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摘要： 高速铁路电力贯通线采用单芯电缆敷设在轨道两侧的电缆槽内，由于受电气化铁路和自身通过的交变电流的影响，電缆金属护套产生的感应电压已经严重影响了运营维护人员的人身安全和电力设施的安全运行。本文重点研究了高速铁路电力贯通线单芯电缆的金属护套感应电压的各种影响因素，通过理论分析并结合CDEGS仿真计算软件，建立不同运行电流下的牵引供电系统及电力贯通线仿真计算模型，对单芯电缆护层保护器接地方式、电力贯通线电缆自身通过的电流、电缆的长度以及不同运行电流下的牵引供电系统等因素进行了仿真分析。

关键词： 高速铁路; 电力贯通线; 单芯电力电缆; 感应电压; 护层保护器

中图分类号： TM247                               文献标识码： A

文章编号：1005—7277（2019）04—0022—04

Abstract： The high-speed railway power transmission lines adopt single conductor cable to be laid in the cable tank on both sides of the track. Due to the effects of electrified railway and the alternating current passed through itself， the inductive voltage produced by metal sheath of cable has seriously affected the personal safety of operation and maintenance personnel and the safe operation of power facilities. This paper focuses on the study of various factors affecting the metal sheath induced voltage of single conductor cable in the high-speed railway power transmission line. Through theoretical analysis and CDEGS simulation calculation software， the traction power supply system and power transmission line simulation calculation model under different operating currents are established， which includes factors such as the grounding methods of single conductor cable sheath protector， current through the power transmission line itself， the length of the cable and the traction power supply system with different operating currents are simulated and analyzed.

Key words： high-speed railway;power transmission line;single conductor cable;inductive voltage;sheath protector

1  引言

随着我国高速铁路的大力建设，越来越多的高速铁路随之投入运营。我国的高速铁路10kV电力贯通线采用单芯电缆敷设在轨道两侧的电缆槽内，与接触网之间的水平距离较短且平行路程很长，由于受接触网导线周围产生的交变磁场的影响以及单芯电缆自身通过交变电流产生的交变磁场的影响，铁路沿线的电力贯通线单芯电缆的金属护套在交变磁场的作用下将会产生感应电压，若感应电压超过《电力工程电缆设计规范》（GB50217-2018）中4.1.10条之规定“未采取能有效防止人员任意接触金属护套的安全措施时，交流单芯电力电缆线路的金属护套上任一点非直接接地处的感应电压不得大于50V。”，将会严重威胁运营维护人员的人身安全[1]，甚至将单芯电缆的外护层击穿。若单芯电缆接地方式设置不合理，采用两点接地方式，金属护套与大地形成回路，在感应电压的作用下金属护套内将会产生电流，并且电缆金属护套将与综合贯通地线一起承担了牵引供电回流的一部分电流，其分流值甚至会超过电力贯通线的工作电流，造成单芯电缆绝缘层的发热，降低电缆的使用寿命，电流产生的热量积累到一定程度会烧毁电缆，严重影响了电力供电系统的安全性和可靠性，造成不必要的财产损失。因此研究电力贯通线单芯电缆感应电压产生机理和变化规律，对我国高铁电力运营人员的人身安全以及高铁电力供电系统的可靠运行，具有重要的指导意义。

2  感应电压的理论计算

2.1 普通带电导体感应电压的计算

根据电流的磁效应相关理论，当带电导体L1通过电流Ij时，通过的电流将在导体的周围产生一定范围大小的电磁场Φ。带电导体L1附近若有其他带电导体L2时，根据电磁感应原理，带电导体L1产生的变化电磁场对带电导体L2中产生感应电压U[2]，详见图1。

感应电压的大小可用下式计算。

由上式可知，感应电压U的大小与带电导体通过的电流、两导体间的接近距离、导体平行长度等成正比例关系。

2.2 单芯电缆金属护套感应电压的计算

高速铁路10kV电力贯通线一般采用单芯电缆，在轨道两侧的电缆槽内采用“品”字型敷设，如图2所示[3]，A点、B点、C点为电力贯通线三根单芯电缆，O点为金属护层。A单芯电缆与O点之间的距离为S1，B单芯电缆与O点之间的距离为S2，C单芯电缆与O点之间的距离为S3，A与B单芯电缆之间的距离为D1，B与C单芯电缆之间的距离为D2，C与A单芯电缆之间的距离为D3。

A、B、C三根单芯电缆中流过的线芯电流分别为IA、IB、IC，它们之间彼此平行且电缆规格均相同，电缆金属护套平均几何半径为R，线芯导体半径为r，若O点与A单芯电缆所处的位置重合，A、B、C三根单芯电缆与O点金属护套之间的磁通为：

令O点金属护层为A单芯电缆金属护套所处位置，即O点与A点重合，式（2）可简化为：

则A单芯电缆单位长度金属护套感应电压为：

通过上述公式可以看出，电缆金属护套感应电压与电缆线芯通过的电流、电缆之间的间距、电缆金属护套平均几何半径均有关系。电力贯通线单芯电缆在电缆槽中采用“品”字形敷设，各相电缆之间间距较小，单芯电缆金属护套感应电压不仅与电缆本身线芯导体半径有关，还与相邻其他兩根电缆线芯半径有关，“品”字形敷设的任意两根电缆之间距离均相等，设为D，此时式（4）为：

如果A、B、C三根单芯电缆流过的电流相等，则任一根单芯电缆单位长度的金属护套感应电压为：

3  单芯电缆金属护套感应电特性的仿真

由式（6）可知，计算单芯电缆金属护套感应电压时，电缆内外半导体屏蔽层、铠装层对金属护套感应电缆的影响可以忽略不计[4]，本次仿真采用了满足工程计算精度要求的模型。单芯电缆金属护套的感应电压与电缆接地方式、电缆自身通过的电流、电缆长度以及牵引供电系统的电流分布等因素有关[5]，仿真分析如下。

3.1 电缆不同接地方式对金属护套感应电压的影响

10kV电力贯通线单芯电缆敷设于线路两侧的电缆槽中，电缆采用“品”字形排列方式。根据《高速铁路设计规范》（TB10621-2014）第12.4.5条之规定，高速铁路电力贯通线单芯电缆金属护套采用单端接地方式，即一端直接接地，另一端采用经护层保护器接地[6]。护层保护器有两种接地方式，第一种是屏蔽层和铠装层共设护层保护器接地，第二种是屏蔽层与铠装层分设护层保护器接地[5]，电缆护层保护器不同接地方式如图3所示。

经过仿真计算，单芯电缆在护层保护器不同接地方式下A单芯电缆金属护套感应电压的仿真结果如图4所示。

由图4可以看出，当铠装层与屏蔽层采用共设护层保护器接地方式时，由于铠装层与屏蔽层两端均相连，金属护套的感应电压相等。当两者采用分设护层保护器接地方式时，由于铠装层与电缆线芯距离较大，铠装层上产生的感应电压比屏蔽层上的感应电压小。

3.2 单芯电缆线芯电流对金属护套感应电压的影响

通过2.2节的分析可知，当无牵引机车通过时，电力贯通线单芯电缆金属护套感应电压只与电缆线芯通过的电流以及电缆长度有关，正常情况下，高速铁路综合负荷侧电力贯通线通过的电流一般不大于30A，短路电流不大于600A，根据《高速铁路设计规范》（TB10621-2014）第12.4.5条之规定，电缆金属护套连续长度不宜大于3km[6]。本次仿真选取电缆线芯电流范围：0-600A，电缆长度3km。经过仿真计算，单芯电缆在流经不同线芯电流时A单芯电缆金属护套感应电压的仿真结果如图5所示。

由图5可以看出，电力贯通线单芯电缆线芯电流增加时，单芯电力电缆金属护套上的感应电压随之增大，呈线性比例变化。根据仿真计算结果，当线芯电流为电缆正常工作电流小于30A时，护层感应电压小于50V，满足《电力工程电缆设计规范》（GB50217-2018）中4.1.10条的规定[7]。

3.3 电缆长度对金属护套感应电压的影响

根据已开通高速铁路运营的实际情况，电力贯通线单芯电缆金属护套均采用铠装层与屏蔽层共设护层保护器接地方式。本次仿真的前提条件为铠装层与屏蔽层共设保护器接地，单芯电缆线芯电流为30A。电缆在0-3km变化范围内的金属护套感应电压的仿真结果如图6所示。

由图6可以看出，随着电缆长度的增加，贯通线单芯电缆金属护套的感应电压呈线性比例增加。根据仿真计算结果，线芯电流为30A，电缆长度为3km时，金属护套感应电压约为4.6V，远小于《电力工程电缆设计规范》（GB50217-2018）中4.1.10条规定的50V，满足现行规范的要求。

3.4 牵引供电系统电流分布对金属护套感应电压的影响

电力贯通线单芯电缆金属护套感应电压与牵引供电系统的电流分布有直接关系，当牵引供电系统有牵引负荷电流时，金属护套感应电压为牵引供电系统和电缆本身线芯电流产生感应电压的矢量叠加，本文对牵引电流分别为500A、800A、1000A和1200A时，贯通线单芯电缆通过不同线芯电流时的金属护套感应电压仿真结果如图7所示。

4  结束语

电力贯通线单芯电缆金属护套感应电压已经严重威胁了运营维护人员的人身安全，本文通过理论分析，并利用专业的电磁干扰仿真软件仿真计算了不同电气参数变化、护层保护器不接地方式、不同牵引电流等对电力贯通线感应电压的影响，为电力设施的安全运营及运营单位根据需要提出有效的安全防护措施提供了重要理论基础和设计依据。

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[6]国家铁路局.高速铁路设计规范：TB 10621-2014，[S]. 北京：中国铁道出版社，2015.

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作者简介：

刘广军（1977-），男，山东省临清市，工学学士，高级工程师，主要从事铁路电力供配电设计及相关科研工作。

收稿日期：2019-07-11