電化區(qū)段信號(hào)電纜接地與燒損預(yù)防措施探討

李長(zhǎng)征

（中國(guó)鐵路通信信號(hào)股份有限分司北京工程分公司，北京 100070）

隨著鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，列車重量及列車速度不斷增加，牽引供電電流也隨之增加，特別是信號(hào)專業(yè)設(shè)置貫通地線后，牽引回流燒毀信號(hào)電纜的事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)信號(hào)設(shè)備造成的影響也越來(lái)越大,嚴(yán)重影響了鐵路運(yùn)輸?shù)恼Ｖ刃?。針?duì)近年來(lái)各鐵路局先后發(fā)生多起信號(hào)電纜燒損的事件作分析探討。

1 信號(hào)電纜燒損原因分析

1.1 電磁場(chǎng)引起的電流

鋼帶既有電阻又有電感，相當(dāng)一個(gè)電阻R和電感L線圈的串聯(lián)支路。由于電纜兩端接地，存有接地電阻，分別用Ra和Rb表示，模擬電路如圖1所示。假定某時(shí)刻磁場(chǎng)的方向如圖1所示，則感生電動(dòng)勢(shì)為a正和b負(fù)，感生電動(dòng)勢(shì)的大小為E=L di/dt。

其中L為鋼帶電感；di為在電纜鋼帶上產(chǎn)生磁場(chǎng)的牽引回流；dt為時(shí)間。設(shè)鋼帶電阻為R，則其阻抗為Z=R+jωL，不考慮鋼帶中電流的方向，則電磁干擾在鋼帶中產(chǎn)生的電流ig1：

從該公式可以看出，鋼軌的牽引電流越大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大，鋼帶中產(chǎn)生的感應(yīng)電流也隨之增大。

1.2 地回流在電纜鋼帶中產(chǎn)生的電流

1） 地回流。

牽引變壓器與鋼軌、大地的連接如圖2所示。

在牽引變電器X端，鋼軌和大地連接在一起，遠(yuǎn)離變電所的鋼軌與大地通過(guò)絕緣皮和石渣連接，相對(duì)隔離，鋼軌與大地的連接如圖3所示。由于鋼軌阻抗比鋼軌絕緣墊皮及石渣小得多，故電流大部分通過(guò)鋼軌回流。

鋼軌與地之間有許多分布小電容及阻抗，且并聯(lián)在一起。隨著鋼軌長(zhǎng)度的延伸，分布電容越來(lái)越大、阻抗越來(lái)越小，從鋼軌泄入大地的電流越來(lái)越大，從而地回流也逐漸增大。可以把鋼軌和大地分別視為一個(gè)電阻和一個(gè)線圈串聯(lián)。鋼軌和大地作為回流支路在通過(guò)回流的同時(shí)使鋼軌和大地產(chǎn)生互感，有互感電流生成。大地回流與互感電流疊加形成總的地電流。

2） 地電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生。

隨著鋼軌遠(yuǎn)離接地點(diǎn)距離的加大，在大回流的情況下，鋼軌壓降越來(lái)越大。由于地回路加長(zhǎng)，電感及電阻加大，兩者之間的互感加大。鋼軌與地之間經(jīng)分布電容、漏泄電阻、電感連接，形成電路，其模擬電路如圖3所示。

假設(shè)某一瞬間鋼軌回流的方向如圖4所示，地回流在大地產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，鋼軌和大地之間產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)，自感電動(dòng)勢(shì)與互感電動(dòng)勢(shì)疊加形成地電勢(shì)。

3）由地電動(dòng)勢(shì)形成的鋼帶電流因鋼帶兩端接地，如圖1所示，當(dāng)有地回流通過(guò)鋼帶兩接地點(diǎn)時(shí)，有地電勢(shì)產(chǎn)生（即鋼帶兩端的電勢(shì)差），設(shè)地電勢(shì)差為U，則地電流：

2 信號(hào)電纜屏蔽技術(shù)特性分析

鐵路信號(hào)電纜屏蔽層如何正確接地，對(duì)降低外部電磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)干擾水平起著重要作用，而近年來(lái)，隨著電氣化鐵路的發(fā)展，信號(hào)電纜燒損現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。信號(hào)電纜燒損往往影響面積大，恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)行車運(yùn)輸和行車安全有很大的負(fù)面影響。

信號(hào)屏蔽電纜的干擾源在外導(dǎo)線中電流產(chǎn)生的磁通以虛線同心圓表示，這些磁通的一部分包圍電纜芯線和其屏蔽層（可近似認(rèn)為包圍這兩種的磁通相等），稱為干擾磁通，如圖5(a)所示。它在電纜芯線和屏蔽層中感生出電勢(shì)Es，產(chǎn)生屏蔽層電流Is，如圖5(b)所示，電勢(shì)Es等于屏蔽層電流在屏蔽層電阻Rs和自感抗Xs上的電壓降落，即：

屏蔽層電流所產(chǎn)生的磁通包圍著屏蔽層，也全部包圍著電纜芯線，這些磁通和外導(dǎo)線產(chǎn)生的干擾磁通方向相反，故稱為反向磁通，在圖5(a)中以實(shí)線同心圓表示。按電磁感應(yīng)原理可知，在理想情況下，如果屏蔽層電阻為零，這種反向磁通可將干擾磁通全部抵消，即反向磁通在電纜芯中產(chǎn)生的互感電動(dòng)勢(shì)Er和干擾磁通在電纜芯中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)Es大小相等，方向相反。設(shè)屏蔽層對(duì)電纜芯的互感抗為Xm，則：

因屏蔽層將電纜芯完全包圍在內(nèi)，故Xm=Xs。從公式（4）可看出，如果屏蔽層電阻Rs=0，則Es=-Er。但是屏蔽層不可能沒(méi)有電阻，故干擾磁通在電纜芯中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)不能被抵消的部分為Es+Er= Is×Rs，即與屏蔽層的電阻成正比。因此，電阻系數(shù)小的材料做成屏蔽層效果好。

3 信號(hào)屏蔽電纜的接地

信號(hào)屏蔽電纜的平衡特性較差，因此良好的屏蔽完整性和良好的接地對(duì)屏蔽電纜來(lái)說(shuō)非常重要。屏蔽接地是為防止信號(hào)設(shè)備因受電磁干擾，而影響其工作或?qū)ζ渌O(shè)備造成電磁干擾的屏蔽設(shè)備接地。

采用帶屏蔽層的控制電纜，且屏蔽層在設(shè)備和控制室兩端同時(shí)接地，是國(guó)際通用的一種有效的二次回路抗電磁干擾措施。由IEEE變電所專委會(huì)工作組與繼電器環(huán)境分專委會(huì)工作組提出的“變電所中控制與低壓電纜系統(tǒng)的選擇和安裝”文件中，專門有一節(jié)“控制電纜的金屬屏蔽能降低感應(yīng)暫態(tài)電壓”談到相關(guān)問(wèn)題：“推薦帶屏蔽的控制電纜將屏蔽層在兩端接地。必須特別保持屏蔽的完整性，拆斷或分開屏蔽將極大地降低屏蔽效率；如果屏蔽只在一端接地，在非接地端的包皮對(duì)地將可能出現(xiàn)很高的暫態(tài)電壓?！?/p>

3.1 信號(hào)電纜屏蔽層兩端接地的優(yōu)點(diǎn)

1) 信號(hào)電纜為牽引回流暫態(tài)電流產(chǎn)生的磁通所包圍時(shí)，在電纜的屏蔽層中將感應(yīng)出屏蔽電流，由屏蔽電流產(chǎn)生的磁通，將抵銷牽引回流暫態(tài)電流產(chǎn)生的磁通對(duì)電纜芯線的影響。假定屏蔽作用理想，兩者共同作用的結(jié)果，將使被屏蔽層完全包圍的電纜芯線中的磁通為零，屏蔽層形成了一個(gè)理想的法拉第籠。這也和帶有二次短路線圈的理想變壓器一樣，鐵芯中的磁通將為零。當(dāng)然，屏蔽層的屏蔽作用，由于各種原因，不可能完全理想。

2) 屏蔽層兩端接地，可以降低由于地電位升產(chǎn)生的暫態(tài)感應(yīng)電壓。當(dāng)雷電經(jīng)避雷器注入地網(wǎng)、牽引回流注如地網(wǎng)，地網(wǎng)中的沖擊電流增大時(shí)，將產(chǎn)生暫態(tài)的電位波動(dòng)，同時(shí)地網(wǎng)的視在接地電阻也將暫時(shí)升高。對(duì)信號(hào)樓地電位升的測(cè)定結(jié)果說(shuō)明，與正常交流電阻相比，地電阻常增大10倍以上。當(dāng)信號(hào)電纜在上述地電位升的附近敷設(shè)時(shí)，電纜電位的波動(dòng)而受干擾。因此，接地浪涌電流引入的地電位升將可能對(duì)信號(hào)控制回路帶來(lái)嚴(yán)重影響。采用兩端接地的屏蔽電纜，可以將暫態(tài)感應(yīng)電壓抑制為原值的10%以下，是降低干擾電壓的一種有效措施。

3) 信號(hào)屏蔽電纜的屏蔽層有兩種接地方式，即兩端接地和一端接地。一端接地時(shí)，屏蔽層流為零；兩端接地使電磁感應(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)縱向電流，該電流產(chǎn)生一個(gè)與主干擾相反的二次場(chǎng)，抵消主干擾場(chǎng)的作用，顯著降低磁場(chǎng)耦合感應(yīng)電壓，可將感應(yīng)電壓降到不接地時(shí)感應(yīng)電壓的1%以下。

4) 信號(hào)電纜屏蔽層一點(diǎn)接地時(shí)，必然在另一端產(chǎn)生高暫態(tài)電壓。對(duì)人身和設(shè)備一樣存在隱患，電纜長(zhǎng)距離地下直埋敷設(shè)，不易做到確保是一端接地。

3.2 屏蔽電纜的屏蔽層兩端接地存在問(wèn)題

1) 接地網(wǎng)上出現(xiàn)短路電流或雷擊電流或牽引回流時(shí)，由于電纜屏蔽層兩點(diǎn)的電位不同，使屏蔽層內(nèi)流過(guò)電流，燒損電纜。

2) 當(dāng)屏蔽層內(nèi)流過(guò)電流時(shí)，對(duì)每個(gè)芯線將產(chǎn)生干擾信號(hào)。

4 防范措施及建議

4.1 疏通牽引電流，減少大地回流

1）提高軌道電路的傳輸性能，防止?fàn)恳娏骰亓鞑粫硢?wèn)題的發(fā)生。將各種連接線、中性連接線、吸上線等連接點(diǎn)予以加固或焊接；加大各種連接線、接續(xù)線的截面面積。

2）在上、下行線路間增加等電位線，以改善上、下行線間回流平衡。在小站一頭加等位線，大站兩頭加等位線，以減少鋼軌阻抗，提高鋼軌回流，減少大地回流，降低鋼軌對(duì)地的電位差。

4.2 屏蔽層接地

1）保護(hù)信號(hào)設(shè)備不受電磁感應(yīng)干擾是主要矛盾，在電氣化區(qū)段，站內(nèi)信號(hào)電纜宜采用單端接地，單端接地電纜不宜超過(guò)1 000 m。區(qū)間信號(hào)屏蔽電纜屏蔽層宜在兩端接地，按一定長(zhǎng)度多點(diǎn)接地。

2）保護(hù)好電纜外護(hù)層，以避免電纜敷設(shè)后電纜屏蔽層接地。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)既有工程實(shí)施的雙端接地和新建工程實(shí)施單端接地的特點(diǎn)，在遇到實(shí)際情況與現(xiàn)有執(zhí)行規(guī)范文件發(fā)生沖突時(shí)，從工程實(shí)際情況、實(shí)施可行性、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀等多方面進(jìn)行了分析，采取了確實(shí)可行的實(shí)施方案，降低信號(hào)設(shè)備事故發(fā)生率，減少行車干擾，為工程實(shí)施、維護(hù)管理提供參考。

[1]鐵建設(shè)[2009] 62號(hào) 關(guān)于發(fā)布鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范等44項(xiàng)鐵路工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)局部修訂條文的通知[S].

[2] TB10621-2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（條文說(shuō)明）[S].

[3]賴啟結(jié)．關(guān)于電纜屏蔽層接地問(wèn)題的探討[J]．廣東科技2009（16）：266-267.

[4]韓方雨，于華都．接地電阻值對(duì)防雷效果的影響[J]．鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2010（4）：75-76.