電氣化鐵路對通信電纜電磁干擾影響的計算及防護

黃 瑞 顧 聞

（中鐵二院武漢勘察設計研究院有限責任公司，武漢 430070）

電氣化鐵路對通信電纜電磁干擾影響的計算及防護

黃 瑞 顧 聞

（中鐵二院武漢勘察設計研究院有限責任公司，武漢 430070）

電氣化鐵路供電系統對通信電纜存在電磁干擾，結合工程實例，介紹直接供電方式接觸網對通信電纜線路危險影響產生的原因、計算方法及防護措施。

電氣化；接觸網；危險影響；防護

我國電氣化鐵路采用單相工頻交流供電制式,接觸網額定電壓采用25 kV。電力牽引的供電回路采用接觸網-鋼軌(大地)方式,屬于不平衡供電系統,這種不平衡供電系統,將對周圍空間產生電場和磁場,對鐵路沿線各種弱電設施存在電磁干擾影響。

1 電氣化鐵路對有線通信線路的電磁干擾影響

接觸網在正常或短路故障條件下,由于感性、容性和阻性耦合,會對電氣化鐵路沿線的有線通信線路和設施造成電磁干擾影響。

1)感性耦合

感性耦合又稱磁影響。它是由接觸網牽引電流所產生的交變電磁場,通過通信線路與接觸網之間存在的互感而產生的對通信線路和設備的影響。其原理如圖1所示。

圖1 接觸網磁影響原理圖

2)容性耦合

容性耦合又稱為靜電影響。它是在由接觸網牽引電壓產生的電場內,通過通信線路與接觸網之間存在的耦合電容而產生的對通信線路和設備的影響。其原理如圖2所示。

圖2 靜電感應原理

3)阻性耦合

阻性耦合又稱地電位影響。接觸網牽引電流通過鋼軌回流時,電流通過鋼軌泄露入地,使入地點及附近的大地電位升高,接近的通信線路或設備接地裝置的電位隨之升高,對通信線路和設備產生影響。

4)不同通信線路的主要干擾源

電氣化鐵路區段被干擾的通信線路主要有直埋電纜和架空電纜。架空電纜和直埋電纜由于與鐵路平行距離長,干擾源主要是接觸網牽引電流;直埋電纜的另一個干擾源是鋼軌牽引電流,該電流瞬時干擾量大,但作用距離短,而且鋼軌還具有屏蔽作用,干擾強度較弱。

2 危險影響容許標準

根據《電信線路遭受強電線路危險影響的容許值》(GB 6830-86)的標準,電信電纜的同一芯線上,任何兩點間的感應縱電動勢在接觸網正常供電條件下和短路工作情況下的容許值如表1所示。

表1 危險影響容許值

3 感應縱電動勢計算與分析

3.1 計算公式

接觸網正常工作和短路故障狀態下,磁感應影響在弱電線路上感應產生的縱電動勢為:

式中:

ω:接觸網基波電流角頻率;

Mi:50 Hz時電信線路與接觸網之間的第i段互感系數 (H/km);

lp:電信線路與接觸網的接近長度 (km);

λ:50 Hz鋼軌屏蔽系數;

S:50 Hz電纜屏蔽系數;

K:50 Hz電信線路鄰近接地導體對磁影響的屏蔽系數。

I:接觸網正常工作時取等效牽引電流Id(A);接觸網短路時取短路電流IS(A)。

當通信線路的平行接近長度超出一個以上供電臂時,在計算感應縱電動勢時,應分別對每個供電臂進行計算,取其中較大值與容許值標準相比較;當通信線路小于或等于一個供電臂長度時或在某供電臂內通信線分段使用時,應按通信線路在該供電臂內平行接近長度或在該供電臂內通信分段使用后的平行接近長度計算其感應影響;在復線電氣化鐵道區段,若上、下行接觸網采用同相供電,則對接近的通信電纜線路的影響為上、下行接觸網電纜所產生的感應縱電動勢的代數和。

3.2 參數取值

互感系數M值指影響回路(接觸網、強電線路、大地回路)與被影響回路(通信線路、大地回路)間的互感系數。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,通信電纜線路與接觸網線路的相對位置使通信電纜線路產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。根據大地導電率和接近距離可在《鐵路工程設計技術手冊.信號》圖5.3.1.1中求得M值。如表2所示。

表2 按地質資料判定大地導電率

以紫云鐵路為例,該線路的大地導電率δ=10×10-14/CGSM,現場勘察實測結果基本相同。

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。以紫云鐵路為例,這里取a=10 m。

M:根據M值的計算圖表得到M=920× 10-6H/km。

Id:可根據接觸網專業提供的資料,得出接觸網正常供電時的電流大小和接觸網短路接地時的電流大小。

以紫云鐵路(單線)為例,接觸網正常工作時電流I=500 A;接觸網短路接地時IS=2 000 A。可得到其正常工作時的等效牽引電流Id=500 A,短路時的等效牽引電流IS=2 000 A。

ω:接觸網的電壓頻率為50 Hz,得到ω=2× 3.14×50=314 rad/s。

lp:接近段長度,為通信電纜線路接近段在接觸網線路上的投影長度。以紫云鐵路為例,由于區間長途通信電纜線路與接觸網線路接近平行,所以區間長途通信電纜線路接近段長度按站間距11 km考慮。

K:電磁綜合屏蔽系數K=λ×γ×k。

k:環境綜合屏蔽系數目前尚無測定或批準的數據,計算時取k=1。

λ:鋼軌屏蔽系數。

在工程設計中,根據通信線路與接觸網之間的不同接近距離及大地導電率的不同,鋼軌全電流屏蔽系數可按表3取值。

表3 50 Hz在鋼軌感應電流屏蔽系數值

以紫云鐵路為例,查表可得鋼軌屏蔽系數為0.35。

電纜護套的固有屏蔽系數計算比較復雜,故一般采用實測值。常用電纜的屏蔽系數(γ)如表4所示。

表4 常用電纜屏蔽系數

注:以上屏蔽系數由西安電纜廠提供。

以紫云鐵路為例,鋁護套長途通信電纜的屏蔽系數為0.1。因此,綜合護套電磁綜合屏蔽系數: K=1×0.35×0.1=0.035。

3.3 計算結果

將以上系數代入磁感應縱電動勢的計算公式可得如下結果:

1)接觸網正常運行時,鋁護套長途通信電纜上產生的磁感應縱電動勢E:

2)接觸網短路接地時,鋁護套長途通信電纜上產生的磁感應縱電動勢ES:

3.4 計算結果分析

根據《電信線路遭受強電線路影響的容許值》(GB 6830-86)的標準,電信電纜的同一芯線上,任何兩點間的感應縱電動勢在接觸網正常供電條件下不大于60 V,在接觸網故障狀態下不大于電纜直流耐壓試驗的60%或交流耐壓試驗的85%。

根據《鐵路工程設計技術手冊-通信》中規定,長途通信電纜芯線間電氣絕緣強度電壓不低于直流1 000 V。在接觸網故障狀態下,區間長途通信電纜上磁感應縱電動勢應不大于1000×60%=600 V。

以紫云鐵路為例,通過計算可知。

1)接觸網正常運行時,鋁護套長途通信電纜上產生的磁感應縱電動勢為55.61 V,低于標準允許值60 V,滿足規范要求。

2)接觸網短路接地時,鋁護套長途通信電纜上產生的磁感應縱電動勢為222.44 V,低于電纜直流耐壓試驗值的60%,滿足規范要求。

在實際工作中,根據接觸網的影響電流(I)和綜合屏蔽系數(S)的乘積、接近地段的大地導電率(δ)和通信線路與電氣化鐵路間距離,通過表5,可以很方便得出兩線路的平行接近最小長度。

表5 通信線路與電氣化鐵路平行接近的最小長度

4 防護措施

交流電氣化鐵路區段通信電纜線路及設備可以采用以下防護措施:

1)加裝通信感應縱電動勢抑制設備。其基本工作原理是將電纜芯線上的交流感應縱電動勢從信號領示線上取出,經放大器放大、反相后再由變壓器加到電纜芯線上,以抵消感應縱電動勢和改善由此產生的雜音。

2)加裝絕緣變壓器:在通信電纜線路受電氣化鐵道危險影響的區段,通信站、車站通信機械室均應設置電化引入架或電化型車站綜合柜,并裝設絕緣變壓器。音頻回線(除長度較短并通直流信號的線對外)都應接入絕緣變壓器。絕緣變壓器次級線圈中心接地,當外線進入的感應電壓超過線圈耐壓時,將線圈擊穿,經次級線圈中心接地點入地,以達到保護設備和人身安全的目的。

3)接地處理:長途電纜護套接地(電阻不大于4 Ω),地線間距不大于4 km;通信站接地電阻不大于1 Ω;變電所及分區亭接地電阻不大于2 Ω。地區(站、場)電纜與電氣化鐵道平行接近長度超過2 km時,其主干電纜兩段應設電纜屏蔽地線。在變電所附近的電纜屏蔽地線與變電所接地網之間應保持一定的距離。

4)在電氣化鐵道區段,長途電纜接頭套管應做絕緣防護,其接頭套管處與接觸網桿地線的距離應大于5 m。在接觸網支柱及距接觸網帶電部分5 m范圍以內的通信設備金屬結構體均須接地。

5)長途光電纜接頭套管、鎧裝、鋼芯需進行絕緣處理,光電纜屏蔽層要求單端接地。

6)在電氣化鐵道區段,新建長途通信電纜應采用鎧裝二級外護層的高屏蔽直埋電纜。電纜金屬護套對50 Hz的感應縱電動勢每公里為30～150 V時,其固有屏蔽系數應小于0.1。

5 結束語

通過對電氣化鐵路通信防護的合理設計,能夠有效降低接觸網強電流對通信設施的不良影響,提高運營、維護的安全可靠。

The power supply system of electrified railways may cause electromagnetic interference to communication cables. With an example, this paper introduces dangerous influence of the catenary to communication cables in the direct feeding system, and analyzes the causes, calculation methods and protection measures.

electrification; catenary; dangerous impact; protection

10.3969/j.issn.1673-4440.2014.04.012

2012-10-16）