交流牽引供電系統(tǒng)對直流供電系統(tǒng)的干擾及防范措施研究

楊立新 張喜海 戴麗君

(1.中國鐵路設(shè)計集團有限公司，300251,天津; 2.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，210031，南京//第一作者，教授級高級工程師)

交流電氣化鐵路供電系統(tǒng)采用單相工頻交流電，其接觸網(wǎng)額定電壓為25 kV。城市軌道交通線路一般采用直流供電方式，牽引供電系統(tǒng)為1 500 V(或750 V)架空接觸網(wǎng)(或接觸軌)供電。隨著我國快速鐵路網(wǎng)的逐步形成及城市軌道交通的迅猛發(fā)展，城市軌道交通與高速鐵路不可避免地通過在有限的城市區(qū)域內(nèi)共用交通走廊來實現(xiàn)換乘，因此，越來越多的地段出現(xiàn)了交流電氣化鐵路和直流城市軌道交通線路近距離并行的情況。當(dāng)兩線近距離平行架設(shè)時，交流牽引供電系統(tǒng)對直流牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生電磁感應(yīng)影響，其通過電容耦合及電感耦合作用在直流供電系統(tǒng)設(shè)施上[1]；為確保線路安全正常運行，直流系統(tǒng)電壓需控制在1 000～1 800 V(或500～900 V)國標(biāo)范圍內(nèi)，鋼軌電位需控制120 V以內(nèi)。交流系統(tǒng)與鐵路直流供電系統(tǒng)互相干擾問題一旦出現(xiàn)，將會帶來嚴(yán)重的運營安全隱患，甚至導(dǎo)致列車不能正常運行。據(jù)調(diào)研，在我國某些車輛制造工廠的試驗線項目中，為節(jié)約土地，交、直流試驗線均緊鄰布置，導(dǎo)致線路運行過程中兩系統(tǒng)相互干擾影響而出現(xiàn)某些不正常故障，目前影響程度尚無明確結(jié)論和有效治理措施。

1 交流牽引供電系統(tǒng)對直流供電系統(tǒng)的影響分析

交流制式電氣化鐵路與直流制式城市軌道交通并行運行，當(dāng)交流電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)帶電運行時，形成一個巨大的電磁系統(tǒng)，對周圍環(huán)境產(chǎn)生電磁影響。一方面，交流牽引網(wǎng)帶電時在其周圍空間將產(chǎn)生一個工頻高壓電場，通過靜電感應(yīng)在鄰近的城市軌道交通直流牽引網(wǎng)導(dǎo)體上產(chǎn)生對地靜電感應(yīng)電壓；另一方面，交流牽引網(wǎng)導(dǎo)體中的交流電流在周圍空間中建立很強的交變磁場，通過電磁感應(yīng)在鄰近直流牽引網(wǎng)導(dǎo)體上產(chǎn)生沿線路方向的縱向感應(yīng)電動勢，如圖1所示。

圖1 交、直流牽引網(wǎng)電磁影響示意圖

1.1 對直流供電系統(tǒng)設(shè)備的影響

直流接觸網(wǎng)(軌)空載狀態(tài)下，直流電壓與交流干擾電壓疊加后，有可能產(chǎn)生危險過電壓(以DC 1 500 V為例，受干擾后峰值計算電壓可達到7 000 V)，這樣極有可能會危及控制和保護電纜、直流饋電電纜的安全運行以及直流系統(tǒng)整流器等設(shè)備的正常使用，從而造成避雷器頻繁放電、保護裝置跳閘，甚至是對電壓敏感元件的電擊穿等一系列故障。

直流接觸網(wǎng)(軌)負(fù)載狀態(tài)下，感應(yīng)電壓可能大幅度降低，可能導(dǎo)致測量誤差增大、繼電保護誤動等故障。

1.2 對直流供電系統(tǒng)車輛的影響

現(xiàn)代城市軌道交通車輛采用交流傳動技術(shù)，交流供電系統(tǒng)的感應(yīng)電壓一般不會導(dǎo)致其電力電子元件發(fā)生損害，但是城市軌道交通車輛上對電壓敏感的元件可能會被損壞。又因用于控制和保護交流供電系統(tǒng)設(shè)備的工作電源也是直接從受干擾的直流接觸網(wǎng)(軌)獲取的，直流電源由于受到交流電干擾，其電壓波形疊加了交流成分，再加上對電磁兼容考慮不周時可能會對控制和保護回路造成干擾，從而導(dǎo)致交流供電系統(tǒng)發(fā)生不明原因的故障。

1.3 對運營維修的影響

考慮到鐵路交流供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)帶電運行時，城市軌道交通直流供電系統(tǒng)部分設(shè)備(如牽引網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)電纜、接地扁鋼等)處于鐵路交流牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生的交變電磁場中，將通過靜電耦合和磁耦合在其周圍各平行導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，夜間檢修時由于缺少電流導(dǎo)通通路，對城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的運營檢修人員的安全產(chǎn)生一定影響。

總之，交流電氣化鐵路線路在運行時會在相鄰的直流接觸網(wǎng)(軌)產(chǎn)生電場感應(yīng)和電磁感應(yīng)，感應(yīng)電壓疊加后有可能產(chǎn)生危險過電壓，對變電所、接觸網(wǎng)、車輛設(shè)備等帶來一定的危害。根據(jù)調(diào)研和相關(guān)資料介紹，目前最嚴(yán)重的情況是偶爾引起車輛保護跳閘，但并未發(fā)現(xiàn)燒損現(xiàn)象；而對于一些重要的運輸干線，應(yīng)更多考慮其對信號系統(tǒng)的影響。交流牽引供電系統(tǒng)對運營維修的影響目前僅處于科研立項研究階段，尚無結(jié)論性意見，相信這也是未來行業(yè)研究和關(guān)注的熱點之一。

1.4 直流走行軌感應(yīng)電壓及其影響分析

考慮到直流走行軌與大地完全絕緣，電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)均會對鋼軌產(chǎn)生影響。為解決雜散電流的腐蝕問題，直流系統(tǒng)走行軌采用與大地絕緣的安裝方式。盡管上述理論可以計算直流走行軌產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，但實際上直流系統(tǒng)走行軌與大地之間存在可以導(dǎo)通交流電的分布電容和漏泄電阻，更重要的是直流系統(tǒng)設(shè)置了軌電位限制器，當(dāng)軌電位超過安全電壓允許的90 V時系統(tǒng)發(fā)生動作，將危險電壓泄放到大地[3]，因此一般情況下直流走行軌的感應(yīng)電壓不會對人身和設(shè)備造成危害。目前，既有的交直流試驗線尚未有直流系統(tǒng)走行回流軌受交流接觸網(wǎng)干擾的相關(guān)消息和報道。

2 交流感應(yīng)電壓的防范措施

由前述研究可知，若兩種制式下的鐵路電力機車和城市軌道交通列車不同時運行，只需做好相關(guān)設(shè)備的接地則可有效控制并避免相互干擾問題，否則必須采取必要的措施以解決相互干擾的問題。解決上述問題的主要原則和方法是“堵”和“疏”，“堵”就是應(yīng)用法拉第電籠概念將干擾源封閉在電籠內(nèi)，或是將受干擾設(shè)備封閉在電籠內(nèi)；“疏”則是將受干擾設(shè)備上的干擾電壓泄放到大地。

經(jīng)計算及工程實際調(diào)研，交流和直流牽引供電系統(tǒng)并行區(qū)段水平距離在20 m范圍內(nèi)的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)可對線路運營產(chǎn)生一定影響，因此提出以下技術(shù)方案。

2.1 直流系統(tǒng)相應(yīng)設(shè)施接地

在實際運營中，對交流和直流兩種制式下列車同時運行的工況進行實測，實測數(shù)據(jù)顯示，交流線路確實對直流線路產(chǎn)生影響。因此需通過調(diào)整運營組織和運行圖，使得同一時間段內(nèi)僅進行一種制式下列車的運行，但這種方式對線路運營影響極大。因此，可考慮采取如下措施，即當(dāng)感應(yīng)電壓超過要求值后，將城市軌道交通直流系統(tǒng)相應(yīng)設(shè)施接地。該措施僅可滿足試驗線路的需求，并不能應(yīng)用于運營線路并行、線路距離較近且可能產(chǎn)生較大感應(yīng)電壓的實際線路工程。

2.2 電磁屏蔽

金屬導(dǎo)線、金屬結(jié)構(gòu)的兩端或者多點接地對磁場均有一定的屏蔽作用，可在一定程度上降低磁影響。電磁屏蔽是解決磁影響問題的重要抑制措施之一。工程上通常采用良導(dǎo)體架空地線、架設(shè)在電信線路附件的屏蔽地線、電力或電信電纜的金屬護套，以及金屬管線和鐵軌等來實現(xiàn)電磁屏蔽。若交流輸電線路或被感應(yīng)線路附近存在平行的接地屏蔽線(見圖2)，此時被感應(yīng)線路上產(chǎn)生的感應(yīng)縱電動勢為交流線路和屏蔽線各自感應(yīng)縱電動勢的合成，這將能降低被感應(yīng)線路上的電壓。

圖2 屏蔽線相對位置示意圖

在實際工程中，可采用線間立柱增設(shè)屏蔽網(wǎng)(回流線)方案，該方案是不完全封閉的法拉第電籠方案。

2.3 設(shè)置感應(yīng)電壓吸收裝置

根據(jù)電磁感應(yīng)電壓生成原理，在直流側(cè)接觸網(wǎng)上設(shè)置感應(yīng)電壓吸收裝置。該裝置的工作原理為：當(dāng)交流側(cè)帶電，懸空直流接觸網(wǎng)的靜電感應(yīng)與電磁感應(yīng)的危險電壓就會通過感應(yīng)電壓吸收裝置將交流感應(yīng)電壓泄放至大地中。該裝置主要由開關(guān)、熔斷器、陷波支路及電壓、電流互感器、監(jiān)控裝置等組成，能夠?qū)ń涣麟娏魍瑫r阻止直流電流通過，其示意如圖3所示。考慮到設(shè)備的可靠性，建議在一個供電臂內(nèi)設(shè)置兩套感應(yīng)電壓吸收裝置，其安裝示意如圖4所示。

圖3 感應(yīng)電壓吸收裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 感應(yīng)電壓吸收裝置安裝示意圖

3 感應(yīng)電壓吸收裝置試驗測試

3.1 感應(yīng)電壓計算

3.1.1 靜電感應(yīng)電壓

交流電氣化接觸網(wǎng)靜電感應(yīng)電壓是一個工頻交流電壓，它由交流接觸網(wǎng)、直流接觸網(wǎng)位置、周邊屏蔽物以及干擾源交流電壓等因素決定，與交流線路接觸網(wǎng)導(dǎo)線是否存在負(fù)荷無關(guān)[2]。

鄰近受干擾導(dǎo)體的靜電感應(yīng)電壓uT計算公式為：

(1)

式中：

a——交流線路接觸網(wǎng)與城市軌道交通線路接觸網(wǎng)間的垂直距離，m；

b，c——分別為交流線路接觸網(wǎng)和城市軌道交通線路接觸網(wǎng)距離地面的高度，m；

uC——交流牽引網(wǎng)電壓，取25 kV；

RC——接觸線的等效半徑,mm；

k——靜電感應(yīng)常數(shù)，考慮到承力索的作用，單線k取0.4，復(fù)線k取0.6；

p——架空回流線屏蔽系數(shù)。

3.1.2 電磁感應(yīng)電壓

電磁感應(yīng)電壓uA的計算公式為：

uA=jωMJAIJlpλgλh

(2)

式中:

ω——角頻率，ω=2πf；

MJA——交、直流接觸線之間的單位互感；

IJ——接觸網(wǎng)中的電流；

lp——兩接觸線之間的平行長度；

λg——考慮鋼軌—大地回路的反磁效用的鋼軌屏蔽系數(shù)，一般單線可取0.47；

λh——架空線屏蔽系數(shù)。

在進行工程計算時，可將Carson公式代入式(2)，得到：

uA=[0.05+0.144 5lg(Dg/dJA)j]IJlpλgλh

(3)

式中：

Dg——導(dǎo)線—大地回路等值深度，m；

dJA——交直流接觸線的平行接近距離，m。

3.2 測試試驗

3.2.1 靜電感應(yīng)

測試試驗電路如圖5所示，將導(dǎo)線1、2通過絕緣子分別架設(shè)于固定裝置上，以連接測試用儀器和儀表的電源和信號線，導(dǎo)線1、2離地面高度均為1 m。導(dǎo)線1通過開關(guān)K11和K12接于27.5 kV交流電源，并通過開關(guān)K2控制感應(yīng)電壓調(diào)整器的接入與斷開。

圖5 靜電感應(yīng)電壓測試電路示意圖

3.2.2 電磁感應(yīng)

電磁感應(yīng)電壓測試電路如圖6所示。圖6中，導(dǎo)線1、2通過絕緣子分別架設(shè)于固定裝置上，從而連接測試用儀器和儀表的電源和信號線，導(dǎo)線1、2離地面高度均為1 m。導(dǎo)線1通過開關(guān)K11和K12接于230 V交流電源，通過閉合開關(guān)KA測量另一端的感應(yīng)電壓，并通過K2控制感應(yīng)電壓調(diào)整器的接入與斷開。調(diào)節(jié)調(diào)壓器和變阻器R，使得通過導(dǎo)線1的電流為400 A。為降低與導(dǎo)線1連接的導(dǎo)線造成的干擾，應(yīng)使d盡量大。

圖6 電磁感應(yīng)電壓測試電路示意圖

3.3 計算結(jié)果及測試結(jié)果

感應(yīng)電壓吸收裝置接入前后兩導(dǎo)線在不同dJA條件下的靜電感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電壓如表1～2所示。

4 結(jié)語

通過前述分析可知，交流制式電氣化鐵路與直流制式城市軌道交通并行運行，可對周圍環(huán)境產(chǎn)生電磁影響，其危害程度需要進行具體分析，并進行相應(yīng)的防護和治理。本文提出3種解決方案，其中不采取任何措施，僅依據(jù)線路運行中的實測數(shù)據(jù)進行運行調(diào)圖或視影響干擾情況確定是否接地的方案，難以在實際工程中實施，風(fēng)險亦較高；電磁屏蔽方案可實施性較高，但不能保證完全濾除干擾電壓,而且景觀性較差；感應(yīng)電壓吸收裝置綜合性價比最高，對工程、景觀均無影響，且投資較小，通過試驗測試結(jié)果可知,該方案可以較好地降低感應(yīng)電壓，但目前在國內(nèi)尚無運營線路應(yīng)用的先例，需要進一步跟蹤其進展。本文針對交直流干擾問題提出可以借鑒的解決方案，以期在今后的交直流干擾問題的處理中發(fā)揮應(yīng)有的作用，同時在類似的工程設(shè)計中應(yīng)結(jié)合不同的邊界條件，在采用推薦治理措施后必須進行測試與驗證，以確保牽引供電系統(tǒng)的安全可靠運行。

表1 感應(yīng)電壓吸收裝置接入前后兩導(dǎo)線在不同dJA條件下的靜電感應(yīng)電壓

表2 感應(yīng)電壓吸收裝置接入前后兩導(dǎo)線在不同dJA條件下的電磁感應(yīng)電壓