shí)的保護(hù)接地內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，1987.

[2] 衛(wèi)明博.鐵路牽引供電對(duì)信號(hào)系統(tǒng)電磁干擾抑制的施工工藝研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2010（6）.

[3] 高建平，尚鐵宇.電力電纜故障離線定位方法的經(jīng)驗(yàn)分析[J].內(nèi)蒙古石油化工，2010（1）.endprint

當(dāng)?shù)刃У鼗鼐€入地深度為930 m時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[2]計(jì)算，單線電氣化鐵路的參數(shù)為：

（8）Z12=0.05+j0.319Ω/km

（9）Z2=0.198+j0.560Ω/km

（10）所以

I2=I1×0.543 6∠10.6°

（11）復(fù)線電氣化鐵路的參數(shù)為：

Z12=0.05+j0.3068 Ω/km

（12）Z2=0. 124+j0.445Ω/km

（13）所以

I2=I1×0.6729∠6.3°

2.2 牽引網(wǎng)具有架空回流線時(shí)，電纜護(hù)層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢(shì)

圖3是電氣化鐵路具有架空回流線區(qū)段的接觸網(wǎng)布置示意圖，圖中O和O`是架空回流線。架空回流線與鋼軌并聯(lián)，電流方向與鋼軌中電流相同。在架空回流線區(qū)段，電纜護(hù)層和鋼鎧的感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算方法與（1）式中的直接供電方式相同，只是Z23、Z12、Z2略有不同。

Z23的計(jì)算公式與（3）式相同，當(dāng)電氣化鐵路為單線時(shí)，d23只考慮C1、J1、g1、g2和架空回流線O。

（14）d23=（Ldg1Ldg2LdO）1/3

復(fù)線電氣化鐵路的d23為：

（15）d23=（Ldg1Ldg2Ldg3Ldg4LdOLdO`）1/6

式中：LdO、LdO`—電力電纜至接觸網(wǎng)架空回流線O、O`的距離。

同樣，當(dāng)?shù)刃У鼗鼐€入地深度為930 m時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[2]中數(shù)據(jù)計(jì)算，單線電氣化鐵路的參數(shù)為：

（16）Z12=0.05+j0.3256 Ω/km

（17）Z2=0.126+j0.4507 Ω/km

（18）所以I2=I1×0.7039∠6.9°

（19）復(fù)線電氣化鐵路的參數(shù)為：

Z12=0.05+j0.3116 Ω/km

（20）Z2=0.097+j0.344 Ω/km

（21）所以I2=I1×0.883∠3.9°

2.3 牽引網(wǎng)采用其它供電方式時(shí)，電纜護(hù)層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢(shì)

采用自耦變壓器的AT供電方式和吸流變壓器的BT供電方式時(shí)，當(dāng)電力機(jī)車運(yùn)行在兩個(gè)AT（BT）之間時(shí)具有半段效應(yīng)，這時(shí)機(jī)車的牽引電流才對(duì)電纜護(hù)層和鋼鎧具有電磁感應(yīng)電勢(shì)。半段效應(yīng)的距離AT區(qū)段為3～5 km，BT區(qū)段1～2 km。由于半段效應(yīng)不管電力電纜有多長，都只有一臺(tái)機(jī)車運(yùn)行在兩個(gè)AT（BT）之間時(shí)才有電磁感應(yīng)電勢(shì)，因此電力電纜護(hù)層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢(shì)和電流都很小。

分別將I2代入（1）式得沿電氣化鐵道鋪設(shè)的電力電纜護(hù)層與鋼鎧的電磁感應(yīng)電勢(shì)和電流如表1。

3 計(jì)算實(shí)例

以單線電氣化鐵路直接供方式為例，設(shè)電力電纜鋼鎧的直經(jīng)為60 mm，兩層鋼鎧的厚度為1.3 mm，參照鋼絞線電阻系數(shù)0.14，在不考慮鋼鎧的內(nèi)阻抗和護(hù)層直流電阻時(shí)，電纜鋼鎧的自阻抗為：

（22）Z3=0.5833+j0.145lg（930/0.03）

=0.05833+j0.6512Ω/km

電纜護(hù)層和鋼鎧中電流：

（23）I3=△U/（0.5833+R01+R02+j0.6512）

接觸網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，牽引變電所在短路后0.1～0.5 s才能跳閘切除故障電流，以接觸網(wǎng)平均短路電流1000 A計(jì)算電纜在與鐵路不同距離時(shí)，每km電纜鋼鎧的感應(yīng)電勢(shì)。計(jì)算結(jié)果如（表2）。

如果電纜護(hù)層和鋼鎧的兩端接地電阻均為5 Ω，牽引網(wǎng)短路電流為1000 A時(shí)，不同距離下護(hù)層和鋼鎧中的電磁感應(yīng)電勢(shì)和電流如表3所示。

4 防止?fàn)恳鼗亓髁鹘?jīng)電力電纜護(hù)層和鋼鎧的措施

當(dāng)電纜導(dǎo)體中有電流通過時(shí)，在與導(dǎo)體平行的金屬護(hù)套中必然產(chǎn)生縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果把兩端金屬護(hù)套直接接地，護(hù)套中的感應(yīng)電壓將產(chǎn)生以大地為回路的循環(huán)電流。護(hù)套中有電流通過，增加了電能損耗，同時(shí)減小了電纜的輸送容量。為了解決這個(gè)問題，可采取單點(diǎn)互聯(lián)，僅一端接地，另一端對(duì)地絕緣，護(hù)套中就沒有電流通過。但是，感應(yīng)電壓與電纜長度成正比，當(dāng)電纜線路較長時(shí)，過高的護(hù)套感應(yīng)電壓可能會(huì)危及人身安全，并可能導(dǎo)致設(shè)備事故，因此，電纜運(yùn)行規(guī)程規(guī)定，單芯電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓不得超過50 V。對(duì)于較長的電纜線路，應(yīng)用絕緣接頭將金屬護(hù)套分隔成多段，使每段的感應(yīng)電壓限制在小于50 V的安全范圍以內(nèi)。通常將三段長度相等或基本相等的電纜組成一個(gè)換位段，其中有兩套絕緣接頭，每套絕緣接頭的絕緣隔板兩側(cè)不同相的金屬護(hù)套用交叉跨越法相互連接。為了減少電纜線路的損耗，提高電纜的輸送容量，高壓單芯電纜的金屬護(hù)套，一般均采取交叉互聯(lián)或單點(diǎn)互聯(lián)方式。

由表2可以看出，當(dāng)電力電纜離鐵路很近（遂道內(nèi)和橋梁上），電力電纜與鐵路平行的距離較長時(shí)，電力電纜護(hù)層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢(shì)和地回流都很大。隨著牽引負(fù)荷的不斷增大，電氣化鐵路重負(fù)荷區(qū)段一個(gè)供電臂的最大牽引負(fù)荷電流可達(dá)800～ 1000A，供電臂首端的短路電流在3000～ 5000A之間。因此當(dāng)電力電纜鋪設(shè)在牽引供電臂的首端時(shí)，1 km電纜護(hù)層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢(shì)和電流是表2的3～5倍。電纜護(hù)層和鋼鎧中長期通過電流時(shí)會(huì)造成護(hù)層和鋼鎧發(fā)熱，導(dǎo)致電纜絕緣損壞。

為了防止?fàn)恳鼗亓鹘?jīng)過電纜護(hù)層和鋼鎧，因此在沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜頭的護(hù)層和鋼鎧就不能在電纜的兩端同時(shí)接地。最好在電纜的電源側(cè)接地，另一側(cè)采用Y1.5W-0.5/2.6型低壓氧化鋅避雷器進(jìn)行保護(hù)接地（圖4）。該避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓為420 V，U1mA電壓為1 200 V。

當(dāng)電力電纜中，牽引重負(fù)荷電流造成的感應(yīng)電壓高于420 V，或接觸網(wǎng)的短路電流產(chǎn)生的感應(yīng)電壓高于1200 V時(shí)，可以采用兩只避雷器串聯(lián)進(jìn)行電纜護(hù)層和鋼鎧的保護(hù)接地。在與電氣化鐵路平行很長，又離電氣化鐵路很近的電力電纜，當(dāng)感應(yīng)電壓影響到電力電纜絕緣的安全運(yùn)行時(shí)，可以采用在電力電纜的中間接頭端處進(jìn)行電纜護(hù)層和鋼鎧的直接接地，電纜兩端進(jìn)行保護(hù)接地，如圖5所示。

5 結(jié)語

（1）沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜的護(hù)層和鋼鎧只能一端接地，另一端應(yīng)采用低壓氧化鋅避雷器進(jìn)行保護(hù)接地；當(dāng)電力電纜過長，護(hù)層和鋼鎧中的電磁感應(yīng)電勢(shì)過高，影響到電纜的安全運(yùn)行時(shí)，可以在電力電纜的中間接頭端子處進(jìn)行電纜護(hù)層和鋼鎧接地，電力電纜兩端的端子頭處應(yīng)進(jìn)行保護(hù)接地。

（2）在電氣化鐵路為AT和BT供電區(qū)段，沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜的護(hù)層和鋼鎧可以一端接地，另一端采用一只低壓220 V或380 V的氧化鋅避雷器進(jìn)行保護(hù)接地。

（3）建議中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50168-92《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》的第5.1.21條中增加：電力電纜的護(hù)層和鋼鎧沿電氣化鐵路鋪設(shè)時(shí)的保護(hù)接地內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，1987.

[2] 衛(wèi)明博.鐵路牽引供電對(duì)信號(hào)系統(tǒng)電磁干擾抑制的施工工藝研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2010（6）.

[3] 高建平，尚鐵宇.電力電纜故障離線定位方法的經(jīng)驗(yàn)分析[J].內(nèi)蒙古石油化工，2010（1）.endprint

當(dāng)?shù)刃У鼗鼐€入地深度為930 m時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[2]計(jì)算，單線電氣化鐵路的參數(shù)為：

（8）Z12=0.05+j0.319Ω/km

（9）Z2=0.198+j0.560Ω/km

（10）所以

I2=I1×0.543 6∠10.6°

（11）復(fù)線電氣化鐵路的參數(shù)為：

Z12=0.05+j0.3068 Ω/km

（12）Z2=0. 124+j0.445Ω/km

（13）所以

I2=I1×0.6729∠6.3°

2.2 牽引網(wǎng)具有架空回流線時(shí)，電纜護(hù)層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢(shì)

圖3是電氣化鐵路具有架空回流線區(qū)段的接觸網(wǎng)布置示意圖，圖中O和O`是架空回流線。架空回流線與鋼軌并聯(lián)，電流方向與鋼軌中電流相同。在架空回流線區(qū)段，電纜護(hù)層和鋼鎧的感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算方法與（1）式中的直接供電方式相同，只是Z23、Z12、Z2略有不同。

Z23的計(jì)算公式與（3）式相同，當(dāng)電氣化鐵路為單線時(shí)，d23只考慮C1、J1、g1、g2和架空回流線O。

（14）d23=（Ldg1Ldg2LdO）1/3

復(fù)線電氣化鐵路的d23為：

（15）d23=（Ldg1Ldg2Ldg3Ldg4LdOLdO`）1/6

式中：LdO、LdO`—電力電纜至接觸網(wǎng)架空回流線O、O`的距離。

同樣，當(dāng)?shù)刃У鼗鼐€入地深度為930 m時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[2]中數(shù)據(jù)計(jì)算，單線電氣化鐵路的參數(shù)為：

（16）Z12=0.05+j0.3256 Ω/km

（17）Z2=0.126+j0.4507 Ω/km

（18）所以I2=I1×0.7039∠6.9°

（19）復(fù)線電氣化鐵路的參數(shù)為：

Z12=0.05+j0.3116 Ω/km

（20）Z2=0.097+j0.344 Ω/km

（21）所以I2=I1×0.883∠3.9°

2.3 牽引網(wǎng)采用其它供電方式時(shí)，電纜護(hù)層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢(shì)

采用自耦變壓器的AT供電方式和吸流變壓器的BT供電方式時(shí)，當(dāng)電力機(jī)車運(yùn)行在兩個(gè)AT（BT）之間時(shí)具有半段效應(yīng)，這時(shí)機(jī)車的牽引電流才對(duì)電纜護(hù)層和鋼鎧具有電磁感應(yīng)電勢(shì)。半段效應(yīng)的距離AT區(qū)段為3～5 km，BT區(qū)段1～2 km。由于半段效應(yīng)不管電力電纜有多長，都只有一臺(tái)機(jī)車運(yùn)行在兩個(gè)AT（BT）之間時(shí)才有電磁感應(yīng)電勢(shì)，因此電力電纜護(hù)層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢(shì)和電流都很小。

分別將I2代入（1）式得沿電氣化鐵道鋪設(shè)的電力電纜護(hù)層與鋼鎧的電磁感應(yīng)電勢(shì)和電流如表1。

3 計(jì)算實(shí)例

以單線電氣化鐵路直接供方式為例，設(shè)電力電纜鋼鎧的直經(jīng)為60 mm，兩層鋼鎧的厚度為1.3 mm，參照鋼絞線電阻系數(shù)0.14，在不考慮鋼鎧的內(nèi)阻抗和護(hù)層直流電阻時(shí)，電纜鋼鎧的自阻抗為：

（22）Z3=0.5833+j0.145lg（930/0.03）

=0.05833+j0.6512Ω/km

電纜護(hù)層和鋼鎧中電流：

（23）I3=△U/（0.5833+R01+R02+j0.6512）

接觸網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，牽引變電所在短路后0.1～0.5 s才能跳閘切除故障電流，以接觸網(wǎng)平均短路電流1000 A計(jì)算電纜在與鐵路不同距離時(shí)，每km電纜鋼鎧的感應(yīng)電勢(shì)。計(jì)算結(jié)果如（表2）。

如果電纜護(hù)層和鋼鎧的兩端接地電阻均為5 Ω，牽引網(wǎng)短路電流為1000 A時(shí)，不同距離下護(hù)層和鋼鎧中的電磁感應(yīng)電勢(shì)和電流如表3所示。

4 防止?fàn)恳鼗亓髁鹘?jīng)電力電纜護(hù)層和鋼鎧的措施

當(dāng)電纜導(dǎo)體中有電流通過時(shí)，在與導(dǎo)體平行的金屬護(hù)套中必然產(chǎn)生縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果把兩端金屬護(hù)套直接接地，護(hù)套中的感應(yīng)電壓將產(chǎn)生以大地為回路的循環(huán)電流。護(hù)套中有電流通過，增加了電能損耗，同時(shí)減小了電纜的輸送容量。為了解決這個(gè)問題，可采取單點(diǎn)互聯(lián)，僅一端接地，另一端對(duì)地絕緣，護(hù)套中就沒有電流通過。但是，感應(yīng)電壓與電纜長度成正比，當(dāng)電纜線路較長時(shí)，過高的護(hù)套感應(yīng)電壓可能會(huì)危及人身安全，并可能導(dǎo)致設(shè)備事故，因此，電纜運(yùn)行規(guī)程規(guī)定，單芯電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓不得超過50 V。對(duì)于較長的電纜線路，應(yīng)用絕緣接頭將金屬護(hù)套分隔成多段，使每段的感應(yīng)電壓限制在小于50 V的安全范圍以內(nèi)。通常將三段長度相等或基本相等的電纜組成一個(gè)換位段，其中有兩套絕緣接頭，每套絕緣接頭的絕緣隔板兩側(cè)不同相的金屬護(hù)套用交叉跨越法相互連接。為了減少電纜線路的損耗，提高電纜的輸送容量，高壓單芯電纜的金屬護(hù)套，一般均采取交叉互聯(lián)或單點(diǎn)互聯(lián)方式。

由表2可以看出，當(dāng)電力電纜離鐵路很近（遂道內(nèi)和橋梁上），電力電纜與鐵路平行的距離較長時(shí)，電力電纜護(hù)層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢(shì)和地回流都很大。隨著牽引負(fù)荷的不斷增大，電氣化鐵路重負(fù)荷區(qū)段一個(gè)供電臂的最大牽引負(fù)荷電流可達(dá)800～ 1000A，供電臂首端的短路電流在3000～ 5000A之間。因此當(dāng)電力電纜鋪設(shè)在牽引供電臂的首端時(shí)，1 km電纜護(hù)層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢(shì)和電流是表2的3～5倍。電纜護(hù)層和鋼鎧中長期通過電流時(shí)會(huì)造成護(hù)層和鋼鎧發(fā)熱，導(dǎo)致電纜絕緣損壞。

為了防止?fàn)恳鼗亓鹘?jīng)過電纜護(hù)層和鋼鎧，因此在沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜頭的護(hù)層和鋼鎧就不能在電纜的兩端同時(shí)接地。最好在電纜的電源側(cè)接地，另一側(cè)采用Y1.5W-0.5/2.6型低壓氧化鋅避雷器進(jìn)行保護(hù)接地（圖4）。該避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓為420 V，U1mA電壓為1 200 V。

當(dāng)電力電纜中，牽引重負(fù)荷電流造成的感應(yīng)電壓高于420 V，或接觸網(wǎng)的短路電流產(chǎn)生的感應(yīng)電壓高于1200 V時(shí)，可以采用兩只避雷器串聯(lián)進(jìn)行電纜護(hù)層和鋼鎧的保護(hù)接地。在與電氣化鐵路平行很長，又離電氣化鐵路很近的電力電纜，當(dāng)感應(yīng)電壓影響到電力電纜絕緣的安全運(yùn)行時(shí)，可以采用在電力電纜的中間接頭端處進(jìn)行電纜護(hù)層和鋼鎧的直接接地，電纜兩端進(jìn)行保護(hù)接地，如圖5所示。

5 結(jié)語

（1）沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜的護(hù)層和鋼鎧只能一端接地，另一端應(yīng)采用低壓氧化鋅避雷器進(jìn)行保護(hù)接地；當(dāng)電力電纜過長，護(hù)層和鋼鎧中的電磁感應(yīng)電勢(shì)過高，影響到電纜的安全運(yùn)行時(shí)，可以在電力電纜的中間接頭端子處進(jìn)行電纜護(hù)層和鋼鎧接地，電力電纜兩端的端子頭處應(yīng)進(jìn)行保護(hù)接地。

（2）在電氣化鐵路為AT和BT供電區(qū)段，沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜的護(hù)層和鋼鎧可以一端接地，另一端采用一只低壓220 V或380 V的氧化鋅避雷器進(jìn)行保護(hù)接地。

（3）建議中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50168-92《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》的第5.1.21條中增加：電力電纜的護(hù)層和鋼鎧沿電氣化鐵路鋪設(shè)時(shí)的保護(hù)接地內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，1987.

[2] 衛(wèi)明博.鐵路牽引供電對(duì)信號(hào)系統(tǒng)電磁干擾抑制的施工工藝研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2010（6）.

[3] 高建平，尚鐵宇.電力電纜故障離線定位方法的經(jīng)驗(yàn)分析[J].內(nèi)蒙古石油化工，2010（1）.endprint