淺議電纜故障電流對(duì)電氣化鐵路信號(hào)電纜的電磁影響

馮 哲

中鐵武漢電氣化局集團(tuán)有限公司北京分公司

淺議電纜故障電流對(duì)電氣化鐵路信號(hào)電纜的電磁影響

馮 哲

中鐵武漢電氣化局集團(tuán)有限公司北京分公司

我國(guó)目前在高速電氣化的鐵路建設(shè)方面取得了重要的發(fā)展成就，這一現(xiàn)代化的高速鐵路除了擁有良好的發(fā)展機(jī)遇之外，也面臨著一些挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的鐵路相比，高速電氣化的鐵路具有很多優(yōu)勢(shì)，比如無砟軌道和新型轉(zhuǎn)轍機(jī)以及高速動(dòng)車組等等。同時(shí)它的問題也較多，主要在于其供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和程序更加復(fù)雜，進(jìn)行動(dòng)車的牽引需要更多的能量，而且磁場(chǎng)變化大，容易造成附近電力系統(tǒng)的磁場(chǎng)發(fā)生不必要的變化而影響鐵路的信號(hào)。本文首先對(duì)電氣化鐵路信號(hào)電纜進(jìn)行了概述，然后討論了造成電氣化鐵路信號(hào)電纜電磁干擾的原因以及種類，最后提出了分析和計(jì)算電氣化鐵路信號(hào)電纜電磁影響的方法。

電纜故障電流；電氣化鐵路信號(hào)；電纜；電磁影響

一、電氣化鐵路信號(hào)電纜的概述

我國(guó)在近些年來十分重視電氣化鐵路的發(fā)展，尤其是在進(jìn)行鐵路的設(shè)計(jì)以及運(yùn)營(yíng)的過程中一直將重點(diǎn)放在電氣化鐵路的故障方面。電力電纜如果發(fā)生故障，容易導(dǎo)致信號(hào)電纜受到電流的干擾而產(chǎn)生電磁影響的問題。因此，要保證鐵路運(yùn)輸能夠正常安全運(yùn)行，需要提高以下幾個(gè)方面的質(zhì)量，一是提高鐵路信號(hào)電纜的質(zhì)量，二是提高信號(hào)設(shè)備的工作質(zhì)量，三是提高控制裝置的傳輸質(zhì)量。要保證上述三個(gè)方面的質(zhì)量，尤其要注意在高架橋上要進(jìn)行電力電纜和信號(hào)電纜的分別敷設(shè)，要提前分配好電纜槽，并且需要將二者統(tǒng)一進(jìn)行接入到底線。另外，還需要注意的是要保證電纜的間距，布置時(shí)要保證最大間距為一個(gè)電纜槽。

二、造成電氣化鐵路信號(hào)電纜電磁干擾的原因以及種類

首先，按照電路的線路以及電氣設(shè)備的干擾耦合作用可以將電磁的影響分為兩個(gè)方面，一是傳導(dǎo)耦合。具體來說，這是因?yàn)殡姎饣F路在供電時(shí)采用了不對(duì)稱的單相交流進(jìn)行牽引而影響了附近的電路和設(shè)備。二是火花放電。當(dāng)機(jī)車運(yùn)行時(shí)，電弓離線和接觸導(dǎo)線兩者產(chǎn)生了火花放電而影響了附近的弱電設(shè)施。從容性和感性以及阻性耦合這三個(gè)方面來看，電磁影響造成的干擾對(duì)象可以分為兩類，一類是干擾影響，也就是電氣設(shè)備在正常工作時(shí)受到了影響。干擾影響在進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要進(jìn)行仿真分析，需要以諧波電流作為分析的基礎(chǔ)。另外的一類是危險(xiǎn)影響。這一影響會(huì)對(duì)人身安全和設(shè)備安全造成威脅。進(jìn)行危險(xiǎn)影響的仿真計(jì)算需要以頻率作為分析的基礎(chǔ)。

其次，靜電耦合一般發(fā)生在接觸網(wǎng)牽引而產(chǎn)生電壓的情況下，此時(shí)接觸網(wǎng)存在的耦合電容會(huì)影響到電路和設(shè)備。這一類干擾的原理在于弱電路和地這兩者之間連接了電流源，此時(shí)在接觸網(wǎng)的兩端分別施加電壓的話，弱電線中會(huì)出現(xiàn)靜電感應(yīng)，感應(yīng)值的大小隨著接觸網(wǎng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度以及架設(shè)高度的變化而變化。帶有電荷的導(dǎo)體與周圍的電場(chǎng)共同發(fā)生作用使道題的電子進(jìn)行有規(guī)律的移動(dòng)，從而重新對(duì)電荷進(jìn)行分布而致使導(dǎo)體帶電。如果電纜沒有貼合緊密或者沒有無金屬套進(jìn)行保護(hù)，就很容易受到容性耦合的影響。

再次，磁影響也是影響鐵路信號(hào)的一個(gè)重要方面。其原理是當(dāng)接觸網(wǎng)牽引電流時(shí)一般容易產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)，再與弱電路進(jìn)行互感而產(chǎn)生感應(yīng)電的動(dòng)勢(shì)。弱電路和設(shè)施非常容易受到電磁的影響。在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的過程中，電壓的大小是隨著弱電線的長(zhǎng)度而變化的。在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中有著一個(gè)關(guān)鍵的要素就是屏蔽系數(shù)R，它在相位上恰好與接觸網(wǎng)的電流相反，此時(shí)兩者可以互相抵消而降低電磁的干擾。

最后，電位影響也是影響鐵路信號(hào)的一個(gè)方面。其原理是當(dāng)接觸網(wǎng)在進(jìn)行電流的牽引時(shí)容易出現(xiàn)電流通過鋼軌進(jìn)行回流的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象造成附近大地的電位升高，而同時(shí)與弱電線路以及設(shè)備較為接近的接地裝置其電位也會(huì)升高，造成電磁對(duì)其產(chǎn)生影響。

三、分析和計(jì)算電氣化鐵路信號(hào)電纜電磁影響的方法

首先，需要進(jìn)行電磁對(duì)信號(hào)電纜造成的影響進(jìn)行分析。當(dāng)電力電纜發(fā)生掛賬時(shí)，多數(shù)是出現(xiàn)了單相接地的故障，此時(shí)故障的瞬間會(huì)產(chǎn)生70-400A的電流，從而對(duì)信號(hào)電纜造成干擾。這種影響分為兩類，一類是地電流影響，還有一類是外皮回流影響。其中外皮回流的影響又分為兩個(gè)方面。一方面是電纜故障產(chǎn)生的電流通過了電纜的外皮而和地線進(jìn)行了回流接通。還有一方面是電纜外皮是雙端接地，所以在故障地線的回流過程中拾得了一部分電流。

其次，進(jìn)行信號(hào)電纜受到的電磁影響的計(jì)算。一是需要計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Es。根據(jù)以下的公式來計(jì)算：

Zs表示互阻抗，lpi表示接近段內(nèi)信號(hào)的第i個(gè)電纜距離干擾回路的長(zhǎng)度，Is表示故障電流；SR表示金屬護(hù)套，Sm表示同溝多纜，Sn表示實(shí)效屏蔽系數(shù)，ω表示干擾電流角的頻率；M表示互感系數(shù)。

另外，需要計(jì)算互感系數(shù)。根據(jù)以下的公式來計(jì)算：

信號(hào)電纜和貫通地線這兩者的距離越短，那么互感系數(shù)相應(yīng)增大，同時(shí)互感系數(shù)的M值在增長(zhǎng)上就會(huì)減緩。然后需要進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證。通過計(jì)算可以得出貫通地線的電動(dòng)勢(shì)為110.4V，信號(hào)電纜外皮的電動(dòng)勢(shì)為238V，而信號(hào)電纜芯線的電動(dòng)勢(shì)為348.4V。由此可以明確微小的電流都會(huì)造成信號(hào)電纜的外皮產(chǎn)生相對(duì)較大的電動(dòng)勢(shì)。

四、小結(jié)

任何電氣化設(shè)備都離不開故障的檢測(cè)和排除工作，我國(guó)在近些年來十分重視電氣化鐵路的發(fā)展，尤其是在進(jìn)行鐵路的設(shè)計(jì)以及運(yùn)營(yíng)的過程中一直將重點(diǎn)放在電氣化鐵路的故障方面。電力電纜如果發(fā)生故障，容易導(dǎo)致信號(hào)電纜受到電流的干擾而產(chǎn)生電磁影響的問題。在進(jìn)行故障的檢測(cè)和排除過程中，要根據(jù)實(shí)際情況有針對(duì)性的進(jìn)行分析和計(jì)算，找準(zhǔn)故障點(diǎn)，以最高的效率處理好故障，報(bào)障電氣化鐵路運(yùn)行的暢通。

[1]王婧倩，沈保國(guó).電氣化鐵路信號(hào)電纜接地對(duì)其屏蔽性能的影響[J].科技信息，2011，27:751-752.

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[3]常媛媛，張晨，范季陶，李天石.電氣化鐵路電力電纜故障電流對(duì)信號(hào)電纜的電磁影響[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2010，04:85-91.

馮哲(1982-)，男，山東寧陽人，工程師，本科，中鐵武漢電氣化局集團(tuán)有限公司北京分公司，研究方向：鐵道信號(hào)。