何常紅 韓凌青 方 怡 王生龍 郭琦沛 李少鵬

(1.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司 天津 300308；2.中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司電氣化設(shè)計院分公司 天津 300250；3.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司 北京 100070)

1 引言

截止到2022 年底，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到15.5萬公里，其中高速鐵路達(dá)到4.2 萬公里。隨著我國高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，對電氣化鐵路專用27.5 kV電纜的需求越來越大。我國建成投運(yùn)的多條高速城際客運(yùn)專線均采用了大量的電氣化鐵路專用27.5 kV 電纜，傳統(tǒng)架空饋線將逐步被單相饋線電纜所取代。然而，27.5 kV 電纜的大量應(yīng)用帶來了較多事故，如外護(hù)套及金屬屏蔽層被燒毀，進(jìn)而造成電纜被燒毀，影響行車，帶來較大的財產(chǎn)損失[1-3]。通過對鐵路集團(tuán)公司供電部門提供的材料進(jìn)行總結(jié)分析，統(tǒng)計27.5 kV 電纜線路(含電纜與附件)發(fā)生故障的原因，各原因比例大致如下：電纜與電纜接頭本身制造質(zhì)量原因占5%；外力損傷電纜與電纜接頭占5%；電纜進(jìn)水受潮導(dǎo)致電纜接頭發(fā)生故障占10%；電纜接頭施工質(zhì)量導(dǎo)致故障占35%；電纜線路因接地方面原因占45%。其中，電纜線路因接地方式不合理、虛接地或接地電阻偏大等造成電纜金屬護(hù)層感應(yīng)電壓過高而導(dǎo)致的線路故障，占到此類故障原因的60%。深入剖析，其中電纜金屬護(hù)層接地線絕緣層擊穿引起燃燒，導(dǎo)致電纜故障占此類故障的90%，即約占總故障的24%。27.5 kV 電纜護(hù)層保護(hù)器典型事故如圖1 所示。

圖1 27.5 kV 電纜護(hù)層保護(hù)器典型事故

在GB/T 28427—2012[4]中，未對27.5 kV 電纜護(hù)層保護(hù)器做出明確的產(chǎn)品性能要求。對鐵路牽引負(fù)荷和電力負(fù)荷有較大區(qū)別，27.5 kV 電纜作為我國電氣化鐵路的專用電纜，具有很強(qiáng)的獨特性。目前電氣化行業(yè)亟需對27.5 kV 電纜用護(hù)層保護(hù)器的參數(shù)做深入研究。

電纜護(hù)層保護(hù)器的保護(hù)特性和運(yùn)營穩(wěn)定性是相互制約的，應(yīng)該結(jié)合系統(tǒng)實際情況、電纜的線路長度、電纜非金屬外護(hù)套實際絕緣水平、護(hù)層保護(hù)器使用環(huán)境條件等，合理選擇護(hù)層保護(hù)器的特性參數(shù)，正確配置護(hù)層保護(hù)器，保證其額定電壓、動作電壓及殘壓等相協(xié)調(diào)，以可靠保護(hù)電纜，提高護(hù)層保護(hù)器的工作壽命。

文獻(xiàn)[4-9]分別提出了電纜護(hù)層保護(hù)器感應(yīng)電壓及一些參數(shù)的計算；文獻(xiàn)[10-12]提供了電阻閥片參數(shù)的一些計算方法；文獻(xiàn)[13]從一起電纜故障分析超高壓電纜金屬護(hù)套的接地方式；文獻(xiàn)[14]給出了單芯電纜外護(hù)套過電壓保護(hù)方案。

2 護(hù)層保護(hù)器概述

2.1 工作原理

單芯電力電纜的金屬層為金屬屏蔽層和金屬鎧裝層的總稱，對于既有金屬屏蔽層又有金屬鎧裝層的單芯電纜，金屬層的接地是指二者都需要連通接地。電氣化鐵路單相27.5 kV 電力電纜為單芯電纜，單芯電纜的導(dǎo)體與金屬層的關(guān)系，可以看成一個變壓器的初級繞組與次級繞組，當(dāng)電纜的導(dǎo)體通過交流電流時，其周圍產(chǎn)生的一部分磁力線與金屬層交鏈，在金屬層上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓的高低不僅與電纜中流過導(dǎo)體的電流或短路電流有關(guān)，而且與電纜的敷設(shè)排列方式和線路長度有關(guān)。護(hù)層保護(hù)器高壓端接電纜的屏蔽層或鎧裝層，接地端通過接地母排接地，如圖2 所示。

圖2 27.5 kV 電纜護(hù)層保護(hù)器接線示意

當(dāng)電纜很長時，金屬鎧裝層上的感應(yīng)電壓達(dá)到危及人身安全的程度；在線路發(fā)生短路故障時，金屬鎧裝層上的感應(yīng)電壓會達(dá)到很大的數(shù)值；當(dāng)線路遭受操作過電壓或雷擊過電壓時，金屬鎧裝層上還會形成很高的感應(yīng)電壓，可能導(dǎo)致電纜外護(hù)套絕緣被擊穿，形成鎧裝層的額外接地點。

如果金屬層兩點直接接地，便形成閉合通路，金屬層中將產(chǎn)生環(huán)形電流。電纜運(yùn)行時，金屬鎧裝層上的環(huán)形電流可能達(dá)到導(dǎo)體負(fù)荷的1/3[15]，金屬層如此大的環(huán)流損耗會使電纜發(fā)熱，嚴(yán)重影響電纜的輸送容量，并加速電纜絕緣老化，影響電纜的有效使用壽命。因此，單芯電纜不應(yīng)兩端或多點直接接地，除非在電纜很短和輕載運(yùn)行時的個別情況下，方可將金屬層在電纜的兩端直接接地。

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)為工頻單相系統(tǒng)，牽引負(fù)荷為沖擊性負(fù)荷且波動大，當(dāng)車輛駛?cè)肽骋还╇姳蹆?nèi)時，負(fù)荷電流迅速增大；駛出時負(fù)荷電流迅速下降。若某一供電臂內(nèi)車輛密集，還會出現(xiàn)短時間或周期性的過負(fù)荷。

27.5 kV 電纜線路正常工作時，電纜護(hù)層保護(hù)器呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，截斷電纜金屬層中的工頻感應(yīng)電流和大地形成的回路，限制環(huán)形感應(yīng)電流；一旦電纜線路出現(xiàn)短路故障、有雷電過電壓侵入或是系統(tǒng)出現(xiàn)內(nèi)部過電壓，導(dǎo)致電纜金屬層中出現(xiàn)很高的工頻過電壓或沖擊過電壓時，電纜護(hù)層保護(hù)器呈現(xiàn)低阻態(tài)，迅速將故障電流泄入大地，將暫態(tài)過電壓箝制在護(hù)層保護(hù)器的自身殘壓范圍內(nèi)，保護(hù)電纜外護(hù)套絕緣而不致?lián)舸?/p>

電氣化鐵路中的27.5 kV 電纜一般采用電纜金屬層一端直接接地、另一端經(jīng)護(hù)層保護(hù)器接地的接地方式，其等效電路如圖3 所示。圖3 中，U0為雷電波、操作過電壓或感應(yīng)電壓幅值，kV；Z0為接觸網(wǎng)波阻抗，Ω；Z1為電纜導(dǎo)體到電纜金屬層波阻抗，Ω；Z2為電纜金屬層對大地波阻抗，Ω；Zh為護(hù)層保護(hù)器對大地波阻抗，Ω。

圖3 27.5 kV 電纜護(hù)層保護(hù)器等效電路圖

2.2 護(hù)層保護(hù)器現(xiàn)狀

27.5 kV 電纜與電網(wǎng)三相電力系統(tǒng)單芯電纜兩者運(yùn)行條件有較大的區(qū)別。27.5 kV 電纜饋電系統(tǒng)是單相回路，電網(wǎng)是三相路，兩者電流回路不同、電纜接地方式不同。27.5 kV 電纜系統(tǒng)是以接觸網(wǎng)的鋼軌、回流線、大地為電流回流通路的單相回路，各路徑電流大小、大地電阻率、接地電阻等都影響電纜金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓大小。

電網(wǎng)三相電力系統(tǒng)單芯電纜大部分是64/110 kV 以上高壓電纜，三相電纜接地采用星形連接方式(正常情況下，連接點電容電流矢量和為零)，并對接地電纜提出了明確的技術(shù)要求，都是10 kV的專用接地電纜，用接地箱、接地保護(hù)箱等專用設(shè)備進(jìn)行接地，幾乎不受環(huán)境影響。而目前27.5 kV電纜只能直接接地或通過簡單的護(hù)層保護(hù)器接地，并沒有對接地線提出技術(shù)要求。27.5 kV 電纜接地方式的局限性給電纜線路帶來較多的故障可能。

電網(wǎng)高壓單相電纜安裝后，電纜外護(hù)套要求進(jìn)行直流耐壓10 kV 試驗，而27.5 kV 電纜絕緣護(hù)層在敷設(shè)后僅用500 V 擺表測量其電阻值，或進(jìn)行目前沒有實際意義的直流10 kV 耐壓試驗。

27.5 kV 電纜護(hù)層電壓限制器參數(shù)選擇規(guī)范制定時沒有慮及上述不同，直接套用電網(wǎng)有關(guān)規(guī)范，給護(hù)層保護(hù)器參數(shù)的選擇帶來不確定性，未對護(hù)層保護(hù)器有“工頻啟始動作電壓”指標(biāo)要求。27.5 kV電纜金屬護(hù)層接地，在用戶沒有特定要求下，目前都采用0.6/1 kV 電壓等級“絕緣套管”絕緣，或軟導(dǎo)體橡膠類絕緣導(dǎo)線。接地線選用0.6/1 kV 電壓等級，其絕緣性能低于電纜的護(hù)套絕緣性能。

因為對電纜金屬護(hù)層產(chǎn)生的沖擊電壓大小、系統(tǒng)短路時的最大工頻感應(yīng)電壓值難以精確計算，若沖擊殘壓值、工頻1 mA 參考值選擇較低時，雖然對電纜絕緣護(hù)層有很好的保護(hù)作用，但一定周期內(nèi)可能啟動較多次數(shù)，會降低護(hù)層保護(hù)器的使用壽命，導(dǎo)致設(shè)計單位一般都選擇較大的數(shù)值。一些項目中，設(shè)計院和招標(biāo)單位未詳細(xì)規(guī)定接地線的導(dǎo)體截面和耐壓等級，造成施工單位采用的接地線導(dǎo)體截面過小或者耐壓等級不夠。一旦電纜線路運(yùn)行條件出現(xiàn)異常，就容易導(dǎo)致電纜接地線絕緣擊穿引起電纜線路故障。

2.3 27.5 kV 電纜的金屬層的接地方式

按照《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》TB 10621—2014[16]中第11.3.20 條的規(guī)定，27.5 kV 電纜的金屬屏蔽層與金屬鎧裝層應(yīng)分開接地，接地方式應(yīng)符合下列規(guī)定。

(1) 線路不長時宜采用單點直接接地方式；線路長時宜劃分適當(dāng)?shù)膮^(qū)段，且在每個區(qū)段應(yīng)實施電纜金屬層的絕緣分隔。

(2) 每個分段應(yīng)采用單點直接接地方式時，另一端設(shè)置護(hù)層保護(hù)器。

電纜護(hù)層保護(hù)器接在電纜金屬屏蔽層和金屬鎧裝層接地引出線與地之間，主要安裝地點為牽引變壓器或自耦變壓器27.5 kV 側(cè)、27.5 kVGIS 開關(guān)柜內(nèi)、牽引所電纜夾層內(nèi)、鐵路線路側(cè)電纜上網(wǎng)側(cè)和大長度電纜線路中電纜護(hù)層保護(hù)分段點處(直通接頭、絕緣接頭處)等。電纜護(hù)層保護(hù)器在正常情況下呈現(xiàn)高阻態(tài)；一旦電纜金屬層中出現(xiàn)很高的工頻過電壓或沖擊過電壓時呈現(xiàn)低阻態(tài)，迅速將故障電流泄入大地，將暫態(tài)過電壓箝制在自身殘壓范圍內(nèi)，保護(hù)電纜外護(hù)套絕緣而不致?lián)舸?/p>

3 護(hù)層保護(hù)器參數(shù)確定

3.1 護(hù)層保護(hù)器接地線的要求

3.1.1 一般要求

護(hù)層保護(hù)器各接地點之間的等電位連接線必須具有足夠的截面積，以滿足電纜金屬層中在通過環(huán)流和短路電流時的熱穩(wěn)定性要求。

3.1.2 接地線的選擇

(1) 絕緣要求。接地線在正常的運(yùn)行條件下，應(yīng)保持和電纜外護(hù)套同樣的絕緣水平，即具有耐受10 kV 直流電壓1 min 不擊穿的絕緣特性。

(2) 接地線截面選擇?？紤]到電氣化鐵路上網(wǎng)供變電系統(tǒng)是采用直接接地系統(tǒng)，短路電流比較大，接地線應(yīng)選用較大的截面積，滿足電纜在短路時的熱穩(wěn)定性要求。

3.1.3 接地電阻要求

護(hù)層保護(hù)器接地電阻應(yīng)符合《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》GB/T 50065—2011[17]中式(4.2.1-1)的要求

式中，R為考慮到季節(jié)變化的接地裝置的最大接地電阻，Ω；IG為計算用經(jīng)接地裝置的入地短路電流，考慮電纜在擊穿短路時，流經(jīng)電纜金屬層的最大短路電流，A。

27.5 kV 電纜終端、護(hù)層絕緣保護(hù)分段點和護(hù)層保護(hù)器的接地，接地電阻均應(yīng)不大于1 Ω。接地極與牽引變、配電所接地系統(tǒng)的接地極和電氣化鐵路綜合接地系統(tǒng)的接地極，實際上兩者之間是通過貫通地線連接的。《鐵路防雷及接地工程技術(shù)規(guī)范》TB 10180—2016[18]中第4.1.6 條規(guī)定，電氣化鐵路綜合接地系統(tǒng)的接地電阻要求為1 Ω。在不具備與兩系統(tǒng)接地極近距離連接的位置，應(yīng)采取獨立的接地極或沿電纜線路增設(shè)回流線，并與鐵路綜合接地系統(tǒng)相連接。

3.1.4 引出導(dǎo)線截面

金屬層引出線與接地極之間直接接地的連接，金屬層接引出線與護(hù)層保護(hù)器之間、以及護(hù)層保護(hù)器與接地極之間的連接應(yīng)該十分可靠，連接點應(yīng)接觸良好。引出導(dǎo)線應(yīng)有足夠的截面積和力學(xué)強(qiáng)度。

護(hù)層保護(hù)器與金屬層引出線之間的連接應(yīng)盡量短，而且引出線對地必須是絕緣的，絕緣性不得低于電纜外護(hù)套對地的絕緣水平。連接導(dǎo)線的截面應(yīng)滿足系統(tǒng)最大暫態(tài)電流通過時的熱穩(wěn)定性要求。電纜金屬層的接地引出線、連接線和接地極母線的允許最小截面要求如下所示。

(1) 參照《額定電壓35 kV(Um=40.5 kV)及以下冷縮式電纜附件安裝規(guī)程》DL/T 5756—2017[19]和《額定電壓35 kV(Um=40.5 kV)及以下預(yù)制式電纜附件安裝規(guī)程》DL/T 5758—2017[20]的要求，對于銅線屏蔽的電纜，應(yīng)該用原電纜屏蔽銅線全部絞合后引出作為金屬屏蔽層的接地線。27.5 kV 電纜金屬屏蔽層采取的是軟銅絲疏繞銅帶捆扎，其不同標(biāo)稱導(dǎo)體截面的電纜的軟銅絲標(biāo)稱截面，如表1 所示。

表1 27.5 kV 電纜引出屏蔽軟銅絲標(biāo)稱截面

(2) 電纜金屬鎧裝層引出導(dǎo)線，因為電纜外護(hù)套相對易受到意外損傷，造成多點接地而形成環(huán)流，所以金屬鎧裝層引出導(dǎo)線的截面應(yīng)不小于金屬屏蔽層的截面才安全可靠，根據(jù)工程經(jīng)驗，推薦以下允許最小參考截面，如表2 所示。

表2 27.5 kV 電纜引出屏蔽軟銅絲標(biāo)稱截面

(3) 鍍鋅扁鋼接地(極)母線最小截面計算見式(2)

式中，A為扁鋼接地母線允許最小截面，mm2；Ikmax為電纜或供電系統(tǒng)對地短路電流最大值，A；t為短路電流切斷時間，s。

扁鋼接地母線允許最小截面值(t=5 s)如表3所示。接地極和接地極引伸連接導(dǎo)線除考慮設(shè)計使用年限內(nèi)的腐蝕外，還應(yīng)堅固、可靠且符合熱穩(wěn)定性要求。接地極引伸連接導(dǎo)線其截面積的計算如式(3)所示

表3 27.5 kV 電纜接地扁鋼最小截面

式中，A為導(dǎo)體、導(dǎo)線允許最小截面積，mm2；Ikmax為電纜或供電系統(tǒng)對地短路電流最大值，kA；tc為短路電流持續(xù)時間，s；Kf為不同材料的常數(shù)，如表4 所示。

表4 27.5 kV 電纜常用接地極材料Kf 數(shù)值

根據(jù)工程經(jīng)驗，接地極的引伸連接導(dǎo)線采用30%IACS 或40%IACS 多股銅包鋼絞合導(dǎo)線，既具有銅的高導(dǎo)電性能，又具有鋼的高力學(xué)強(qiáng)度。引伸連接銅包鋼絞線截面積可按式(3)計算，采用銅包鋼絞線30%IACS 最小截面積不得低于185 mm2或40%IACS 最小截面積不得低于120 mm2。按照《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》TB 10009—2016[21]要求，接地純銅絞線的單絲直徑不小于1.7 mm，最小截面積規(guī)格不得小于50 mm2。

3.2 額定電壓(Ur)和起始動作電壓(U1mA)

27.5 kV 側(cè)牽引供電系統(tǒng)在電纜至接地側(cè)發(fā)生短路時，金屬層不接地端會產(chǎn)生較高的工頻感應(yīng)過電壓。兼顧護(hù)層保護(hù)器的工頻過電壓耐受能力和起始動作電壓，同時還應(yīng)考慮工頻感應(yīng)過電壓與電纜外護(hù)套的絕緣耐受電壓水平的保護(hù)關(guān)系。當(dāng)電纜金屬層上感應(yīng)工頻過電壓幅值可能超過電纜外護(hù)套的絕緣水平時，電纜護(hù)層保護(hù)器應(yīng)可靠動作。結(jié)合電纜外護(hù)套的絕緣水平會隨時間推移而下降的實際情況，選取電纜護(hù)層保護(hù)器的起始動作應(yīng)低于電纜外護(hù)套的工頻耐受電壓。

系統(tǒng)短路時，工頻短路電流對在電纜金屬層上任一點非直接接地處的感應(yīng)電壓值，可按式(4)計算

式中，Us為電纜金屬層在非直接接地端任一點處感應(yīng)產(chǎn)生的工頻感應(yīng)電壓，kV；Ik為系統(tǒng)短路流過電纜導(dǎo)體的短路電流，kA；X0為電纜的導(dǎo)體和電纜的金屬層的互感電抗(X0=2πf×L0)，Ω/m；L為電纜金屬層的電氣通路上任一部位與其直接接地處的距離(最大距離為電纜線路的分段長度)，m；k為系統(tǒng)短路時，接觸網(wǎng)回路線的工頻分流系數(shù)。

電纜的導(dǎo)體和金屬屏蔽層之間產(chǎn)生的電感，即零序電感L0按式(5)計算

式中，GMR 為電纜導(dǎo)體的幾何均距(mm)，GMR=0.778 8rc；rc為導(dǎo)體半徑(不包括半導(dǎo)電層厚)，mm；GMDS 為電纜金屬屏蔽層的幾何均距，mm。

對于27.5 kV 電纜銅絲屏蔽層的GMDS 按式(6)計算

式中，n為銅絲根數(shù)；r為金屬屏蔽半徑，mm。

根據(jù)電纜工廠提供的資料，27.5 kV 電纜各規(guī)格的n、n(1/n-1)、rc及r的參考數(shù)值如表5 所示。

表5 27.5 kV 電纜個別參數(shù)

電纜的導(dǎo)體和電纜的金屬屏蔽層的工頻感抗按式(7)計算

式中，ω為角頻率；ω=2πf；f為工頻，取值50 Hz；rp為電纜金屬屏蔽層的平均半徑，mm；rc為電纜導(dǎo)體半徑(不包括導(dǎo)體半導(dǎo)電層厚度)，mm；

27.5 kV 電纜導(dǎo)體與金屬屏蔽間的參考電感量及工頻零序電抗如表6 所示。

表6 27.5 kV 電纜電感及電抗

當(dāng)電纜出現(xiàn)短路故障時，導(dǎo)體與金屬屏蔽層之間形成通路，其短路回路的阻抗，即通過接地屏蔽的短路電流時的阻抗，按式(8)計算

式中，Rc為電纜導(dǎo)體的交流電阻，Ω/m；Rp為金屬屏蔽層的交流電阻，Ω/m；X0為電纜金屬屏蔽的零序阻抗(X0=2πf×L0)，Ω/m。

護(hù)層保護(hù)器的起始動作電壓U1mA按式(9)計算，額定電壓Ur按式(10)計算。

3.3 持續(xù)運(yùn)行電壓(Uc)

電纜護(hù)層保護(hù)器安裝在27.5 kV 電纜線路的一端和接地之間，電纜另一端直接接地。參考前述牽引變電系統(tǒng)的運(yùn)行特點，持久施加在電纜護(hù)層保護(hù)器端子間的電壓除了接地網(wǎng)的地電位差外，還要疊加金屬層的感應(yīng)電壓，因此，護(hù)層保護(hù)器持續(xù)運(yùn)行電壓Uc按照式(11)計算

式中，Ij為計算用流經(jīng)接地裝置的入地短路電流，kA；Rj為接地裝置的工頻最大接地電阻，Ω；Ic為正常滿負(fù)荷情況下電纜導(dǎo)體中流過的電流，kA；Zψ為電纜的導(dǎo)體和電纜的金屬層的互感感抗，Ω/m；L為電纜護(hù)層保護(hù)器與其金屬層直接接地處的電纜長度，m。

根據(jù)《交流金屬氧化物避雷器選擇和使用導(dǎo)則》GB/T 28547—2012[22]的第3.3.5.2 條，電纜護(hù)層保護(hù)器的持續(xù)運(yùn)行電壓也可以近似地按式(12)計算

式中，Uc為護(hù)層保護(hù)器的持續(xù)運(yùn)行電壓，kV；Ik為電纜的最大短路電流，kA；Lk為沒有接地的電纜護(hù)套長度，km；Ui為電纜護(hù)套單位長度的感應(yīng)電壓，kV/(kA·km)；T為電纜護(hù)層保護(hù)器暫時過電壓能力，金屬氧化物避雷器工頻電壓耐受時間特性曲線相對應(yīng)的過電壓倍數(shù)。

3.4 標(biāo)稱放電電流(In)和標(biāo)稱放電電流下的殘壓(Ures)

根據(jù)《交流金屬氧化物避雷器選擇和使用導(dǎo)則》GB/T 28547—2012[22]的規(guī)定，標(biāo)稱放電電流應(yīng)該和電纜末端相對地避雷器的標(biāo)稱放電電流值相等，標(biāo)稱放電電流可以選用與電氣化鐵路用避雷器一致的等級，取In為10 kA 等級。

電纜護(hù)層保護(hù)器通過最大沖擊電流時的殘壓乘以1.4 倍后，應(yīng)低于電纜外護(hù)套絕緣的沖擊耐壓值。目前電氣化鐵路牽引變電工程采用的27.5 kV 電纜外護(hù)套主要有PE、PVC 材料或以其為基料的低煙低鹵(DD)、無鹵低煙(WD)阻燃聚烯烴材料，GB/T 28427—2012[4]未規(guī)定外護(hù)套的耐壓水平，在電纜外護(hù)套的電氣試驗中規(guī)定試驗電壓為15 kV。在正常使用壽命周期內(nèi)外護(hù)套的絕緣水平最大允許下降30%。所以，電纜護(hù)層保護(hù)器標(biāo)稱放電電流下的殘壓Ures計算值為7.5 kV?？紤]到國內(nèi)氧化鋅閥片質(zhì)量的離散性，為了提高工程安全性，建議實際項目中護(hù)層保護(hù)器標(biāo)稱放電電流下的殘壓選用值為理論計算值的80%，即6.0 kV。

3.5 工頻耐受電壓、耐受大電流沖擊電壓和通流容量

電纜護(hù)層保護(hù)器采用金屬氧化物壓敏電阻作為非線性限流元件，護(hù)層保護(hù)器的工頻耐受電壓，可按交流無間隙金屬氧化物避雷器的工頻電壓耐受時間特性校核，保證護(hù)層保護(hù)器能夠在最大工頻電壓5 kV 作用下承受4 s 時間不損壞。

根據(jù)《交流金屬氧化物避雷器選擇和使用導(dǎo)則》GB/T 28547—2012[22]和《交流無間隙金屬氧化物避雷器》GB/T 11032—2010[23]的要求，電纜護(hù)層保護(hù)器耐受大電流沖擊(4/10 μs)電流取值為65 kA，可滿足電纜護(hù)層保護(hù)器在最大沖擊電流累積作用20 次后不得損壞。

長時間持續(xù)電流沖擊，2 000 μs 方波電流峰值(通流容量)，根據(jù)《交流金屬氧化物避雷器選擇和使用導(dǎo)則》GB/T 28547—2012[22]的規(guī)定，標(biāo)稱放電電流應(yīng)該和電纜末端相對地避雷器的標(biāo)稱放電電流值相等，選用與電氣化鐵路用避雷器一致的參數(shù)，即400 A。

3.6 電纜護(hù)層最低沖擊電壓

電氣化鐵路所使用的27.5 kV 電纜的外護(hù)套厚度按照《電氣化鐵路27.5 kV 單相交流交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜及附件》GB/T 28427—2012[4]的規(guī)定，且按電纜最小規(guī)格1 mm×95 mm 的外護(hù)套最薄點厚度按式(13)計算

式中，tmin為外護(hù)套最薄點厚度，mm；tnor為外護(hù)套標(biāo)稱厚度，mm；

護(hù)套材料耐受工頻擊穿場強(qiáng)最低值UEmin參考值如表7 所示。各種電纜護(hù)套材料擠出的外護(hù)套在出廠時的絕緣沖擊電壓水平保守考慮應(yīng)在36 kV(峰值)以下，同樣依照《電纜外護(hù)層 第2 部分：金屬套電纜外護(hù)層》GB/T 2952.2—2008[24]的規(guī)定，在金屬鎧裝層上的電纜外護(hù)套需要經(jīng)受直流火花試驗不擊穿，電壓為(9×t) kV(t為外護(hù)套的標(biāo)稱厚度)，或塑料外護(hù)套每毫米施加直流電壓8 kV、歷時1 min 而不擊穿，且要求最高直流試驗電壓不超過25 kV(有效值)，這是基本一致的；另外在電纜敷設(shè)之后，還需要考慮到外護(hù)套經(jīng)受反復(fù)沖擊、吸潮、環(huán)境溫度和敷設(shè)過程中造成的輕微外傷等不利因素的影響，其實際運(yùn)行中電纜外護(hù)套的絕緣耐壓水平會有所下降。27.5 kV電纜外護(hù)套材料的絕緣所能承受最低耐壓值(Vc)按式(14)計算

表7 27.5 kV 電纜護(hù)套耐受工頻擊穿場強(qiáng)最低值UEmin

式中，UEmin為電纜護(hù)套材料耐受沖擊電場強(qiáng)度最小值，kV/mm；tmin為電纜外護(hù)套最薄點厚度，mm；k1為電纜護(hù)套受反復(fù)電壓沖擊絕緣水平下降系數(shù)；k2為電纜護(hù)套材料的吸潮致絕緣水平下降系數(shù)；k3為電纜護(hù)套材料絕緣性能受溫度影響系數(shù)(不同護(hù)套材料受溫度影響會很大)；k4為電纜護(hù)套外傷引起絕緣水平的下降系數(shù)。因此，由于受諸多因素的綜合影響，對外護(hù)套絕緣最低沖擊電壓水平評估為15 kV。

3.7 電纜護(hù)層保護(hù)器殘壓

可能最大沖擊電流作用下，護(hù)層保護(hù)器的殘壓不得大于電纜外護(hù)層的絕緣沖擊耐壓被1.4 所除的數(shù)值。

3.8 動作次數(shù)壽命

27.5 kV 電纜護(hù)層保護(hù)器持續(xù)電壓按《交流金屬氧化物避雷器的選擇和使用導(dǎo)則》GB/T 28547—2012[22]的有關(guān)規(guī)定，可能最大沖擊電流累積作用20次后，護(hù)層保護(hù)器不得損壞。

按照護(hù)層保護(hù)器因短路故障動作3 次/年估算，并參考中國國家鐵路集團(tuán)有限公司對避雷器壽命一般為10～12 年的規(guī)定，護(hù)層保護(hù)器壽命期內(nèi)動作約為30～36 次。建議規(guī)定護(hù)層保護(hù)器在10 kA 放電電流沖擊下動作次數(shù)壽命不小于30 次。

4 實際應(yīng)用

在某重載鐵路中，采用AT 供電方式，某變電所主變壓器容量為2×55 MV·A，接觸網(wǎng)供電線額定電壓為27.5 kV，供電線采用單芯銅電纜，導(dǎo)體標(biāo)稱截面為300 mm2，電纜接地單元長度為300 m。流經(jīng)護(hù)層保護(hù)器上的短路電流按5 kA 考慮。

項目中27.5 kV 電纜接地參數(shù)和護(hù)層保護(hù)器計參數(shù)算值和實際選用值如表8 所示。經(jīng)過多年實際運(yùn)行，未出現(xiàn)護(hù)層保護(hù)器故障，較好地保護(hù)了電纜，證明了參數(shù)選擇的合理性、可靠性及有效性。

表8 27.5 kV 電纜接地參數(shù)及護(hù)層保護(hù)器選用參數(shù)實例

5 結(jié)論

本文結(jié)合電氣化鐵路自身特點以及電纜的線路長度、電纜非金屬外護(hù)套絕緣水平、護(hù)層保護(hù)器使用環(huán)境條件、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，提出了電氣化鐵路專用27.5 kV 電纜護(hù)層保護(hù)器關(guān)鍵參數(shù)及其計算公式，并出了各項參數(shù)的數(shù)值，如表9 所示。以保證其額定電壓、動作電壓及殘壓等相協(xié)調(diào)，可靠保護(hù)好電纜，提高護(hù)層保護(hù)器的工作壽命。本文在文獻(xiàn)[15]的基礎(chǔ)上增加4/10 μs 大電流耐受(峰值)、0.75 U/1 mA 直流參考電壓下的泄漏電流、起始動作電壓U1mA(峰值)等重要參數(shù)要求，對護(hù)層保護(hù)器考核要求更加科學(xué)、完整。不足之處是未對護(hù)層保護(hù)器的外絕緣參數(shù)要求開展相關(guān)研究。

表9 27.5 kV 電纜護(hù)層保護(hù)器推薦參數(shù)