電力牽引區(qū)段接觸網(wǎng)對信號電纜影響的計算及探討

蔡家軍

(中鐵二院武漢勘察設計研究院有限責任公司，武漢 430070)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，對鐵路運能及環(huán)保提出更高的要求，鐵路的電氣化發(fā)展是必然的趨勢。電力牽引區(qū)段接觸網(wǎng)的電壓和電流，在其周圍空間產(chǎn)生連續(xù)分布的交變電磁場對信號電線路產(chǎn)生影響。列車運行時，機車由接觸網(wǎng)受流，牽引電流經(jīng)鋼軌和大地流回牽引變電所，接觸網(wǎng)供電方式是“導線—大地”不平衡供電，會對軌道電路產(chǎn)生干擾，同時牽引電流在懸掛的接觸網(wǎng)周圍產(chǎn)生強大的交變磁場，對其附近信號電纜及信號設備產(chǎn)生強大的電磁影響。如圖1所示，此電動勢沿信號電纜縱向分布，電壓大小與電纜長度成正比，稱為磁感應縱電動勢。

磁感應縱電動勢可引起下列危險影響。

1）使運營、維修人員產(chǎn)生接觸危險。

2）使信號設備遭受破壞的危險（擊穿絕緣、燒毀設備）。

3）使信號設備錯誤動作的危險（錯誤控制、錯誤表示、錯誤解鎖）。

結(jié)合工程實例，介紹直接供電方式接觸網(wǎng)對信號電纜的磁感應影響的計算及信號設備的防護。

1 計算依據(jù)

1）《鐵路信號設計規(guī)范》（TB10007-2006）強制規(guī)定：“受接觸網(wǎng)的電磁影響，在信號電纜的同一芯線上，任何兩點間的感應縱電動勢（有效值）應滿足下列要求：接觸網(wǎng)正常供電條件下不大于60 V；接觸網(wǎng)故障狀態(tài)下不大于電纜直流耐壓試驗的60%或交流耐壓試驗的85%。”

電氣化牽引區(qū)段需對信號電纜的電氣化干擾影響進行計算來確定信號電纜防護措施。

2）《鐵路數(shù)字信號電纜第1部分：一般規(guī)定》（TB/T 3100.1-2004）5.2.2條：“信號電纜實驗電壓不低于AC 2 500 V。”

3）《鐵路數(shù)字信號電纜第3部分：綜合護套鐵路數(shù)字信號電纜》（TB/T 3100.3-2004）5.2條：“綜合護套鐵路數(shù)字信號電纜的理想屏蔽系數(shù)應不大于0.8。”

4）TB/T 3100.4-2004《鐵路數(shù)字信號電纜第4部分：鋁護套鐵路數(shù)字信號電纜》5.3條：“鋁護套鐵路數(shù)字信號電纜的理想屏蔽系數(shù)應不大于0.2。”

5）接觸網(wǎng)專業(yè)提供的單線鐵路牽引電流數(shù)據(jù)如下。

接觸網(wǎng)正常工作時，電流I=500 A；接觸網(wǎng)短路接地時，IS=2 000 A，大地導電率δ=10-2S/m；牽引供電系統(tǒng)采用單相工頻（50 Hz）25 kV交流制、帶回流線的直接供電方式。

6）根據(jù)站場專業(yè)提供的站場平面圖簡化的單線鐵路中間站信號平面示意圖（如圖2所示）。

7）磁感應縱電動勢的計算公式及50 Hz互感抗諾模圖。

磁感應縱電動勢的計算公式如下。

接觸網(wǎng)直接供電方式正常運行時：

式中，ω——接觸網(wǎng)電流、電壓的角頻率（rad/s），ω=2π f；

Mi——50 Hz時接觸網(wǎng)與信號線路間第i段互感系數(shù)（H/km）；

lpi——接觸網(wǎng)與信號線路間第i段接近段長度（km）；

Id——接觸網(wǎng)等效牽引電流（A）；

K——50 Hz時接近段內(nèi)各種接地導體的電磁綜合屏蔽系數(shù)；

f——接觸網(wǎng)電流、電壓頻率（Hz）。

接觸網(wǎng)短路接地時：

式中，IS——接觸網(wǎng)短路電流（A）。

2 計算參數(shù)的選擇及說明

以單線鐵路中間站為例，對計算中的各參數(shù)進行計算及說明。

由于信號樓有綜合接地裝置，計算一個咽喉的信號電纜磁感應縱電動勢。

互感系數(shù)M值指影響回路（接觸網(wǎng)、強電線路、大地回路）與被影響回路（信號線路、大地回路）間的互感系數(shù)。M值與影響、被影響回路間的接近距離及大地導電率（δ）有關，信號電線路與接觸網(wǎng)線路的相對位置使信號電線路產(chǎn)生危險或干擾影響時稱為接近。接近距離（a）小時，則M值增大，接近距離大時，則M值小；大地導電率愈高，M值越小。根據(jù)大地導電率和接近距離可在50 Hz互感抗諾模圖中求得M值。

δ——接觸網(wǎng)專業(yè)提供的大地導電率δ=10-2S/m；

a——當兩線路接近的距離變化不超過其算術平均值的5%時，稱為平行接近，則a=ai，沿線電纜一般均埋設在路基邊坡外，按平行接近段計算，接觸網(wǎng)與信號電纜線路的間距a約為5 m。這里取a=5 m。

M——根據(jù)M值的計算圖表得到M=1 100×10-6H/km。

Id——根據(jù)接觸網(wǎng)專業(yè)提供的資料：接觸網(wǎng)正常工作時，電流I=500 A；接觸網(wǎng)短路接地時，Is=2 000 A。接觸網(wǎng)正常供電狀態(tài)下，計算對信號電線路的危險影響時，其等效牽引電流按下式計算：

式中：Ij——接近段內(nèi)第j區(qū)間接觸網(wǎng)電流（A）；

lj——對應第Ij區(qū)間的接觸網(wǎng)長度（km）；

N——接近段內(nèi)的區(qū)間數(shù)。

本次計算將上式簡化，其等效牽引電流Id=500 A。

ω——接觸網(wǎng)的電壓頻率為50 Hz，得到ω=2×3.14×50=314 rad/s；

lp——接近段長度（lp）為信號電線路接近段在接觸網(wǎng)線路上的投影長度。由于信號電纜接近平行，可以將舉例站左咽喉分成兩段接近長度，一段為預告信號與進站信號機之間單線鐵路線lp1，一段為進站信號機與信號樓之間的站場內(nèi)鐵路lp2。

K——電磁綜合屏蔽系數(shù)；K=k×λ×γ。

k——環(huán)境綜合屏蔽系數(shù)；目前尚無測定或批準的數(shù)據(jù)，計算時取k=1。

λ——鋼軌屏蔽系數(shù)。

在一般情況下單線鐵路：λ=0.5；雙線鐵路：λ=0.4，站場內(nèi) ：λ=0.35。

從舉例站簡易信號平面示意圖可知，lp1對應λ1=0.5，lp2對應 λ2=0.35。

γ——電纜屏蔽系數(shù)。

根據(jù)TB/T 3100.3-2004，綜合護套鐵路數(shù)字信號電纜的理想屏蔽系數(shù)不大于0.8。

取 γz=0.8。

根據(jù)TB/T 3100.4-2004，鋁護套鐵路數(shù)字信號電纜的理想屏蔽系數(shù)不大于0.2。

取 γl=0.2。

綜合護套電磁綜合屏蔽系數(shù)Kz1、Kz2：

Kz1=k×λ1×γz=1×0.5×0.8=0.4。

Kz2=k×λ2×γz=1×0.35×0.8=0.28。

綜合護套電磁綜合屏蔽系數(shù)Kl1、Kl2：

Kl1=k×λ1×γl=1×0.5×0.2=0.1。

Kl2=k×λ2×γl=1×0.35×0.2=0.07。

3 計算結(jié)果

將以上系數(shù)代入磁感應縱電動勢的計算公式可得如下結(jié)果。

1）接觸網(wǎng)正常運行時，綜合護套鐵路數(shù)字信號電纜上產(chǎn)生的磁感應縱電動勢E1：

2）接觸網(wǎng)短路接地時，綜合護套鐵路數(shù)字信號電纜上產(chǎn)生的磁感應縱電動勢Es1：

3）接觸網(wǎng)正常運行時，鋁護套鐵路數(shù)字信號電纜上產(chǎn)生的磁感應縱電動勢E2：

4）接觸網(wǎng)短路接地時，鋁護套鐵路數(shù)字信號電纜上產(chǎn)生的磁感應縱電動勢ES2：

4 計算結(jié)果分析

根據(jù)TB/T3100.1-2004，鐵路信號電纜實驗電壓不低于交流2 500 V。在接觸網(wǎng)故障狀態(tài)下，鐵路信號電纜上磁感應縱電動勢應不大于2500×85%=2125 V。

以舉例站為例，對接觸網(wǎng)正常狀態(tài)和短路狀態(tài)下的危險影響，通過計算，舉例站干線電纜采用綜合護套電纜超過接觸網(wǎng)正常運行時的標準允許值，需采用鋁護套電纜才能滿足規(guī)范要求。

5 防護措施

交流電氣化鐵路區(qū)段信號電纜線路及附屬設備可以采用以下防護措施。

1）在有軌道電路的區(qū)段上，為保證軌道電路可靠工作，接觸網(wǎng)桿塔及沿線金屬構件的接地線、吸上線不允許直接接至鋼軌，應接在扼流變壓器中點或空心線圈中點，并滿足軌道電路的有關要求。

2）電力牽引區(qū)段，高柱信號機等信號設備外緣距接觸網(wǎng)帶電部分的距離不得小于2 m。不能滿足時，切割信號機機構部分遮光板，若還不能滿足要求，采用加屏蔽網(wǎng)或改按矮柱信號機等措施解決。

3）距接觸網(wǎng)帶電部分5 m范圍內(nèi)的金屬結(jié)構物必須接地。

4）接觸網(wǎng)對信號電纜的危險影響不應超過規(guī)定的允許標準：在信號電纜的同一芯線上，任何兩點間的感應縱電動勢（有效值）不應大于60 V（接觸網(wǎng)故障狀態(tài)下為電纜直流耐壓試驗的60%或交流耐壓試驗的85%）。

5）交流電力牽引區(qū)段信號電纜的金屬護套應接地。當為多根電纜時，其護套間應進行屏蔽連接。

6）凡通過交流牽引電流的鋼軌，鋼軌接續(xù)線應采用冷擠壓或脹釘式的多股銅線，其截面不小于50 mm2。

7）采用非工頻軌道電路防護電力牽引電流對軌道電路的干擾。

6 結(jié)束語

通過對電力牽引區(qū)段接觸網(wǎng)對信號電纜影響的計算，采用合適的信號電纜，保證運營、維護的安全可靠。由于現(xiàn)場情況復雜多樣，為了得出更切合現(xiàn)場實際情況的參數(shù)取值方法，建議在工程竣工、運營后，對實際信號電纜使用情況進行設計回訪、分析，總結(jié)經(jīng)驗。

面對我國電氣化鐵道迅速發(fā)展的新形勢，必須盡快組織科研、設計、施工、維修專業(yè)技術人員，研究電力牽引區(qū)段接觸網(wǎng)對信號電纜線路的危險影響，制定防護措施及維修標準，以降低電力牽引區(qū)段接觸網(wǎng)對信號電纜及附屬設備的危險影響，避免信號電纜線路及附屬設備遭受損壞，保障鐵路運輸安全。

[1] TB10007-2006 鐵路信號設計規(guī)范[S].

[2] TB/T 3100.1-2004 鐵路數(shù)字信號電纜第一部分：一般規(guī)定[S].

[3] TB/T 3100.4-2004 鐵路數(shù)字信號電纜第4部分：鋁護套鐵路數(shù)字信號電纜[S].

[4] 鐵道部通信信號總公司研究設計院．鐵路工程設計技術手冊．信號[S]．北京：中國鐵道出版社, 1992.