长距离单芯电缆金属护套接地方案研究

樊春雷，李汉卿

0 引言

不同于电力系统三相交流输电方式，电气化铁路专用带金属护套的单芯电力电缆，一旦电缆中流过单相电流，在交变磁场作用下，金属护套上会产生感应电压，感应电压大小与线芯流经的电流、电缆长度、电缆接地方式等因素有关[2，4～6]。因此，27.5 kV电缆一般采用一端直接接地，另一端经护套保护器接地的方式。通常，可根据正常负荷电流大小合理设计每段电缆长度。

在铁路设计中，有必要对长大区间单芯电缆金属护套接地电阻及接地方案进行系统研究，从而降低电缆金属护套感应电压，减少短路电缆段范围外金属护套保护器发生损坏的几率，避免电缆护套出现两端接地运行工况，提高电缆安全运行寿命。

本文借助电磁暂态分析软件PSCAD/EMTDC，搭建单相单芯电缆模型，重点仿真分析故障时电缆金属护套感应电压随不同接地回流方案变化的规律，并提出不同接地回流方案下接地电阻要求。 mm

1 搭建电缆仿真模型

1.1 电缆模型

本文以电气化铁路专用馈线电缆为例，电缆型号为YJY73-27.5 kV 1×300 mm2，如图1所示；电缆内部结构技术参数如表1所示[1]。

图1 电缆内部结构

表1 电缆结构内部参数

基于电缆结构以及内部结构参数，仿真中将电缆结构划分为6层，分别为导体层、绝缘层、金属屏蔽层、内衬层、铝丝铠装层、外护套，借助电磁暂态分析软件PSCAD/EMTDC搭建单根单芯电力电缆模型，如图2所示，模型参数见图3。

图2 单芯电缆模型

图3 等效电缆模型参数（单位：mm）

取单芯电缆长度1 km，额定电压27.5 kV，电缆导体电压和电缆芯线电流仿真结果分别如图4、图5所示。

图4 单芯电缆金属护套感应电压

图5 单芯电缆芯线电流

单位长度电缆电容C可根据下式计算：

式中：IC为电缆电容峰值电流，kA；U为电缆导体电压，kV；f取50 Hz。

同时由图4、图5可得电缆导体电压U= 38.89 kV，电缆电容电流IC= 0.004 kA，代入式（1）可得单位长度电缆对地电容为0.328 µF/km。

根据单芯电缆标准，单芯电缆单位电容C0可根据下式计算：

式中：R为金属屏蔽层内半径，mm；r为缆芯半径，mm；ε0为介电常数；εr为相对介电常数，取4.1。

结合图3中单芯电缆几何参数，依据式（2），理论计算可得单位电缆电容C0= 0.3 µF/km。理论计算和仿真结果一致，验证了电缆模型的准确性。

在验证电缆模型准确性基础上，通过改变电缆长度，进一步对长距离单芯电缆对电压抬升影响进行仿真。仿真模型如图2所示，仿真结果见如图6。

图6 单芯电缆末端电压波形

仿真结果表明：25 km处电缆空载网压幅值最大为39.483 kV，对应有效值为27.923 kV，相比变电所出口处电压27.5 kV提高了1.54%。可见，长距离空载电缆对网压抬升影响有限。因此，对于铁路可考虑牵引所馈出专用长距离电缆方案，从网压抬升方面考虑是可行的。

1.2 电缆金属层接地回流方案

目前，电缆金属层接地回流方案主要有3种，如图7所示。

图7 电缆金属层不同接地回流方案

（a）通过接地电阻接地回流

2 不同接地回流方案下电缆金属护套感应电压规律研究

在验证电缆模型准确性基础上，本文重点仿真研究电缆短路故障时，电缆金属护套感应电压随不同接地回流方式的变化规律。

仿真中，110 kV系统短路容量取3 000 MV·A；牵引变压器额定容量取25 MV·A，短路阻抗取10.5%。由上述条件可得变电所出口处短路电流为7.25 kA。

电缆采用单端接地方式，每段电缆长度根据铁路常规设计一般选取800 m；金属护套保护器导通电压暂按5 kV考虑[3]。

2.1 不考虑回流线时电缆金属护套感应电压随不同接地电阻变化规律分析

（1）短路点发生在第1段电缆时，仿真结果如表2所示。

表2 第1段电缆末端短路时

由表2可得，第1段电缆末端短路时，由于电缆首端金属层直接通过接地电缆与变电所连接，短路电流直接通过接地电缆流回变电所变压器，不经过接地网接地电阻。因此，第1段电缆发生短路故障时，第1段电缆末端金属护套感应电压仅为电缆芯线对金属护套感应电压和金属护套自身电阻引起的压降，感应电压仅为870 V。可见，第1段电缆发生短路时电缆金属护套保护器不会动作。

（2）短路点发生在第2段电缆时，仿真结果如表3所示。

表3 第2段电缆末端短路时

由表3可知：第2段电缆发生短路故障时，电缆末端金属护套感应电压与短路点接地电阻成正比；主要由于电缆短路时，短路回路中存在接地电阻引起电压抬升结果。电缆发生短路时，不同短路接地电阻下均会导致第1段和第2段电缆护套保护器动作，即第2段电缆发生短路故障时，会引起非故障的第1段电缆金属护套保护器动作。

（3）短路点发生在第3段电缆时，仿真结果如表4所示。

表4 第3段电缆末端短路时

由表4可得：第3段电缆发生短路故障时，第1段和第2段电缆末端金属护套感应电压随接地电阻增加而降低，主要由于第1段和第2段电缆金属护套感应电压仅与电缆芯线电流幅值有关，随着短路接地电阻增大，短路电流变小，相应导致电缆金属护套感应电压降低。不同于第1段和第2段，第3段电缆发生短路故障时，电缆末端金属护套感应电压不仅与短路电流有关，还与短路点接地电阻压降有关，因此，第3段电缆末端金属护套感应电压变化规律与短路点发生在第2段相同，与接地电阻成正比，电缆发生短路时，第1段电缆在短路点接地电阻不大于2 Ω时护套保护器会动作，第3段电缆护套保护器都会动作，第2段电缆护套保护器不发生动作。即第3段电缆发生短路故障时，有可能会引起非故障的第1段电缆金属护套保护器动作。

2.2 考虑回流线时电缆金属护套感应电压随不同接地电阻变化规律分析

2.2.1 增加接地扁钢回流时

（1）短路点发生在第1段电缆时，仿真结果与表2基本相同，主要是由于电缆末端短路时，接地扁钢中无短路电流，短路电流全部通过电缆金属层返回变电所。

（2）短路点发生在第2段电缆时，仿真结果如表5所示。

表5 增加接地扁钢，第2段电缆末端短路时

由表5可得：增加接地扁钢回流后，第2段电缆发生短路故障时，电缆末端金属护套感应电压变化趋势与未考虑接地扁钢时一致，与短路点接地电阻成正比；同时，仿真发现考虑接地扁钢后，电缆末端金属护套感应电压较未考虑接地扁钢时明显大幅降低，其中，第1段电缆末端金属护套感应随着短路点接地电阻而降低约45%～67%；第2段电缆末端金属护套电缆感应电压降低约88%～94%。电缆发生短路时，不同短路接地电阻时都会导致第1段电缆护套保护器动作，第2段电缆护套保护器不动作，这与未考虑接地扁钢回流方案时结果不同。同样，存在会引起非故障的第1段电缆金属护套保护器动作的情况。

（3）短路点发生在第3段电缆时，仿真结果如表6所示。

表6 增加接地扁钢，第3段电缆末端短路时

由表6可知：增加接地扁钢后第3段电缆发生短路故障时，第1段和第2段电缆末端金属护套感应电压变化趋势与未考虑接地扁钢时不同，与短路点接地电阻成正比；主要由于第1段和第2段电缆金属护套感应电压不仅与电缆芯线电流幅值有关，还与流经接地扁钢电流有关，随着短路电阻增大，流入接地扁钢电流相应增加，导致电缆金属护套感应电压升高。当电缆发生短路时，第1段电缆在接地电阻大于4 Ω时护套保护器会动作；第2段电缆在接地电阻大于2 Ω时护套保护器会动作；第3段电缆护套保护器不会动作；这与未考虑接地扁钢回流方案时结果不同。同时经研究发现，短路发生在第4段及以后不同位置，由于短路点随距离增加短路电流进一步降低，导致所有电缆金属护套保护器都不会动作。可见，前3段电缆短路时有可能会引起非故障的第1段和第2段电缆金属护套保护器动作。

2.2.2 增加接地扁铜回流时

（1）短路点发生在第1段电缆时，规律与表2相同，原因同2.2.1节（1）。

（2）短路点发生在第2段电缆时，仿真结果如表7所示。

表7 增加接地扁铜，第2段电缆末端短路时

由表7可得：改为接地扁铜以后，由于接地扁铜单位阻抗很小，短路后几乎全部短路电流直接从接地扁铜流回变电所，因此电缆护套感应电压与短路点接地电阻无关。第2段电缆发生短路故障时，由于接地回流感应抵消效应，电缆末端金属护套感应电压很低。结果显示，第1段和第2段电缆金属护套保护器都不动作。

（3）短路点发生在第3段电缆时，仿真结果见表8。

表8 增加接地扁铜，第3段电缆末端短路时

由表8可得：改为接地扁铜以后，第3段电缆发生短路与第2段电缆短路时规律相同。结果显示，第1段、第2段和第3段电缆护套保护器均不动作。

3 结语

本文通过电磁暂态分析软件对27.5 kV单芯电缆故障时不同接地回流方案下电缆金属护套感应电压进行了仿真分析，得出了仿真结果，并得到相应结论。

通过分析仿真结果及结论，为避免电缆短路故障时金属护套保护器动作，电气化铁路专用馈线的带金属护套的单芯电缆推荐采用接地电阻+接地扁钢或扁铜回流方案。其中，采用接地电阻+接地扁钢回流方案时，根据仿真结果要求接地电阻满足2 Ω及以下时，可保证金属护套保护器不发生动作。