電氣化鐵道27.5kV電纜護層保護器技術參數研究

沈菊

(中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司,天津 300250)

電氣化鐵道27.5kV電纜護層保護器技術參數研究

沈菊

(中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司,天津 300250)

電氣化鐵道27.5kV電纜已在國內高速鐵路和客運專線鐵路項目中普遍應用，金屬護套一般采用一端直接接地另一端通過電纜護層保護器接地，電纜護層保護器被大量使用。本文結合電氣化鐵路系統特點，分析護層保護器使用環境、工作原理和工作特性，提供護層保護器關鍵技術參數選擇依據和參考，以期為護層保護器合理選型、為27.5kV電纜可靠保護提供幫助。

電氣化鐵道 27.5kV電纜護層保護器 技術參數

隨著電氣化鐵道27.5kV電纜在國內高速鐵路和客運專線鐵路項目中普遍應用，電纜的接地安全越來越受到重視。GB 50217-2007《電力工程電纜設計規范》規定，單芯電力電纜金屬層單點直接接地，在線路未接地的終端設置金屬護層電壓限制器（即電纜護層保護器），可增強護層絕緣保護。目前，國內既有在建或是已開通項目，所采用的電纜護層保護器產品，主要是電力電纜護層保護器，因缺乏統一參數標準，不同廠家同類產品參數差異大，產品型式不一，工程應用時選型困難，如若選用產品參數與系統不匹配，對27.5kV電纜安全運行還會造成威脅。 因此，有必要根據我國電氣化鐵路牽引供電系統特點，結合27.5kV電纜護層保護器工作條件和適用環境，對電氣化鐵道27.5kV電纜護層保護器的選型進行深入研究。

1 27.5kV電纜護層保護器使用環境特點

電氣化鐵路牽引供電系統為工頻交流單相系統，牽引負荷為沖擊性負荷且波動大。當車輛駛入某一供電臂內時，負荷電流迅速增大；駛出時，負荷電流迅速下降。如果某一供電臂內車輛密集，還會出現短時或周期性的過負荷。27.5kV單芯電纜主要用于牽引所內的牽引變壓器或自耦變壓器與27.5kV GIS開關柜間連接，以及由牽引所向接觸網提供電源的27.5kV饋出線。當牽引負荷較大時，為滿足載流需要，每回路27.5kV電纜采用多根并聯運行。從系統的角度分析，單根電纜運行和多根電纜并聯運行，所使用的電纜護層保護器主要參數選擇一致。電纜護層保護器接在電纜金屬護層接地引出線和地之間，主要安裝地點為牽引變壓器或自耦變壓器27.5kV側、27.5kV GIS開關柜內、牽引所電纜夾層內、鐵路線路側電纜上網側等。27.5kV電纜線路正常工作時，電纜護層保護器呈現高阻態，截斷電纜金屬護套中的工頻感應電流和大地形成的回路，限制環形感應電流；一旦電纜線路出現短路故障、有雷電過電壓侵入或是出現內部過電壓，導致電纜金屬護套中出現很高的工頻過電壓或沖擊過電壓時，電纜護層保護器呈現低阻態，迅速將故障電流泄入大地，將暫態過電壓鉗制在自身殘壓范圍內，保護電纜外護套絕緣。

2 27.5kV電纜護層保護器關鍵技術參數選擇

依據GB 50217-2007《電力工程電纜設計規范》、DL/T 401-2002《高壓電纜選用導則》，對電纜護層保護器的參數選擇規定，結合電氣化鐵路牽引供電系統特點，對27.5kV電纜護層保護的關鍵技術參數進行優化設計。

2.1 額定電壓（Ur）和起始動作電壓（U1mA）

27.5kV側牽引供電系統在電纜至接地側發生短路時，金屬護層不接地端會產生較高的工頻感應過電壓。兼顧護層保護器的工頻過電壓耐受能力和起始動作電壓，同時還應考慮工頻感應過電壓與電纜外護套的絕緣耐受水平的保護關系。當電纜金屬護套上感應工頻過電壓幅值可能超出電纜外護套的絕緣水平時，電纜護層保護器應可靠動作，結合電纜外護套絕緣水平會隨時間推移而下降的實際情況，選取電纜護層保護器的起始動作電壓應低于電纜外護套的工頻耐受電壓。

系統短路時，工頻短路電流對電纜金屬護層不接地端感應產生的工頻感應電壓可按式（1）計算：

式中：Ut--電纜金屬護層不接地端感應產生的工頻感應電壓，kV；

Id--系統短路流過電纜導體的短路電流，kA；Zw--電纜導體和金屬護層的互感抗，Ω/m；

L--電纜線路長度，m；K--系統短路時，接觸網回路線的工頻分流系數。

護層保護器的起始動作電壓和額定電壓可按下式選擇：

2.2 持續運行電壓（Uc）

27.5kV電纜護層保護器安裝在27.5kV電纜線路的一端和地之間，電纜的另一端直接接地。參考前文所述牽引供電系統的運行特點，持久施加在電纜護層保護器端子間的電壓除了接地網的地電位外，還要疊加金屬護套感應電壓。

式中： Imax——計算用入地短路電流，kA；Rn——接地裝置工頻的接地電阻，Ω。

If——正常滿負荷情況下電纜導體流過的電流，kV；Zw--電纜導體和金屬護層的互感抗，Ω/m。

2.3 標稱放電電流（In）和殘壓（Ures）

標稱放電電流可選用與電氣化鐵道用避雷器一致的等級，一般情況下取In=5kA即可。

表1 27.5kV電纜護層保護的主要參數

電纜護層保護器通過最大沖擊電流時的殘壓乘以1.4后，應低于電纜外護套絕緣的沖擊耐壓值。護層保護器的殘壓越低，鉗制的電位越低，對電纜外護套不受電壓破壞越有利。目前電氣化鐵路工程采用的27.5kV電纜外護套主要有PE和PVC材料，外護套沖擊絕緣水平為15kV，正常使用壽命周期內其絕緣水平最大允許下降30%。所以，電纜護層護器標稱放電電流下的殘壓可按不大于7.5kV選擇。

2.4 工頻耐受電壓和通流容量

電纜護層保護其采用金屬氧化物壓敏電阻作為非線性限流元件，護層保護器的工頻耐受電壓，可按金屬氧化物避雷器的工頻電壓耐受時間特性進行校核，保證護層保護器能夠在最大工頻電壓作用下承受5s時間不損壞。根據交流系統金屬氧化物避雷器使用導則，電纜護層保護器大電流沖擊電流值取65kA，即可滿足電纜護層保護器在最大沖擊電流累積作用20次后不得損壞。2ms方波通流容量，選用與電氣化鐵道用避雷器一致參數，取400A。綜上所述，27.5kV電纜護層保護器的關鍵技術參數決定了護層保護器的保護特性和運營穩定性，它與使用系統參數密切相關且相互制約，也反應了只有依據受保護系統實際情況選擇與之匹配的護層保護器，護層保護器才能運行穩定，保護特性才能充分發揮，也才能更可靠的為27.5kV電纜安全運行提供保證。

3 工程應用分析

27.5kV電纜護層保護器工程中的實際使用主要為高速鐵路或客運專線項目，普速鐵路項目應用較少，但是設備參數應具有適應不同項目情況，結合現有產品確定27.5kV電纜護層保護的主要參數見表1。

綜上述分析，因高速鐵路和客運專線鐵路工程，牽引供電系統沿線設置綜合接 地系統，沿線各子系統包括牽引所均與綜合地線相連，且接觸網立柱采用鋼材質，接地網地電位一般在2kV以下，考慮疊加金屬護套感應電壓，持久施加在電纜護層保護器端子間的電壓一般不超過2.3kV，由此確定的護層不保護器參數更合理。電氣化鐵路常規接地網地電位按3kV設計，考慮疊加金屬護套感應電壓，持久施加在電纜護層保護器端子間的電壓最大可達3.3kV，由此確定的護層不保護器參數二適用工程范圍更廣。

4 結語

電纜護層保護器的保護特性和運營穩定性是相互制約的，應結合系統實際情況、電纜線路長度、電纜外護套實際絕緣水平、護層保護使用環境條件等合理選擇護層保護器的參數，合理配置護層保護器，以可靠保護電纜、提高護層保護器的壽命。

[1]GB 50217-2007,電力工程電纜設計規范.

[2]DL/T621-1997,交流電氣裝置的接地.

[3]IEEE Std80-2000,變電站接地安全導則.

[4]DL/T 401-2002,高壓電纜選用導則.

[5]DL/T 804-2002,交流店里系統金屬氧化物避雷器使用導則.

[6]羅俊華,周作春,李華春,羅旻.單芯電力電纜金屬護層過電壓保護器參數設計[J].高電壓技術,2008(2)355-358.