馮 康，王慶峰，李相強，張健穹，陳曉豪

（1.西南交通大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031；2.福建省交通科研院有限公司，福州 350101）

引言

自從2004 年《中長期鐵路網(wǎng)（2003～2020）》實施，我國在鐵路方面取得了長足的進步。國家鐵路局表示，到2020 年末，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到14.6萬公里，其中，復(fù)線里程達(dá)到8.8 萬公里，復(fù)線率60%；電氣化里程10.7萬公里，電氣化率73%。持續(xù)增長的鐵路里程和鐵路電氣化率也導(dǎo)致了鐵路用27.5kV 牽引饋電電纜的使用量大大增加。因此，保障牽引饋電電纜的正常運行對于鐵路系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要意義[1]。

原鐵道部相關(guān)技術(shù)部門統(tǒng)計，大部分牽引電纜故障是由于電纜外護套破損引起的。因此，雷擊感應(yīng)過電壓作為造成電纜絕緣外護套破損的主要原因之一，國內(nèi)外已有很多科研院校對其進行研究。文獻[2]針對電纜金屬護層接地系統(tǒng)提出了計算模型；文獻[3]研究了電纜敷設(shè)于兩層不同土壤介質(zhì)時金屬護層上的雷擊感應(yīng)電流。

1 電纜護層感應(yīng)電壓的產(chǎn)生原理

1.1 牽引饋電電纜基本結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，27.5 kV 單芯電纜是電氣化鐵路的專用電纜，其主要結(jié)構(gòu)包括線芯、導(dǎo)體屏蔽、絕緣層、絕緣屏蔽、金屬護套以及外護套[4,5]。線芯為絞合緊壓的圓形銅導(dǎo)體以減少電能損耗；導(dǎo)體屏蔽為擠包的半導(dǎo)電層；絕緣層為交聯(lián)聚乙烯以保護線芯；絕緣屏蔽與導(dǎo)體屏蔽具有一樣的結(jié)構(gòu)與功能；金屬護層為軟銅線和銅帶以減少電磁干擾及保護作用；外護套為聚乙烯以保護電纜內(nèi)部。

圖1 單芯電纜基本結(jié)構(gòu)

1.2 電纜護層感應(yīng)電壓的理論計算

由上述的電纜具體結(jié)構(gòu)可知，鐵路用27.5 kV電纜為單芯電纜。單芯電力電纜可以類比于一個單相變壓器，變壓器的一次側(cè)為電纜線芯，二次側(cè)為金屬護套。當(dāng)電纜線芯有電流通過時，電纜的金屬護套上就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

我國的鐵路供電系統(tǒng)中最主要的供電方式是AT 供電，這也是本研究主要分析對象的工作環(huán)境。因此以AT 供電方式中的牽引電纜布局為參考對象進行金屬護層感應(yīng)電壓的理論分析。在AT 供電方式中，牽引電纜采用正、負(fù)饋線并行布置的敷設(shè)方式，所以對牽引電纜進行簡化等效后，可以得出圖2所示的模型。

圖2 AT供電方式下的單芯電纜模型

在圖2 中，P 代表牽引電纜的金屬護層，可以把它近似地看成一根和牽引電纜T 和F 平行的導(dǎo)體。導(dǎo)體P 與牽引電纜T、F 之間的中心間距分別為D、αD；電纜T和F之間的中心間距為S。

若導(dǎo)體P為電纜T線的金屬護層，則有αD=S，D=RP＞RT。這里RT為單芯電纜的線芯導(dǎo)體幾何半徑。高速鐵路正常運行時，電纜T、F 的線芯電流幅值基本相等，并且相位相差180°，即IT=-IF=I。因此，電纜單位長度金屬護層的感應(yīng)電壓為：

式中，μ為真空磁導(dǎo)率，f為線芯電流頻率。由公式1可知，電纜金屬護層上的感應(yīng)電壓與線芯電流的頻率和線芯電流的幅值都成正比例關(guān)系。

雷電流波具有幅值大和頻率高的特點。結(jié)合上述理論分析，當(dāng)雷電流入侵牽引饋電電纜線芯時，無論是較大的幅值還是較高的頻率，都會使金屬護層上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓增大。

2 雷擊感應(yīng)電壓的仿真模型

仿真模型分為三個部分，分別為牽引供電系統(tǒng)、牽引電纜以及雷電流模型，如圖3所示。

圖3 牽引供電系統(tǒng)模型

牽引電纜模型由電纜外部模型、電纜內(nèi)部模型構(gòu)成。電纜外部模型使用軟件自帶的線纜模型，并按照AT 供電方式將正、負(fù)饋線并行布置；電纜內(nèi)部模型需要設(shè)置線纜各個部分的尺寸和電氣參數(shù)。

雷電流模型選用雙指數(shù)形式模型，幅值選用最常見的20 kA，波前時間和半峰值時間按照國家標(biāo)準(zhǔn)分別設(shè)置為2.6 μs和50 μs。

3 仿真結(jié)果

雷電流模型選用為雙指數(shù)形式模型時，其函數(shù)形式為：

式中，Im為電流峰值，設(shè)置為20 kA；η為峰值電流的修正因子，設(shè)置為0.926；ɑ為波前衰減系數(shù)，設(shè)置為12 000；β為波尾衰減系數(shù)，設(shè)置為1 860 000。

仿真得出的雷電流最大幅值為20 kA，波前和波 后 時 間 近 似 于2.6 μs 和50 μs，符 合 國 家 相 關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 避雷器接地電阻對雷擊感應(yīng)電壓的影響

實際上，牽引電纜一般是埋地敷設(shè)的，所以很難被雷電直接擊中。雷電流只有通過接觸網(wǎng)的傳導(dǎo)才能侵入牽引電纜的線芯。當(dāng)雷電直擊牽引接觸網(wǎng)時，安裝在接觸網(wǎng)上的避雷器開始動作，一部分雷電流沿著避雷器和避雷器接地電阻流入大地；另一部分沿著接觸網(wǎng)侵入牽引電纜線芯。因此，避雷器的接地電阻對于電纜金屬護層的雷擊感應(yīng)電壓是有影響的。

由仿真結(jié)果可知，電纜金屬護層的雷擊感應(yīng)電壓與避雷器接地電阻正相關(guān)。當(dāng)避雷器接地電阻值為6 Ω 時，對應(yīng)的金屬護層雷擊感應(yīng)電壓為41.9 kV，這已經(jīng)超過了牽引電纜外護套的沖擊耐受電壓，有可能導(dǎo)致外護層擊穿。

3.2 牽引電纜接地方式對雷擊感應(yīng)電壓的影響

牽引電纜最主要的接地方式為一端直接接地，另一端通過護層保護器的方式接地。護層保護器安裝在哪一側(cè)，也會影響到電纜金屬護層的雷擊感應(yīng)電壓。

4 結(jié)論

（1）避雷器接地電阻對電纜金屬護層的雷擊感應(yīng)電壓影響比較明顯。當(dāng)接地電阻為6 Ω，雷擊感應(yīng)電壓就超過了電纜的護層套防護水平。因此，避雷器接地電阻設(shè)置為5 Ω以下最佳。

（2）牽引電纜的護層保護器安裝在牽引接觸網(wǎng)那一側(cè)比安裝在牽引供電所那一側(cè)更好，有利于延長牽引電纜的使用壽命。