电气化铁道27.5kV电缆护层保护器技术参数研究

工作原理和工作特性，提供护层保护器关键技术参数选择依据和参考，以期为护层保护器合理选型、为27.5kV电缆可靠保护提供帮助。

【关键词】电气化铁道 27.5kV电缆护层保护器 技术参数

随着电气化铁道27.5kV电缆在国内高速铁路和客运专线铁路项目中普遍应用，电缆的接地安全越来越受到重视。GB 50217-2007《电力工程电缆设计规范》规定，单芯电力电缆金属层单点直接接地，在线路未接地的终端设置金属护层电压限制器（即电缆护层保护器），可增强护层绝缘保护。目前，国内既有在建或是已开通项目，所采用的电缆护层保护器产品，主要是电力电缆护层保护器，因缺乏统一参数标准，不同厂家同类产品参数差异大，产品型式不一，工程应用时选型困难，如若选用产品参数与系统不匹配，对27.5kV电缆安全运行还会造成威胁。 因此，有必要根据我国电气化铁路牵引供电系统特点，结合27.5kV电缆护层保护器工作条件和适用环境，对电气化铁道27.5kV电缆护层保护器的选型进行深入研究。

1 27.5kV电缆护层保护器使用环境特点

电气化铁路牵引供电系统为工频交流单相系统，牵引负荷为冲击性负荷且波动大。当车辆驶入某一供电臂内时，负荷电流迅速增大；驶出时，负荷电流迅速下降。如果某一供电臂内车辆密集，还会出现短时或周期性的过负荷。27.5kV单芯电缆主要用于牵引所内的牵引变压器或自耦变压器与27.5kV GIS开关柜间连接，以及由牵引所向接触网提供电源的27.5kV馈出线。当牵引负荷较大时，为满足载流需要，每回路27.5kV电缆采用多根并联运行。从系统的角度分析，单根电缆运行和多根电缆并联运行，所使用的电缆护层保护器主要参数选择一致。电缆护层保护器接在电缆金属护层接地引出线和地之间，主要安装地点为牵引变压器或自耦变压器27.5kV侧、27.5kV GIS开关柜内、牵引所电缆夹层内、铁路线路侧电缆上网侧等。27.5kV电缆线路正常工作时，电缆护层保护器呈现高阻态，截断电缆金属护套中的工频感应电流和大地形成的回路，限制环形感应电流；一旦电缆线路出现短路故障、有雷电过电压侵入或是出现内部过电压，导致电缆金属护套中出现很高的工频过电压或冲击过电压时，电缆护层保护器呈现低阻态，迅速将故障电流泄入大地，将暂态过电压钳制在自身残压范围内，保护电缆外护套绝缘。

2 27.5kV电缆护层保护器关键技术参数选择

依据GB 50217-2007《电力工程电缆设计规范》、DL/T 401-2002《高压电缆选用导则》，对电缆护层保护器的参数选择规定，结合电气化铁路牵引供电系统特点，对27.5kV电缆护层保护的关键技术参数进行优化设计。

2.1额定电压（Ur）和起始动作电压（U1mA）

27.5kV侧牵引供电系统在电缆至接地侧发生短路时，金属护层不接地端会产生较高的工频感应过电压。兼顾护层保护器的工频过电压耐受能力和起始动作电压，同时还应考虑工频感应过电压与电缆外护套的绝缘耐受水平的保护关系。当电缆金属护套上感应工频过电压幅值可能超出电缆外护套的绝缘水平时，电缆护层保护器应可靠动作，结合电缆外护套绝缘水平会随时间推移而下降的实际情况，选取电缆护层保护器的起始动作电压应低于电缆外护套的工频耐受电压。

系统短路时，工频短路电流对电缆金属护层不接地端感应产生的工频感应电压可按式（1）计算：

（1）

式中：Ut--电缆金属护层不接地端感应产生的工频感应电压，kV；

Id--系统短路流过电缆导体的短路电流，kA；Zw --电缆导体和金属护层的互感抗，Ω/m；

L--电缆线路长度，m；K--系统短路时，接触网回路线的工频分流系数。

护层保护器的起始动作电压和额定电压可按下式选择：

（2）

（3）

2.2 持续运行电压（Uc）

27.5kV电缆护层保护器安装在27.5kV电缆线路的一端和地之间，电缆的另一端直接接地。参考前文所述牵引供电系统的运行特点，持久施加在电缆护层保护器端子间的电压除了接地网的地电位外，还要叠加金属护套感应电压。

（4）

式中： Imax——计算用入地短路电流，kA；Rn——接地装置工频的接地电阻，

Ω。If——正常满负荷情况下电缆导体流过的电流，kV；Zw --电缆导体和金属护层的互感抗，Ω/m。

2.3标称放电电流（In）和残压（Ures）

标称放电电流可选用与电气化铁道用避雷器一致的等级，一般情况下取In =5kA即可。

电缆护层保护器通过最大冲击电流时的残压乘以1.4后，应低于电缆外护套绝缘的冲击耐压值。护层保护器的残压越低，钳制的电位越低，对电缆外护套不受电压破坏越有利。目前电气化铁路工程采用的27.5kV电缆外护套主要有PE和PVC材料，外护套冲击绝缘水平为15kV，正常使用寿命周期内其绝缘水平最大允许下降30%。所以，电缆护层护器标称放电电流下的残压可按不大于7.5kV选择。

2.4工频耐受电压和通流容量

电缆护层保护其采用金属氧化物压敏电阻作为非线性限流元件，护层保护器的工频耐受电压，可按金属氧化物避雷器的工频电压耐受时间特性进行校核，保证护层保护器能够在最大工频电压作用下承受5s时间不损坏。根据交流系统金属氧化物避雷器使用导则，电缆护层保护器大电流冲击电流值取65kA，即可满足电缆护层保护器在最大冲击电流累积作用20次后不得损坏。2ms方波通流容量，选用与电气化铁道用避雷器一致参数，取400A。综上所述，27.5kV电缆护层保护器的关键技术参数决定了护层保护器的保护特性和运营稳定性，它与使用系统参数密切相关且相互制约，也反应了只有依据受保护系统实际情况选择与之匹配的护层保护器，护层保护器才能运行稳定，保护特性才能充分发挥，也才能更可靠的为27.5kV电缆安全运行提供保证。

3 工程应用分析

27.5kV电缆护层保护器工程中的实际使用主要为高速铁路或客运专线项目，普速铁路项目应用较少，但是设备参数应具有适应不同项目情况，结合现有产品确定27.5kV电缆护层保护的主要参数见表1。

表1 27.5kV电缆护层保护的主要参数

分类系统标称电压额定电压

Ur持续运行电压

Uc起始动作电压

U1mA8/20μs标称放电电流 In标称放电电流下的残压Ures工频耐受电压/时间2ms方波通流容量大电流冲击耐受

参数一27.5kV2.8kV2.24kV≮4kV5kA≯7.5kV5kV/4s400A65kA

参数二27.5kV4.2kV3.4kV≮6kV5kA≯7.5kV5kV/4s400A65kA

综上述分析，因高速铁路和客运专线铁路工程，牵引供电系统沿线设置综合接地系统，沿线各子系统包括牵引所均与综合地线相连，且接触网立柱采用钢材质，接地网地电位一般在2kV以下，考虑叠加金属护套感应电压，持久施加在电缆护层保护器端子间的电压一般不超过2.3kV，由此确定的护层不保护器参数更合理。电气化铁路常规接地网地电位按3kV设计，考虑叠加金属护套感应电压，持久施加在电缆护层保护器端子间的电压最大可达3.3kV，由此确定的护层不保护器参数二适用工程范围更广。

4 结语

电缆护层保护器的保护特性和运营稳定性是相互制约的，应结合系统实际情况、电缆线路长度、电缆外护套实际绝缘水平、护层保护使用环境条件等合理选择护层保护器的参数，合理配置护层保护器，以可靠保护电缆、提高护层保护器的寿命。

参考文献：

[1]GB 50217-2007，电力工程电缆设计规范.

[2]DL/T621-1997，交流电气装置的接地.

[3]IEEE Std80-2000，变电站接地安全导则.

[4]DL/T 401-2002，高压电缆选用导则.

[5]DL/T 804-2002，交流店里系统金属氧化物避雷器使用导则.

[6]罗俊华，周作春，李华春，罗旻.单芯电力电缆金属护层过电压保护器参数设计[J].高电压技术，2008（2）355-358.

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