獨立接地支柱存在的問題對信號設備的影響

摘要：隨著我國高鐵的高速發展，站場中的信號設備越來越多、越來越精密，由于信號設備以電子和微電子技術裝備起來的且工作在弱電環境下，當站場中的獨立接地支柱出現問題時就會對弱電設備造成嚴重的影響，對我國高鐵的發展帶來較大的阻礙作用。通過研究發現，當站場中間接觸網支柱發生短路時，雖然鋼軌上接有回流線，由于鋼軌泄露電阻較大，短時支柱周圍的地電位較高，因此會對埋設在支柱附近的信號電纜產生嚴重影響甚至擊穿電纜。本文通過CDEGS仿真軟件建立站場中間接觸網支柱短路模型，通過仿真得到相關數據，研究站場中獨立接地支柱短路對信號設備帶來的影響，對我國鐵路事業的發展具有重要的意義。

關鍵詞：站場；接觸網支柱；短路；信號設備

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（c）-0000-00

0 引言

隨著時代的發展，鐵路站場的信號設備越來越精密，由于信號設備以電子和微電子技術裝備起來的且工作在弱電環境下。當單獨接地支柱發生短路時，會造成支柱周圍地電位過高，嚴重時就會擊穿支柱附近的信號電纜，這樣擊穿電流會通過信號電纜傳輸到信號樓，并損壞信號樓內的通信設備，不僅造成極大的經濟損失，而且直接威脅著鐵路的安全運行[1- 3]。2012年9月22日15點34分，神池南站II場西咽喉因接觸網放電造成部分信號電纜燒損，19個軌道區段發生紅光帶，經三局電務和神池南電務工隊緊急處理后，于19點08分設備恢復正常。故障總延時214分鐘。現場驗收人員反饋中鐵電氣化局剛在134號網桿安裝地線施工時造成接觸網對獨立支柱放電，由此初步判斷造成軌道電路紅光帶的原因為接觸網對單獨接地支柱放電對信號設備造成的沖擊所致。因此，本文通過仿真分析研究與實際考察支柱短路信號電纜的影響對我國的高鐵事業的發展具有重要的意義[4-5]。

1建立仿真模型

圖1 站場接地系統簡圖

圖 2站場中間部分綜合接地系統剖面圖

圖1為站場綜合接地簡單模型，從圖中可以看出由于站場較大，站場兩邊的支柱與貫通地線相連而中間的接觸網支柱只能單獨接地。相關的通信信號線鋪設在站場中間鋼軌的兩邊，深入地下0.5m處；軌道采用CRTS 1型板式無砟軌道，軌距采用標準軌距1435mm。軌道結構由鋼軌、彈性扣件、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿填充層、混泥土底座構成，標準軌道板厚度不宜小于190mm，水泥乳化瀝青砂漿填充層厚度為50mm，混泥土底座厚度不應小于100mm，彈性扣件厚度為10mm，軌道采用CHN60軌道，等效為圓柱體時的半徑為49.6mm。由于扣件、混泥土及水泥乳化瀝青砂漿絕緣性能很好，仿真時可把此部分等效為空氣。接觸網鋼支柱采用H型鋼支柱，每隔50m架設一個，支柱基礎的最大接地電阻為10Ω，支柱距離鋼軌1.2m，深入地下2.5m。建模時鋼軌和信號線長設為3km，并在它們兩端都接上匹配阻抗，以模擬導線延伸至無窮遠的情況[6]。

在同一行兩根軌道之間每隔500m裝設有扼流變壓器，以保證牽引電流順利流過絕緣節，當從扼流變壓器中點流向兩端的電流相等時可將扼流變壓器等效為導線，上下行軌道通過扼流變壓器或者空心線圈的中心抽頭設有簡單橫向連接或者完全橫向連接，簡單橫向連接實現了兩鋼軌間的等電位連接，完全橫向連接實現軌道間的等電位連接[7-8]。

將接觸網支柱、鋼軌等效為圓柱體，各個導體的主要參數見表1。

表1 導體的主要參數

導體型號電阻率/Ω·m等效半徑/mm

鋼軌CHN600.90909×10-749.6

接觸網支柱H型支柱0.90909×10-786.55

在CDEGS中根據圖1、圖2及以上文中假設連接各個導體，根據表1設置各個導體的參數，搭建仿真模型[9]，如下圖3。

圖3 仿真模型

2仿真分析

本文主要研究接觸網支柱發生短路對信號電纜的影響，所以最終是為了研究信號電纜上的相關電位，確定電纜是否會受到破壞也即擊穿。根據CDEGS中搭建的仿真模型，仿真時設置3個變量：短路電流I；土壤電阻率ρ；電纜距離鋼軌的水平距離d；改變以上3個參數值，仿真得出信號線上的電壓幅值。根據鐵道行業標準TB/T2476.1～4-93規定：鋁護套鐵路信號電纜纜芯對地的工頻耐壓水平為1800 V（2min），因此本文中設電纜的安全耐受電壓為1800 V[10]。

現保持短路電流I（2KA）和電纜距離鋼軌的水平距離d（0.5m）不變，改變土壤電阻率ρ，土壤電阻率ρ的變化范圍為100～1000Ω·m。將仿真得出的電纜上最高的電位值列于表2中。

表2 改變土壤電阻率得到電纜上最高電位

土壤電阻率（Ω·m）100200300400500

電壓 （V）16952347281032034075

土壤電阻率（Ω·m）6007008009001000

電壓 （V）49725873677276778585

從表2中可以看出，電纜上的電位隨著土壤電阻率的增大而增大，最高電位達到8585V左右。

再保持短路電流I（2KA）和土壤電阻率ρ（200Ω·m）不變，改變電纜距離鋼軌的水平距離d，d的變化范圍取為0.5～1.4m。將仿真得出的電纜上最高的電位值列于下表3中。

表3 改變電纜與鋼軌之間的水平距離得到電纜上的最高電位

距離（m）0.50.60.70.80.9

電壓 （V）23472411247225282580

距離（m）1.01.11.21.31.4

電壓 （V）26272671271127482781

從表3中可以看出，當增大電纜與鋼軌的水平距離時，電纜上的最高電位將不斷增大。分析可知，因為鋼軌與回流線相連，所以電纜越靠近鋼軌越能降低電纜上的電位；從表中還可以看出，電纜的敷設位置對電纜上的電位影響相對較小。

最后保持土壤電阻率（200Ω·m）和電纜距離鋼軌的水平距離d（0.5m）不變，改變短路電流I，I的變化范圍取為1000～3000A。將仿真得出的電纜上最高的電位值列于下表4中。

表4 改變短路電流得到電纜上的最高電位

短路電流（A）80010001200140016001800

電壓（v）93911731408164318782113

短路電流（A）200022002400260028003000

電壓（v）234725822817305232863521

從表4中可以看出，當增大短路電流時，電纜上的最高電位將不斷增大。

根據以上研究分析可知，短路電流、土壤電阻率以及電纜與鋼軌的水平距離是造成電纜上產生過高電壓的主要因素。在實際在場中，由于土壤電阻率等因素的相互作用給現場電纜安全評估造成了困難，本文作者根據電纜的安全承受電壓1800V為標準，研究了土壤電阻率等因素的影響規律，并做出了土壤電阻率等因素的安全臨界值變化曲線圖，如下圖4所示。

圖4 土壤電阻率等因素的安全臨界值變化曲線

上圖表示，在曲線下方電纜是處于安全的狀態，則曲線上方為危險狀態。在實際站場中，根據圖3可以有效地對電纜進行安全評估。例如，電纜距離鋼軌的水平距離D為0.5m、短路電流I為1400 A、土壤電阻率為600Ω·m，則根據上圖可以看出，由土壤電阻率和短路電流確定的點在電纜距離鋼軌的水平距離D為0.5 m表示的曲線上方，則可判斷此時電纜處于危險狀態。若短路電流I為600 A，則電纜就處于安全狀態。

以下是某站場發生支柱短路的事故中造成的信號電纜及信號設備損壞圖。

圖5岔道處配線端子被燒圖

圖6被燒損的信號電纜

圖7被燒損的繼電器設備

從以上仿真分析和圖片中可以看出，當大型站場中獨立接地支柱短路時，電纜上的承受電壓超過1800V，因此會對附近的信號電纜以及信號設備造成嚴重影響，甚至損壞。嚴重影響站場中的正常運輸，造成巨大的經濟損失，對我國高鐵的發展造成嚴重的影響。

3總結

本文通過CDEGS建立仿真模型，得到以上數據，通過分析可以得出：對于較大站場來說，由于中間位置沒有鋪設貫通地線，當支柱發生短路時，從上面的仿真結果來看，埋設地下的信號線將面臨擊穿的危險。若信號線被擊穿，短路電流或雷電流將順著信號線入侵到信號設備中，從而造成信號設備的損壞。通過總結可以得到以下幾點結論：

1、站場單獨接地支柱發生短路時，附近電纜上靠近短路支柱處的電位值最高。土壤電阻率、支柱短路電流以及電纜到鋼軌的水平距離均會影響信號電纜承受的短路過電壓幅值，其中土壤電阻率和支柱短路電流是主要因素。信號電纜上電位幅值與三者近似為線性關系。

2、由表2可以得到，土壤電阻率對電纜上的電位具有較大影響，所以可以考慮通過降低土壤電阻率來降低電纜上的電位，因此可以考慮降低支柱周圍的土壤電阻率來達到降低電纜的承受電壓，以保證電纜的安全。由表3可以得到，電纜距離鋼軌越近，電纜上的電位越低，這是因為鋼軌與回流線相連，對降低電纜上的電位具有一定的作用。因此可以將地電纜盡量靠近鋼軌埋設，考慮到當鋼軌上有列車經過時也會有較大的電流流過鋼軌，所以電纜不能太靠近鋼軌，本文建議電纜距離鋼軌的水平距離為0.5m。

3、本文通過分析土壤電阻率等因素對電纜上電壓的影響規律，根據電纜的安全承受電壓，做出了土壤電阻率等因素的安全臨界值變化曲線圖（如圖3所示），此圖為實際站場中判斷電纜安全狀態提供了依據，只要知道土壤電阻率等參數就可以根據此圖做出相對準確有效地判斷，對站場中電纜安全評估具有重要意義。

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