收藏本页 电工之家_电工基础知识学习网站
当前位置:电工之家 > 电力论文 > 正文

电气化铁路电缆烧损机理及防护措施分析

时间:2017-10-05 17:55 来源:电工之家
【摘要】1铁路数字信号电缆结构及烧损机理分析 1.1电缆结构 铁路数字信号电缆(SPT)是ZPW-2000型轨道电路的信号传输电缆,随着该制式轨道电路的推广应用,已在全路大范围使用。以我国高铁常用的SPTYWPL03-8A型双四线组信号电缆为例,其结构由两组沿顺时针方向平滑对......

1 铁路数字信号电缆结构及烧损机理分析
1.1 电缆结构
铁路数字信号电缆(SPT)是ZPW-2000型轨道电路的信号传输电缆,随着该制式轨道电路的推广应用,已在全路大范围使用。以我国高铁常用的SPTYWPL03-8A 型双四线组信号电缆为例,其结构由两组沿顺时针方向平滑对角扭绞的四芯线组成,如图1所示。

最外层为外护套,其特点为:
a.绝缘性能较好,绝缘耐压不小于交流4 000 V;
b.非阻燃,当乙烯护套出现破损(多为施工过程电缆在地面拖拽损伤、防护不良或老化)时,护套内的钢带与护套外金属物存在足够大电位差,将发生“火花放电”,并殃及破损处周边乙烯材料;在土中掩埋隔绝空气时,上述“火花放电”仍会损伤乙烯材质,但无氧气不发生燃烧现象;
c.聚乙烯护层具有较差的延燃性,从火花引发燃烧以及蔓延均需一个较长时间过程。
d.聚乙烯护层起燃后具有极强的燃烧能力,足以引燃周边电缆,并造成电缆芯线绝缘护层熔化直至短路。
钢带护层,其特点如下:
a.良好的导电性;
b.在乙烯护层-1内呈带状缠绕状,其边沿锋刃易割破护层。
内衬层也具有较高的绝缘耐压,该护层受钢带等保护,一般不易损伤,铝护套与钢带间电位差不致构成放电。特殊情况下,如电缆敷设受外界不正常应力破坏,内衬层破损,铝护套与钢带间也可造成“火花放电”损伤电缆(包括铝护套、电缆芯线等)。
铝护套:导电性能良好;
四芯组(含屏蔽层、排流线):信号传输线缆。
1.2 烧损机理
电缆烧损主要原因为不同金属物间的电位差导致拉弧放电引燃,尤其电气化铁路牵引电流较大,不同电气环境或地段环境均会引起电缆与其他金属物间的电位差。
1.2.1 电位差来源
电缆钢带或铝护套与其他金属间电位差主要由下面两个途径构成。
1)电磁耦合
铁路信号电缆沿钢轨线路放置于线路旁,在电气化铁路上,不可避免的要与供电线路、钢轨、贯通地线等进行电磁耦合,在电缆钢带、铝护套与地线形成的回路中,形成感应电流,如图2所示。

2)电流传导
电流传导途径主要发生在电缆外皮双端接地,且未敷设贯通地线或敷设的贯通地线断裂情况下。此时,不同接地极之间电位不等,由空芯线圈引入的工频电流通过电缆外皮形成回流,如图3所示。

当图3中地1与地2不等电位且连接其的贯通地线断离或未设置贯通地线时,SVA引入的工频电流会通过电缆外皮流通。
1.2.2 烧损原因分析
电气化铁路中,电缆外皮一般单端接地。当电缆外皮中有上述耦合或传导电流流过时,电气回路中会因电缆外皮自身阻抗、贯通地线自身阻抗的存在使得电缆外皮与贯通地线间存在一定的电位差,如图4所示。

2 电缆放电模型及仿真分析
SPT电缆为多芯扭绞的多导体传输线且扭绞周期重复,可将长电缆等效看作由多个单扭绞周期的多导体传输线链接而成。因此,可先进行单扭绞周期的建模分析,而后按电缆长度进行级联。
2.1 单扭绞周期
2.1.1 分布参数计算
单扭绞周期电缆模型中涉及的分布参数包括:电容、导纳,电感、电阻。
1)电容和导纳
由电磁场知识可知,频率对电容和导纳参数影响不大,可按静电场方法计算获得。静电场能量W与自电容Cii和互电容Cij的关系如式(1)所示。

式(1)中,n=12为导体根数,Ui、Uj分别为第 i 根和第 j 根导体施加激励电压,Cii为第i根导体的自电容,Cij为第 i 根和第 j 根导体之间的互电容。
2)电感和电阻
频率对电感和电阻影响较大,计算时通过循环以电流为激励源的方法进行激励,其关系矩阵,如式(2)所示。

式(2)中,IiR、IiI为第 i 根导体的激励电流的有效值实部和虚部,UiR、UiI为第 i 根导体的电位有效值实部和虚部,UjR、UjI为第 j 根导体的电位有效值实部和虚部。
2.1.2 单个扭绞周期电缆参数计算
在上述每段单位长度分布参数基础上,计算各分段级联的链参数矩阵Φk(ΔZk),如式(3)所示。

式(3)中,Φ11(ΔZk,s)、Φ12(ΔZk,s)、Φ21(ΔZk,s)、Φ22(ΔZk,s)为Φk(ΔZk)的12×12子矩阵,V(Zk,s)为第Zk段均匀传输线末端电压、I(Zk,s)为第Zk段均匀传输线末端电流向量,V(Zk-1,s)为第Zk-1段均匀传输线末端电压、I(Zk-1,s)为第Zk-1段均匀传输线末端电流向量。一个扭绞周期电缆传输线链参数矩阵如式(4)所示:

式中,N=10,Φ(p)为整个扭绞周期长度电缆传输线链参数矩阵,Φk(ΔZk)为第k段均匀传输线链参数矩阵。
根据式(4),单位长度阻抗和导纳参数矩阵如式(5)所示。

2.2 完整电缆的建模
根据最大长度小于λ/10时可采用集总参数电路等效的原则,将上述传输线矩阵等效为π型电路,如图5所示,垂直分支是导纳矩阵Y1/2,其水平分支是阻抗矩阵Z(s)1。图中Znn为第n根导体内阻抗,Zin为第n根和第 i 根导体间的互阻抗,ynn为第n根导体对参考导体电导,yin为第n根和第 i 根导体间的互电导。

2.3 电缆外皮电位差仿真分析
根据上述建模方法在EMTP中搭建仿真模型,计算模型中贯通地线与信号电缆平行铺设10 km,每1 km进行一次单端接地,当贯通地线流过电流为20 A时,在平行信号电缆上的感应电动势与贯通线间距关系计算结果如图6所示,数据如表1所示,贯通线与信号电缆间距从5 cm逐渐增大到100 m,距离越靠近感应电动势急剧增加,距离40 cm时电缆感应电压幅值为98 V,实际工程中应该尽量将信号电缆与贯通地线的间距控制在60 cm以上。保持电缆与贯通线间距60 cm不变,改变信号电缆接地电阻,从0.1增加到15 Ω,电缆芯线感应电动势计算结果如表2所示,信号电缆单端接地情况下,感应电动势基本不随接地电阻变化而变化。



3 小结
综上所述,在电缆敷设时,应注意电缆与贯通底线同槽敷设时,物理隔离距离不小于60 cm,并用软土掩埋与空气隔离;在桥梁地段不采用金属托盘或金属槽道;电缆钢带、铝护套按规定接地;以及可靠地实现相关金属间等电位等防护措施。
参考文献
[1]中华人民共和国铁道部.TB1007-2006 J529-2006 铁路信号设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2006.
[2]邱关源.电路[M].北京:北京高等教育出版社,2004.
[3]法哈德·拉奇迪.电磁场与传输线的相互作用[M].北京:清华大学出版社,2013.
[4]杨世武,马沧海,杨波,等.重载条件下牵引电流对桥梁区间信号电缆的影响研究[J].铁道学报,2014,36(5),25-26.
[5]米·伊·米哈伊洛夫.通信设备对外界电磁场影响的防护[M].北京:人民邮电出版社,1983.
[6]中华人民共和国铁道部.铁运[2008]142号 铁路信号维护规则 技术标准[S].北京:中华人民共和国铁道部,2008.
[7]杨世武,张旭,梁伊模,等.铁路信号电缆接地方式研究和纵向电动势测试[J].仪器仪表学报,2013,34(2):255-256.
[8]马沧海,杨世武,刘仓,等.重载桥梁区段信号电缆防护牵引电流影响的改造措施[J].铁路通信信号工程技术,2014,11(2):8-11.