高速鐵路10～35 kV電力電纜與信號電纜平行間距研究

熊 偉

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

為減少強、弱電電纜溝在鐵路路基上的占用空間，節(jié)約工程投資，高速鐵路常采用集成化方案，電力電纜溝和信號電纜溝均設(shè)于路基上[1-3]。10 kV及以上電力線路采用單芯電纜后，由于每根電力電纜與信號電纜所處位置不對稱，三相電力電纜的工作電流將在信號電纜芯線上產(chǎn)生縱向感應(yīng)電壓[4-7]。當(dāng)感應(yīng)電動勢過高時，將影響信號設(shè)備正常工作，甚至造成損壞信號設(shè)備、危及人員安全、引起火災(zāi)等嚴(yán)重后果。因此電力線路與信號電纜線路在敷設(shè)時，需要保持一定的安全距離，以防止信號電纜線路中縱感應(yīng)電動勢超過允許值。

國內(nèi)外學(xué)術(shù)機構(gòu)分別從信號電纜芯線上的縱向電動勢及電力電纜和信號電纜平行敷設(shè)間距兩個方面對信號電纜提出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8-12]。

歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(CENELEC)在EN 50121系列標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，在強電線路處于正常運行狀態(tài)時，信號電纜芯線上的縱向電動勢允許值最大為60 V；在電力線路處于故障運行狀態(tài)時，對于電信明線線路允許通信導(dǎo)線上的縱向電動勢值最大值為430 V。我國TB/T 3100.1～3100.1.6《鐵路數(shù)字信號電纜》規(guī)定：信號電纜的線芯對屏蔽與金屬套的絕緣試驗電壓為50 Hz2 min2 000 V[13]。TB/T 2476.1～2476.4《鐵路信號電纜》中規(guī)定：信號電纜的線芯對屏蔽與金屬套的絕緣試驗電壓為50 Hz2 min1 800 V[14]。

對于電力電纜和信號電纜平行敷設(shè)的最小間距，GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第5.3.5中規(guī)定：不同使用部門的電纜平行間距，最小間距為0.5 m，用隔板分隔或電纜穿管時可為0.1 m；TB 10623—2014《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》第13.4.6條規(guī)定：10 kV貫通線電力電纜與通信信號電纜并行敷設(shè)時，兩者之間應(yīng)設(shè)實體隔斷，10 kV貫通線電力電纜與信號電纜之間允許的最小間距為100 mm。

由此可見，雖然我國標(biāo)準(zhǔn)對10 kV貫通線電力電纜與信號電纜之間的間距做出了相關(guān)規(guī)定，但僅限于穩(wěn)態(tài)工況，對電力系統(tǒng)接地短路電流、平行長度、屏蔽措施等工況下的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)未做相關(guān)規(guī)定。

為研究電力電纜故障運行時的故障電流對信號電纜的電磁影響，本文基于TB/T 3100.1～3100.1.6中規(guī)定的信號電纜線芯縱向電動勢允許值1 530 V，通過建立有貫通地線的鐵路三相電力電纜單相短路故障時對鄰近敷設(shè)的信號電纜產(chǎn)生縱向感應(yīng)電動勢的計算模型，提出不同電壓等級下電力電纜和信號電纜平行敷設(shè)的推薦間距值。

2 感應(yīng)電壓計算模型

在電氣化區(qū)段，電力電纜、信號電纜和貫通地線的布置示意如圖1所示。圖1中：ddx為電力電纜和信號電纜的軸間距；dxg為信號電纜和貫通地線的軸間距；ddg為電力電纜和貫通地線的軸間距。圖2為電力電纜和信號電纜沿線敷設(shè)情況。電力電纜的護(hù)套采用一端接貫通地線，另一端通過護(hù)層保護(hù)器接貫通地線的接地方式，分段長度為1 km。信號電纜的護(hù)套采用單端接貫通地線的接地方式，分段長度為1 km。兩根貫通地線平行間距為10 m，每隔500 m互聯(lián)1次，貫通地線每隔50 m設(shè)置1處接地。

圖1 電氣化鐵路電力電纜和信號電纜布置示意(單位：mm)

圖2 鐵路電力電纜和信號電纜沿線敷設(shè)情況(單位：m)

電力電纜型號為YJV63-18/20(3×50)，鋁護(hù)套信號電纜導(dǎo)體的直徑為1 mm，絕緣層為實心聚乙烯絕緣結(jié)構(gòu)，厚度為0.6 mm，鋁護(hù)套厚度為1.5 mm，電阻率為 2.83× 10-8Ω·m。貫通地線一般為截面積35 mm2的裸銅線，在橋梁和隧道區(qū)段，貫通地線設(shè)置在電纜槽中，因此貫通地線采用半徑為3.3 mm的裸銅線建模。

小電阻接地系統(tǒng)出現(xiàn)頻率較多的故障類型是單相絕緣擊穿導(dǎo)致的對地短路，根據(jù)對稱分量法，其大小與故障點到電源的距離有關(guān)，距離越大，故障回路中的正序阻抗和負(fù)序阻抗越大，短路電流越小。而零序阻抗與中性點的接地電阻正相關(guān)，零序阻抗越大，短路電流也越小。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，通常小電阻接地系統(tǒng)的單相短路電流有效值不大于400 A[1]。

不接地系統(tǒng)發(fā)生單相短路時，非故障相某些絕緣薄弱點可能在電壓上升之后發(fā)生絕緣擊穿，故不接地系統(tǒng)出現(xiàn)頻率較多的故障類型是兩相不同位置導(dǎo)體對護(hù)套短路的情況。此時，故障電流不再是電容電流，而是在兩相與地組成的回路中的電流，電流值將大幅增大。在兩個故障點之間的區(qū)間，電力電纜的故障相電流遠(yuǎn)大于非故障相電流，與小電阻接地系統(tǒng)相比，對信號電纜的影響嚴(yán)重很多，因此高速鐵路中一般為小電阻接地系統(tǒng)，本文也以此作為主要工況進(jìn)行研究。

仿真中設(shè)置電力電纜每一相相電流均為50 A，三相電力電纜品字形敷設(shè)，信號電纜護(hù)套每隔1 km單端接地。按照鐵路工程通用參考圖通號(2016)9301《鐵路綜合接地系統(tǒng)》搭建貫通地線模型，在鐵路兩側(cè)各設(shè)置1條截面積35 mm2貫通地線，電力電纜發(fā)生單相接地故障，取每千米貫通地線接地電阻分別為0.5、2.5、5 Ω，詳見圖3。圖3中，每個模塊的電纜長度為500 m，設(shè)置了4個模塊，實際仿真是20個模塊，總長為10 km。模塊內(nèi)部如圖4所示，由10段50 m長的線路組成，每段線路由三相電力電纜、信號電纜和兩根貫通地線組成。

圖3 電力電纜對地短路仿真模型

圖4 仿真模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 感應(yīng)電壓計算結(jié)果

3.1 電力電纜對信號電纜感應(yīng)電壓

電力電纜中性點采用小電阻接地系統(tǒng)，接地電流限制400 A，故仿真中設(shè)置電力電纜品字形敷設(shè)，距離信號電纜最近相為故障相，相電流為400 A，其他兩相為正常相，相電流為50 A，信號電纜護(hù)套每隔1 km單端接地，改變電力電纜和信號電纜的軸間距、電力電纜和貫通地線的軸間距以及貫通地線每千米接地電阻，得到信號電纜的感應(yīng)電壓如表1所示。由于信號電纜感應(yīng)電壓與電力系統(tǒng)接地短路電流以及平行敷設(shè)長度呈線性關(guān)系，為使結(jié)果具有普適性，信號電纜感應(yīng)電壓均除以電力系統(tǒng)接地短路電流以及平行敷設(shè)長度，單位為V/(A·km)。

從表1可以看出：

(1)當(dāng)電力電纜和信號電纜的間距相同時，貫通地線越靠近電力電纜，信號電纜上的感應(yīng)電壓越小；

(2)貫通地線越靠近信號電纜，信號電纜上的感應(yīng)電壓越小；

(3)貫通地線接地電阻越小，信號電纜上的感應(yīng)電壓越小。

在電力電纜與信號電纜的軸間距相同時，貫通地線與電力電纜的軸間距越小，信號電纜的感應(yīng)電壓越小，當(dāng)信號電纜與貫通地線緊貼時，信號電纜上的感應(yīng)電壓最小。這是因為貫通地線兩端接地時，與大地構(gòu)成回路，由于電力電纜的不對稱交變電流，該回路上會感應(yīng)出與電力電纜電流相位相反的感應(yīng)電流，該電流與電力電纜的電流在信號電纜引起的感應(yīng)電壓是抵消的作用。

表1 信號電纜感應(yīng)電壓值

3.2 電氣化鐵路信號電纜感應(yīng)電壓

根據(jù)TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》及TB10623—2014《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，ZPW-2000軌道電路傳輸電纜長度不應(yīng)超過10 km，其中300 km/h及以上的高速鐵路不宜大于7.5 km。滿足TB/T 2476.1～4—2017《鐵路信號電纜》的電纜用于信號點燈、轉(zhuǎn)轍機動作、站間聯(lián)系信息、非移頻信號的25 Hz軌道電路以及高脈沖軌道電路送、受端。站聯(lián)電纜傳輸長度一般不超過20 km，其中，站聯(lián)信息在高鐵中一般通過光纖傳輸，在普速線上通過電纜傳輸，其傳輸長度為兩站間距離的1/2。因此，為給出最嚴(yán)苛工況下，電力電纜與信號電纜的敷設(shè)間距，二者平行敷設(shè)的距離取10 km。

在表1電力電纜對信號電纜的感應(yīng)電壓的基礎(chǔ)上，再考慮電化區(qū)段牽引供電系統(tǒng)正常工況對信號電纜最大感應(yīng)電壓ΔU=300 V的影響，計算得出不同間距下信號電纜感應(yīng)電壓如圖5所示。

圖5 電氣化鐵路信號電纜感應(yīng)電壓

由圖5可知，對于電氣化鐵路，當(dāng)電力電纜與信號電纜平行長度為10 km，電力系統(tǒng)采用小電阻接地方式、單相接地故障電流限制在400 A，且貫通地線與電力電纜間距小于100 mm時，電力電纜與信號電纜最小平行間距為100 mm。

4 感應(yīng)電壓測試試驗

選取溫州市域鐵路S1線惠民路站出線電纜區(qū)段進(jìn)行現(xiàn)場測試，測試現(xiàn)場示意如圖6所示。三相單芯電力電纜是惠民路站變電所的出線電纜，信號電纜與電力電纜在橋上同溝敷設(shè)，信號電纜總長169 m，其中橋上段長度142 m，路基段長度27 m，橋上一端的線芯、護(hù)套和鎧裝均短接后接在橋上的貫通地線上，另一端在橋下，供測量使用。電力電纜在溝內(nèi)品字形不換位蛇形敷設(shè)，信號電纜在溝內(nèi)直線敷設(shè)。電力電纜外徑49.5 mm，信號電纜外徑20 mm。電力電纜和信號電纜外皮之間的間距約為350 mm，電力電纜和貫通地線外皮之間的間距約為375 mm。

圖6 測試現(xiàn)場示意(單位：km)

本次實測驗證的信號電纜測試接線如圖7所示，信號電纜一端的6根芯線和屏蔽層接地，另一端芯線通過濾波器和示波器接地。接地均接至貫通地線。使用電流鉗測量電力電纜的電流。由示波器讀取芯線的縱感應(yīng)電動勢。在電力電纜單相短路測試中，示波器采用觸發(fā)工作模式，每次短路試驗利用電壓的上升沿信號觸發(fā)記錄波形。

圖7 信號電纜測試接線

單相短路時電力電纜的電流如圖8所示，信號電纜的感應(yīng)電壓如圖9所示。對單相短路時信號電纜的感應(yīng)電壓進(jìn)行傅里葉分析，得到基波和各次諧波的幅值如圖10所示。由圖10可知，單相短路電流有效值為303 A時，信號電纜的感應(yīng)電壓有效值為6.216 V，折合成單位長度感應(yīng)電壓有效值為0.144 V/(A·km)。

圖8 短路電流(A相)

圖9 單相短路時信號電纜的感應(yīng)電壓

圖10 信號電纜的感應(yīng)電壓諧波分析

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，電力電纜與信號電纜外皮間距約為350 mm，其軸間距約為385 mm；電力電纜與貫通地線外皮間距約為375 mm，其軸間距約為405 mm。仿真計算得出信號電纜感應(yīng)電壓為0.150 V/(A·km)，與現(xiàn)場測試結(jié)果0.144 V/(A·km)的誤差為4.2%，驗證了仿真模型的正確性。

5 結(jié)論

本文研究了電力電纜故障運行時的故障電流對信號電纜的電磁影響，主要結(jié)論如下。

(1)電氣化鐵路，電力系統(tǒng)采用小電阻接地，發(fā)生單相接地故障、故障電流限制在400 A，感應(yīng)電壓不超過1 530 V，貫通地線與電力電纜間距小于100 mm時，電力電纜與信號電纜最小平行間距為100 mm。

(2)為減小電力電纜對信號電纜的感應(yīng)電壓，在電氣化鐵路區(qū)段，貫通地線宜沿電力電纜貼近并行敷設(shè)，在非電氣化鐵路區(qū)段，貫通地線宜沿信號電纜貼近并行敷設(shè)。

(3)電力電纜與信號電纜長距離平行敷設(shè)時，減少電力電纜對信號電纜干擾的主要措施有：限制電力電纜的接地故障電流，10 kV電力電纜中性點宜采用小電阻接地；20 kV、35 kV電力電纜中性點應(yīng)采用小電阻接地。