電氣化鐵道通信防護設計的問題探討

張運亭

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043）

工頻單項交流制電氣化鐵道的電磁影響，是指由于牽引供電回路的電壓和電流直接產生的電磁感應作用，使電氣化鐵路附近的金屬導體間或金屬導體與大地間產生感應電壓或電流，從而危及設備和人身安全，或影響設備的正常工作。這種感應影響包括工頻和音頻在內的低頻范圍；由于耦合途徑的性質不同，可分為容性耦合、感性耦合和阻性耦合影響。此外，牽引供電系統的放電火花脈沖會產生高頻電磁波輻射，可干擾附近無線電設備的正常工作。

1 電磁影響的類型

（1） 容性耦合影響

容性耦合影響也稱為靜電影響，它是由交流電氣化鐵道接觸網工作電壓（27.5 kV）所產生的電場引起。根據靜電感應原理，金屬導體在該電場的作用下，導體中的自由電子就要有規則地移動，引起電荷的重新分布。

當交流電氣化鐵道與電信線路接近時，電氣化鐵道的接觸網與電信線路之間存在電容，電信線路和大地之間也存在電容，接觸網電壓就是通過這些分布電容使電信線路產生靜電影響，實際上是通過電容耦合產生的。當人站在地上，觸碰到在電場作用下對地絕緣的電信線路時，靜電感應電壓通過人體形成靜電電流，若電流超過一定值（＞15 mA）會對人身產生危害。當電信線路因靜電影響產生對地電壓時，如果電壓超過線路保安器放電管的放電電壓，則放電管放電，這是由于雙線回路上2支放電管放電電壓的差異。當一個放電管放電時，另一個未放電的外線上的電荷將通過電話機經已放電的放電管放電，使受話器產生巨響，（即音響沖擊）危害使用人員。此外，由于靜電感應影響，對于雙線電話回路還有可能形成橫向感應電流，經受話器產生有害雜音，影響通話質量。靜電感應影響的程度取決于電氣化鐵道接觸網的工作電壓、接觸網和電信線路的接近長度及接近距離。

（2） 感性耦合影響

感性耦合影響又稱磁影響。它是交流電氣化鐵道牽引電流通過接觸導線時，在其周圍空間形成交變磁場，其磁力線切割鄰近的電信線路，并產生感應電動勢，或電信線路與接觸網間產生互感，兩者就是通過這種互感耦合在電信線路上產生感應電動勢。由于感應電動勢是沿電信線路導線軸向分布，故稱為感應縱電動勢。它分布在接近段的全線，而不是集中在導線的某一點上。當感應電壓超過一定值（接觸網正常狀態60 V，故障狀態430 V），就會對人身安全及通信設備造成危險。

在確定感性耦合影響程度時，強、弱電線路之間的互感系數是一個重要因素，而互感系數與兩線路的相對位置、大地導電率及接觸網電流的頻率有關。若兩線路接近距離和大地導電率越小，則互感系數就越大。此外，決定感應縱電動勢大小的主要因素，還有接觸網通過的電流及兩線路的接近長度。若互感系數和接觸網通過的電流越大，兩線路接近長度越長，則感應縱電動勢就越大。感性耦合影響，還要考慮到接觸網正常供電和短路故障2種狀態。

（3） 阻性耦合影響

阻性耦合影響也稱入地電流影響，交流電氣化鐵道供電系統是以接觸網為電流去線，以鋼軌—大地為電流回線的單向不對稱供電線路。如圖1所示，當接觸網電流經鋼軌回流，尤其在接觸網發生短路故障時，將會有很大電流沿鋼軌漏泄入地。在入地電流點或牽引變電所周圍相對遠處的大地之間會產生電位差。處于這些地點的通信接地裝置、地下通信電纜和金屬管線，通過大地阻性耦合，在電信線路接地裝置和架空線路導線之間，通信局、站接地裝置和通信線路導線之間、地埋通信電纜的外皮和芯線之間就產生了電位差。

阻性耦合影響的程度主要取決于入地電流值的大小、大地導電率、計算地電位點至入地電流點的距離。一般來說，距離鐵道幾十米以外的阻性耦合影響就很小了。

（4) 放電火花的電脈沖干擾

交流電氣化鐵道放電火花的電脈沖產生無線電干擾是因機車在運行中，電力機車的大容量整流設備在整流過程產生的火花脈沖和電力機車的受電弓與接觸導線不良接觸造成的。此外，由于在接觸網（27.5 kV）高電壓下工作，其絕緣件如受污染或損壞會導致絕緣不良，就會使接觸網構件產生放電，發生無線電干擾電波。

電氣化鐵道的無線電干擾場強電平，在中波段等低頻端較強；但隨著距電氣化鐵道距離的增加，其傳播衰減也較快。在甚高頻等高頻端則場強較弱，隨著距離的增加，其衰減也慢。放電火花的電脈沖對距電氣化鐵道較近的無線電設備，飛機場導航設備產生干擾影響。

2 接近距離和接近長度

理論及實踐表明，電氣化鐵道容性耦合、感性耦合、阻性耦合影響以及放電火花的電脈沖干擾中，感性耦合影響最為明顯和突出。感性耦合、容性耦合影響的程度，和電氣化鐵道接觸網與通信線路的接近長度及接近距離有關。當通信線路與交流電氣化鐵道的相對位置足以使通信線路產生危險或干擾時，這種相對位置就稱為接近。通信線路與電氣化鐵道接近的區段稱為接近段。在垂直于通過電氣化鐵道中心線和通信線路中心線2個垂直平面的水平平面時，通信線路的任一點引伸到電氣化鐵道的垂直距離稱為接近距離。平原地帶接近距離如圖2所示，圖中a為接近距離。

通過電氣化鐵道對附近通信線路影響計算發現，無論是新建電氣化鐵道還是舊線電氣化改造，兩者的相對位置有各種各樣情況。若因地形變化（如山區和丘陵地帶），接近距離a與接觸網和通信線路間連線的夾角α超過30°時，如圖3所示，則接近距離可由（式1）表示。

接近可分為平行接近、斜接近、交叉跨越接近和復雜接近等情況。

(1）平行接近：通信線路與接觸網之間的接近距離的變化不超過其算術平均值的5%時，稱平行接近，即a2-a1×5%（式2），如圖4所示，其中A、B兩點之間l稱平行接近段，A、C間和B、D間則稱為延長段。l在電氣化鐵路線上的投影即為接近長度l≈lp。

（2）斜接近：在接近段內，接近距離均勻地增加或減少（此段內線路無轉折點）時，稱為斜接近。通信線路在電氣化鐵道上的投影，稱為斜接近段的接近長度，如圖5所示。

此時斜接近兩端a1、a2的幾何平均值，稱為斜接近段的等值距離。當斜接近段兩端的接近距離a1、a2的比值小于或等于3，≤3時，斜接近段的等值接近距離可按下式計算，即a=（式3），3時，應將此接近段劃分若干小段，使每一個小接近段兩端接近距離之比小于或等于3，然后按（式3）分別計算出每一小段的接近距離。

（3）復雜接近：在大多數情況下的接近是復雜的，如圖6所示。

式中：ai——每一小接近段的等值接近距離。

（4）交叉跨越接近

若通信線路架空跨越電氣化鐵路時，應改為地下穿越并加鋼管防護。若遇特殊情況無法入地時，根據鐵路技規第123條規定，“與接觸網的垂直距離不應小于3 000 mm”。交越時兩線路應盡量垂直，最小的交越角應大于45°，對于交越角小于45°的交越段，如不計算交越段（地下穿越）的影響，則以距離電氣化鐵道10 m的兩點作為交越段的界限。

3 結束語

電氣化鐵道防護是一項涉及多學科的綜合性邊遠性專業，工程設計涉及到強點、弱電、有線、無線以及移動、電信、聯通、鐵通、廣播電視、部隊、飛機場、油氣管線、地震監測臺站等諸多專業和部門。多年來，我國電氣化鐵道的防護費用不斷增加，認識電磁影響的危害，掌握正確的計算方法，提高設計質量，降低防護投資是廣大設計者努力的目標。