周思宇，冷 怡

(1.四川電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072;2.四川省電力公司遠(yuǎn)維檢修部，四川 成都 610041)

0 引言

由于空間走廊和建設(shè)成本的限制，新建高速客貨共線鐵路建設(shè)中將10 kV供電電纜、通信電纜、信號(hào)電纜同溝敷設(shè)。這些電纜之間相鄰距離近、平行距離遠(yuǎn)，處于同一電磁環(huán)境中的電氣線纜通過(guò)各種電磁耦合方式彼此緊密聯(lián)系在一起。將通過(guò)理論分析、計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算等方法分析高速鐵路電力電纜不對(duì)稱接地故障對(duì)通信電纜、信號(hào)電纜等二次電纜的影響。

1 三相電力電纜系統(tǒng)不對(duì)稱接地故障分析

考慮電力電纜對(duì)通信信號(hào)電纜可能產(chǎn)生的電磁感應(yīng)影響，10 kV三相電力電纜系統(tǒng)不對(duì)稱運(yùn)行方式主要有3種形式:三相電力電纜有相線斷線、三相電力電纜發(fā)生單相對(duì)屏蔽層的短路、三相電力電纜發(fā)生兩相對(duì)屏蔽層的短路。下面就這3種情況分別加以分析。

1.1 三相電力電纜的相線斷線引起的不對(duì)稱運(yùn)行分析

當(dāng)三相電力電纜的相線發(fā)生一相斷線時(shí)，系統(tǒng)若是不接地系統(tǒng)，則在非故障相流過(guò)的電流相同，但方向相反，兩者對(duì)外界產(chǎn)生交變磁場(chǎng)相互抵消，故不會(huì)在信號(hào)電纜芯線上產(chǎn)生較大的縱向感應(yīng)電勢(shì);系統(tǒng)若是直接接地系統(tǒng)，則在非故障相流過(guò)的電流相位相差120°，兩者疊加恰好是一相的電流，即這時(shí)產(chǎn)生了幅值為正常相電流的零序電流，該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)在信號(hào)電纜芯線上產(chǎn)生縱向感應(yīng)電勢(shì)。

當(dāng)三相電力電纜的相線發(fā)生兩相斷線時(shí)，若是不接地系統(tǒng)，非故障相的電流無(wú)法流通亦應(yīng)為零;系統(tǒng)若是直接接地系統(tǒng)，則在非故障相流過(guò)的電流應(yīng)為相電流，即這時(shí)產(chǎn)生的零序電流為相電流，該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)在信號(hào)電纜芯線上產(chǎn)生縱向感應(yīng)電勢(shì)。

當(dāng)三相電力電纜的相線發(fā)生三相斷線時(shí)，電力電纜中將無(wú)電流輸出，亦不會(huì)產(chǎn)生能交鏈信號(hào)電纜的磁場(chǎng)，故不會(huì)對(duì)信號(hào)電纜產(chǎn)生影響。

圖1 分析電力電纜單相接地故障電流分布示意圖

圖2 分析電力電纜兩相接地故障電流分布示意圖

綜上所述，當(dāng)三相電力電纜系統(tǒng)發(fā)生斷相故障時(shí)，對(duì)于中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)可能產(chǎn)生的最大零序電流為系統(tǒng)運(yùn)行的相電流，而系統(tǒng)的相電流一般不超過(guò)80 A;而對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)信號(hào)電纜有影響的縱向感應(yīng)電勢(shì)。

1.2 三相電力電纜發(fā)生單相對(duì)屏蔽層的短路故障分析

在電力系統(tǒng)中，單相對(duì)地短路是最常見的故障形式。對(duì)于電力電纜發(fā)生單相短路，是指電纜相導(dǎo)線對(duì)屏蔽層的短路，當(dāng)系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地時(shí)，流過(guò)故障點(diǎn)的電流是非故障相的分布對(duì)地電容電流的矢量和，而能引起同溝信號(hào)電纜縱向電勢(shì)的短路電流，是指流經(jīng)電力電纜屏蔽層的短路電流。

當(dāng)電力電纜發(fā)生單相對(duì)屏蔽層的短路故障時(shí)，流經(jīng)外皮的電流可用圖1加以說(shuō)明。圖1中設(shè)鐵路三相電力電纜由n段構(gòu)成，其中n段電纜的三相導(dǎo)線串聯(lián)聯(lián)接，而每段電力電纜的屏蔽層為一段經(jīng)接地裝置接地，另一端經(jīng)保護(hù)器接地(相當(dāng)于開路)，每段電力電纜長(zhǎng)度約為1 km。

假設(shè)第i段內(nèi)發(fā)生單相對(duì)屏蔽層的短路故障，則非故障段的對(duì)地電容電流經(jīng)接地體流向故障段的故障點(diǎn)，再返回電源，電纜屏蔽層的電容電流流向如圖1所示。該零序電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，會(huì)交鏈相鄰的信號(hào)電纜，在信號(hào)電纜芯線上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E1。

若故障點(diǎn)發(fā)生在i段首端(圖1中靠近接地裝置處)，則n段電纜外皮流過(guò)相同的電流，且電流流向相同，在相鄰電纜上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)相疊加為n E1;

若故障點(diǎn)發(fā)生在i段末端，則在故障相外皮上流過(guò)的電流為非故障段的對(duì)地電容電流之和，且方向相反，相應(yīng)綜合在信號(hào)電纜上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)就很小。

1.3 三相電力電纜發(fā)生兩相對(duì)屏蔽層的短路故障分析

同樣假設(shè)三相電力電纜由n段構(gòu)成，假設(shè)在第i段內(nèi)L2相發(fā)生對(duì)電纜屏蔽層的短路，而在第k段內(nèi)發(fā)生L1相對(duì)屏蔽層短路，如圖2所示。

由電流分布可知，在i段的左側(cè)靠近電源的所有電纜段內(nèi)，流過(guò)故障相(兩相)的短路電流大小相等，方向相反，不會(huì)在相鄰信號(hào)電纜產(chǎn)生縱向感應(yīng)電勢(shì);在k段的右側(cè)靠近負(fù)載的所有電纜段內(nèi)，無(wú)故障電流，亦不會(huì)在相鄰信號(hào)電纜中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì);在第i段與k段間的所有電纜段的一相導(dǎo)線(圖中L1相)中有故障電流流過(guò)，該電流會(huì)在相鄰信號(hào)電纜中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì);而在第k段內(nèi)，若故障點(diǎn)在其端部，則在該段內(nèi)相導(dǎo)線與屏蔽層流過(guò)的短路電流相等，流向相反，不會(huì)產(chǎn)生磁感應(yīng)電勢(shì);在第i段內(nèi)，不論故障點(diǎn)在什么位置，都有相間短路電流可以產(chǎn)生磁感應(yīng)電勢(shì)。

在相鄰信號(hào)電纜中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)最嚴(yán)重的情況是，在第1段電纜的首端發(fā)生一相(例L2相)對(duì)屏蔽層短路，而在第n段電纜內(nèi)發(fā)生另一相(例L1相)對(duì)屏蔽層短路。若1段(一般1 km)兩相短路電流在相鄰信號(hào)電纜產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為E2，則n段電纜發(fā)生兩相短路故障時(shí)，在相鄰信號(hào)電纜芯線上產(chǎn)生的最大感應(yīng)電勢(shì)為(n-1)E2。

2 感應(yīng)電壓的仿真計(jì)算

針對(duì)以上的理論分析，利用國(guó)際通用的電磁暫態(tài)仿真計(jì)算程序ATP-EMTP的圖形輸入程序ATP-Draw對(duì)電力電纜發(fā)生不對(duì)稱接地故障時(shí)，在通信信號(hào)電纜芯線產(chǎn)生的感應(yīng)電壓進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真計(jì)算主要考慮了信號(hào)電纜屏蔽層多點(diǎn)接地(最理想屏蔽狀況)、信號(hào)電纜屏蔽層兩端經(jīng)接地裝置接地兩種情況。

2.1 二次電纜屏蔽層理想接地

二次信號(hào)電纜屏蔽層理想接地時(shí)，電纜芯線縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的仿真計(jì)算模型如圖3所示。

圖3中電源為電力電纜故障狀態(tài)下，流過(guò)其外皮的短路電流值;LCC為電力電纜外皮與帶屏蔽層的二次電纜并列運(yùn)行模型，其中二次電纜屏蔽層理想接地，測(cè)量信號(hào)電纜芯線上的縱感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值。

圖3 二次電纜芯線縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算模型(屏蔽層理想接地)

當(dāng)電力電纜外皮流過(guò)短路電流時(shí)，在并列運(yùn)行二次電纜芯線上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓仿真計(jì)算結(jié)果見表1。

表1電纜外皮流過(guò)短路電流時(shí)，二次電纜芯線上的縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

表1

由表1中數(shù)據(jù)可畫出，流過(guò)電力電纜外皮的短路電流值與二次電纜芯線上的縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 二次電纜芯線縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與流過(guò)電力電纜屏蔽層短路電流的關(guān)系

由圖4可見，二次電纜芯線上的縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨電力電纜外皮的短路電流值增大而增大，兩者間滿足線性關(guān)系。

2.2 二次電纜屏蔽層經(jīng)接地裝置接地

二次電纜屏蔽層兩端經(jīng)接地裝置接地，二次電纜芯線感應(yīng)電壓的仿真計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 二次電纜芯線縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算模型

圖5中電源為電力電纜故障狀態(tài)下，流過(guò)外皮的短路電流值;LCC為電力電纜外皮與帶屏蔽層的二次電纜并列運(yùn)行模型;二次電纜屏蔽層兩端分別經(jīng)電阻接地，目的是為了引入接地電阻對(duì)感應(yīng)電壓的影響，并通過(guò)改變接地方式、接地電阻值得出二次電纜芯線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與接地電阻的關(guān)系。

2.2.1 二次電纜屏蔽層一端接地時(shí)，電纜芯線感應(yīng)電壓的計(jì)算

當(dāng)二次電纜屏蔽層一端直接接地時(shí)，電纜芯線上的縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電纜間距的關(guān)系數(shù)據(jù)見表2。

表2 二次電纜芯線縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電纜間距d的關(guān)系

圖6 二次電纜芯線縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電纜間距的關(guān)系

由表2中數(shù)據(jù)可知，二次電纜屏蔽層一端接地時(shí)，電纜芯線上的感應(yīng)電壓值相比于理想接地的情況已急劇增大。由理論分析可知，二次電纜屏蔽層一端接地只能消除靜電感應(yīng)分量，而不能起到電磁電纜屏蔽的作用。仿真計(jì)算還進(jìn)一步表明，這時(shí)二次電纜芯線感應(yīng)電壓與屏蔽層的接地電阻無(wú)關(guān)，而與電力電纜外皮流過(guò)的短路電流值成正比關(guān)系。二次電纜芯線感應(yīng)電壓與電纜間距的關(guān)系如圖6所示。與前面結(jié)果相同，二次電纜芯線上的感應(yīng)電壓值隨電纜間距增大而逐漸減小，這與理想屏蔽時(shí)的變化趨勢(shì)相同。

信號(hào)電纜屏蔽層一端接地時(shí)，二次電纜芯線感應(yīng)電壓值與接地電阻的關(guān)系數(shù)據(jù)見表3。由表3可以看出，二次電纜屏蔽層一端接地時(shí)，二次電纜芯線縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與接地電阻大小無(wú)關(guān)。

2.2.2 二次電纜屏蔽層兩端接地時(shí)，電纜芯線感應(yīng)電壓的計(jì)算

當(dāng)二次電纜屏蔽層兩端直接接地時(shí)，信號(hào)電纜芯線上的縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電纜間距關(guān)系的仿真計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 二次電纜芯線縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與接地電阻大小的關(guān)系

表4 二次電纜芯線縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電纜間距d的關(guān)系

由表中數(shù)據(jù)可知，二次電纜屏蔽層兩端理想直接接地時(shí)，比二次電纜屏蔽層理想接地(屏蔽層各點(diǎn)均理想接地)情況下的表2數(shù)據(jù)稍大一些，相應(yīng)的結(jié)論同前。表4數(shù)據(jù)亦表明，二次電纜芯線縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨著電纜間距增大而減小。當(dāng)二次電纜屏蔽層兩端經(jīng)接地裝置接地時(shí)，電纜芯線上的縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與接地電阻值關(guān)系的仿真計(jì)算結(jié)果見表5。由表5數(shù)據(jù)可得，二次電纜芯線縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與接地電阻的關(guān)系曲線見圖7。

表5 二次電纜芯線縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與接地電阻大小的關(guān)系

從表5中的數(shù)據(jù)和圖7可以看出，當(dāng)二次電纜屏蔽層兩端經(jīng)電阻接地后，電纜芯線感應(yīng)電壓值隨著接地電阻值的增大而增大，并且在接地電阻阻值較小時(shí)感應(yīng)電壓上升幅度較大。

圖7 二次電纜芯線縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與接地電阻大小的關(guān)系

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)理論分析和仿真計(jì)算，主要得出以下幾個(gè)結(jié)論。

(1)同溝鋪設(shè)的電力電纜與二次電纜，在一定間距范圍內(nèi)，當(dāng)三相電力電纜發(fā)生單相接地、兩相接地故障時(shí)，會(huì)在二次電纜芯線上產(chǎn)生縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

(2)二次電纜芯線上的縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與影響電流滿足線性關(guān)系。

(3)當(dāng)二次電纜屏蔽層一端接地時(shí)，其芯線上的縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與接地電阻大小無(wú)關(guān);當(dāng)二次電纜屏蔽層兩端接地時(shí)，其芯線上的縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與接地電阻大小有關(guān)。

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