电气化铁路铺设电力电缆金属护层与钢铠接地问题的讨论 作者：刘强 卓建洪 张拥周
来源：《科技创新导报》 2014年第7期
刘强 卓建洪 张拥周
(广深铁路股份有限公司广州供电段 广东广州 510030）
摘 要：当沿电气化铁路铺设的电力电缆的护层和钢铠两端都接地时，其护层和钢铠中有牵引电流通过，使钢铠和护层发热，造成电力电缆损坏。该文分析了电力电缆的护层和钢铠中产生电流的原理，提出了沿电气化铁路铺设电力电缆时，护层和钢铠须采取保护接地的防护措施，为电力电缆的安全运行提供帮助，为有关标准的制定提供参考意见。 关键词：电气化铁路 电力电缆 护层和钢铠 发热 接地
中图分类号:U2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2014)03(a)-0093-04
我国的电气化铁路通车里程已达到20000?km，正以每年约4000?km的速度快速发展，并以图1所示的
工频单相50?Hz、27.5?kV的供电方式为主。在电气化铁路沿线铺设的电力电缆，当距电气化铁路较近和平行于电气化铁路较长时，电力电缆的中间端子盒和电缆头处，经常出现绝缘损坏的事故。针对这一问题，该文进行了分析，出了事故原因并提出了应该采取的技术措施，旨在为电力电缆的安全运行提供帮助，为有关标准的制定提供参考意见。
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1 铁路沿线铺设电力电缆的现状
沿电气化铁路铺设电力电缆时，根据中华人民共和国国家标准GB 50168-92《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》的第5.1.21条规定：沿电气化铁路或有电气化铁路通过的桥梁上明敷电缆的金属护层或金属管道，应沿其全长与金属支架或桥梁的金属构件绝缘。第6.2.11条规定：三芯电力电缆终端处的金属护层必须接地良好；塑料电缆每相铜屏蔽层和钢铠应锡焊接地线。
我国高铁（城际）铁路大多使用的交联聚乙烯铠装三芯电缆与单芯电缆。通常三芯电缆都采用两端直接接地方式,这是因为这些电缆大多数是在正常运行中,流过三个线芯的电流总和为零,在铝包或金属屏蔽层外基本上没有磁链,这样,在铝包或金属屏蔽层两端就基本上没有感应电压,所以两端接地后不会有感应电流流过铝包或金属屏蔽层。而单芯电缆的线芯与金属屏蔽的关系,可看作一个变压器的初级绕组,当单芯电力电缆的导体中通过交流电流时,其周围产生的磁场会与金属护套交链,在金属护套上会产生感应电动势。其感应电动势的大小与导体中的电流大小、电缆的排列和电缆长度有关。当电缆长度与工作电流较大的情况下,感应电压可能达到很大的数值。电缆以紧贴三角形布置时,感应电压最小。当电缆相间距离增加,相对位置改变时,感应电压都会相应地改变。另外,多回电缆同路径敷设,也会对感应电压产生影响。 图1中牵引变电所的牵引电流I1沿接触网送给电力机车，然后经钢轨和大地流回牵引变电所，因此在大地中有很大的牵引电流。目前，沿电气化铁路铺设电力电缆时，都按照国家标准将护层和钢铠对地绝缘，同时又在电力电缆的两个终端处将护层和钢铠两端都接地（图1），使牵引地回流一部份经电缆护层及钢铠和两端接地点组成回路（图1中的I3），引起护层与钢铠发热；在护层和钢铠与接地引线联接的过渡处，还容易造成接触不良、发热严重。同时电力电缆的接头在电缆井内，电缆头又在空气中，工作环境和散热条件都比埋在地下的电缆差。这就是造成沿电气化铁路铺设电力电缆的电缆接头和电缆头处绝缘损坏机率很高的主要原因。例如广州铁路局的长沙和广州供电段，在电气化铁路牵引
变电所的馈线供电线上，多次发生电缆中间头及上网电缆头炸裂的事故。现在这两个供电段采取了将这些电缆仅保留牵引变电所侧的电缆护层和钢铠的接地，把另一端的接地点开路的措施。
2 电缆护层与钢铠中的感应电势及电流
如图1所示，由于电缆都埋在距离地面1m深左右或安装在电缆托架上，电缆护层与钢铠中主要为电磁感应电势，接触网27.5?kV对电缆护层与钢铠的静电感应电势可以忽略不计。设Z13、Z23分别为接触网和钢轨与电缆钢铠的互感抗，Ｌ为电缆与电气化铁路平行的长度(单位为km)，其电缆护层和钢铠的电磁感应电势为：
（1）△U=(Z13I1-Z23I2）L
因为牵引电流的频率为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—等效地回线入地深度；
d13、d23—分别为接触网和钢轨与电缆的距离；
Z12—接触网与钢轨的互感（Ω/km）；Z2—钢轨的自阻抗（Ω/km）。 银针秀
电缆护层和钢铠中的电流I3为：
（5）I3=△U／(Z3+R01+R02)
式中：Z3—电缆钢铠的自阻抗；R01、R02分别为护层及钢铠两端的接地电阻。
目前，电气化铁路接触网的供电方式中，以直接供电和架空回流线供电方式为主；在重载牵引区段，采用自耦变压器的AT供电方式；城市郊区对通信干扰大的区段，采用吸流变压器的BT供电方式。
2.1 牵引网直接供电方式时，电缆护层和钢铠中的感应电势
图2为电气化铁路牵引网直接供电方式示意图，图中所标尺寸以米为单位，接触网的承力索，接触网的接触导线，钢轨，电力电缆。
当电气化铁路为单线时，无C2、J2、g3、g4，d13、d23为：
(6)d13=(Ldc1Ldj1)1/2 d23=(Ldg1Ldg2)1/2
当电气化铁路为复线时，d13、d23为：
(7)d13=（Ldc1Ldj1 Ldc2Ldj2）1/4
d23=（Ldg1Ldg2 Ldg3Ldg4）1/4
式中：Ldc1、Ldc2—电力电缆至接触网承力索1、2的距离；Ldj1、Ldj2—电力电缆至接触网接触线1、2的距离；Ldg1～Ldg4—电力电缆至钢轨1～4的距离。当电力电缆距离铁路较远时，d13和d23可以近似取电力电缆至两钢轨中心的距离。
当等效地回线入地深度为930?m时，根据文献[2]计算，单线电气化铁路的参数为：
(8)Z12=0.05+j0.319Ω/km
（9）Z2=0.198+j0.560Ω/km当代艺术品投资
（10）所以
科技创新导报
I2=I1×0.543 6∠10.6°
（11）复线电气化铁路的参数为：
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 牵引网具有架空回流线时，电缆护层和钢铠中的感应电势
图3是电气化铁路具有架空回流线区段的接触网布置示意图，图中O和O`是架空回流线。架空回流线与钢轨并联，电流方向与钢轨中电流相同。在架空回流线区段，电缆护层和钢铠的感应电势计算方法与（1）式中的直接供电方式相同，只是Z23、Z12、Z2略有不同。
Z23的计算公式与（3）式相同，当电气化铁路为单线时，d23只考虑C1、J1、g1、g2和架空回流线O。
(14)d23=（Ldg1Ldg2LdO）1/3
复线电气化铁路的d23为：
剑川白族调 (15)d23=（Ldg1Ldg2Ldg3Ldg4LdOLdO`）1/6
式中：LdO、LdO`—电力电缆至接触网架空回流线O、O`的距离。
同样，当等效地回线入地深度为930?m时，根据文献[2]中数据计算，单线电气化铁路的参数为：
(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)复线电气化铁路的参数为：
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 牵引网采用其它供电方式时，电缆护层和钢铠中的感应电势
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采用自耦变压器的AT供电方式和吸流变压器的BT供电方式时，当电力机车运行在两个AT（BT）之间时具有半段效应，这时机车的牵引电流才对电缆护层和钢铠具有电磁感应电势。半段效应的距离AT区段为3～5km，BT区段1～2km。由于半段效应不管电力电缆有多长，都只有一台机车运行在两个AT（BT）之间时才有电磁感应电势，因此电力电缆护层和钢铠中的感应电势和电流都很小。
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