HVDC對鐵路通信線路影響的仿真研究

呂思卓，文俊，劉連光，曹雯佳，周思玉

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市 102206)

0 引言

國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展促使我國的鐵路與電網(wǎng)建設(shè)得到跨越式發(fā)展。電力牽引與其他牽引方式相比，具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，因此電氣化成為我國鐵路實現(xiàn)跨越式發(fā)展的必然選擇［1］。鐵路提速對鐵路信號的安全穩(wěn)定性提出了更高的要求。高壓直流輸電(high-voltage direct current，HVDC)因其在遠(yuǎn)距離、大容量輸電方面的獨特優(yōu)勢成為我國電網(wǎng)跨越式發(fā)展的重要選擇。我國的高壓直流輸電工程在輸電總?cè)萘俊⒕€路總長度及最高電壓等級等方面均處于世界領(lǐng)先水平。

高壓直流輸電，特別是直流輸電線路，對鐵路信號系統(tǒng)是一個重要的干擾源。一方面，當(dāng)單極直流輸電工程的線路發(fā)生接地短路故障時，故障電流通過電磁感應(yīng)對附近的鐵路信號電纜會產(chǎn)生危險影響，可能導(dǎo)致信號電纜絕緣被擊穿，危及行車安全以及運(yùn)行、檢修人員的生命安全。另一方面，正常運(yùn)行時，換流器產(chǎn)生的諧波電流會對附近的鐵路通信線路中的音頻電話回路產(chǎn)生干擾影響。輕者將影響鐵路信號系統(tǒng)的正常運(yùn)行，產(chǎn)生錯誤的信號輸出，影響運(yùn)輸效率，重者會使信號設(shè)備燒毀，威脅鐵路運(yùn)輸安全。

有關(guān)鐵路信號電纜受強(qiáng)電線路干擾影響的研究是:①鐵路牽引供電系統(tǒng)對信號電纜的影響。文獻(xiàn)［2］闡述了牽引供電系統(tǒng)對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾信號的原理，深入分析了造成干擾的原因，研究了干擾信號影響鐵路信號系統(tǒng)的方式和途徑;文獻(xiàn)［3］建立了鐵路10 kV三相單芯電力電纜對鄰近的信號電纜產(chǎn)生縱向感應(yīng)電壓的計算模型，結(jié)合仿真計算分析了電力電纜短路時對信號電纜的影響;文獻(xiàn)［4］計算和分析了電氣化鐵路電力電纜對信號電纜的干擾問題。②高壓直流輸電線路對電信線路的影響。文獻(xiàn)［5］評估了±800kV直流輸電線路對電信線路的感性耦合危險影響和干擾影響，分別用感應(yīng)電動勢和雜音電動勢作為評價影響大小的指標(biāo);文獻(xiàn)［6］分析了輸電線路等效干擾電流值對周圍通信回路的影響，結(jié)合對直流輸電工程中輸電線與通信線路相對位置的調(diào)查結(jié)果，得到對鄰近通信線路的干擾程度;文獻(xiàn)［7-8］針對直流輸電線路故障時，采用理論計算與實測對比相結(jié)合的方法推導(dǎo)出了感應(yīng)電動勢的計算公式。

本文基于電磁感應(yīng)原理，對直流輸電線路故障使鐵路通信線路上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，進(jìn)而出現(xiàn)危險影響的機(jī)理進(jìn)行了研究;在此基礎(chǔ)上，對感應(yīng)電動勢進(jìn)行計算，并基于PSCAD/EMTDC軟件平臺建立了單極兩端高壓直流輸電仿真模型，針對不同電壓等級、不同大地電導(dǎo)率以及不同接近距離下直流輸電線路的影響進(jìn)行仿真，其結(jié)果揭示了這些因素的危險影響及干擾影響的程度。

1 HVDC對鐵路通信線路影響的機(jī)理

1.1 危險影響

當(dāng)單極直流輸電系統(tǒng)的輸電線路發(fā)生接地短路故障時，HVDC控制系統(tǒng)通過快速調(diào)節(jié)作用，使故障電流的穩(wěn)態(tài)值保持較小，不超過額定電流的20%，穩(wěn)態(tài)電流通常不會對鐵路通信線路產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。但是在故障發(fā)生瞬間，由于直流線路的電容發(fā)生放電，會使故障電流的瞬時最大值達(dá)額定電流的3倍左右。故障電流的頻率大多為20～40 Hz，這些電流會通過耦合作用在鄰近的鐵路通信線路上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢［9］。感應(yīng)電動勢的計算有以下2種方法。

1.1.1 計算方法1

當(dāng)單極直流輸電系統(tǒng)線路發(fā)生接地故障時，故障電流在附近的鐵路通信線路上通過電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為

式中:E為通信線路上的感應(yīng)電動勢，V;ω為短路電流的視在角頻率，rad/s;Mi為30 Hz時導(dǎo)線間的互感系數(shù)，H/km;li為輸電線路與鐵路通信線路在第i段接近段的長度，km;Is為電短路電流的各頻率分量加權(quán)值之和，A;s、t為屏蔽系數(shù)［8］。

1.1.2 計算方法2

直流輸電線路短路電流與交流線路有所不同，線路正常工作時基本為直流電流，不會對鄰近鐵路通信線路產(chǎn)生感應(yīng)電壓。而在故障情況下，由于故障電流的快速變化會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。輸電線路發(fā)生故障時的等效電路如圖1所示。

圖1 直流輸電線路短路等值電路Fig.1 Equivalent circuit of DC transmission line in short circuit condition

由圖1列出暫態(tài)微分方程

式中:Ud為直流電壓，kV;Rt為輸電線路短路回路總的等效電阻，Rt=Rl+Ra，Ω;Rl為直流線路等效電阻，Ω;Ra為換流器的內(nèi)阻，Ω;Lt為短路回路總電感量，Lt=Ld+lpL;Ld為平波電抗器電感量，H;L為輸電線路對地的電感量，H/km;lp為輸電線路的長度，km;C為輸電線路的等效電容，F(xiàn);id為發(fā)生故障時換流站側(cè)的電流，kA。

解式(2)可得

故障電流變化率did/dt在直流輸電線路發(fā)生短路的瞬間，即t=0時能達(dá)到極大值

若故障發(fā)生在換流站附近時，lp=0，僅平波電抗器起作用。例如，當(dāng)Ud=500kV，Ld=0.5H，did/dt=1 kA/ms。換流器控制在5～10 ms內(nèi)起作用，此時故障電流一般為額定電流的2～3倍。由于計算是在換流站而忽略線路電容，而當(dāng)故障在直流線路上時，線路電容的放電電流為來自換流站側(cè)電流的kf倍。則故障線路由于電容放電的電流上升率為

式中:if為故障點處線路電容的放電電流，A;kf為線路的結(jié)構(gòu)系數(shù)，一般取0.2～0.3，無工程資料時取0.25。

那么，直流輸電線路上的任意點故障時，故障電流整流站的電流加上線路電容放電電流，則故障點來自整流站側(cè)電流變化率的最大值為

來自逆變站側(cè)故障電流的上升速率，因只有線路電容放電電流，線路故障電流變化率的最大值為

式中:l為直流輸電線路全長，km;li為直流輸電線路與通信線路間第i段接近段長度，km。

感應(yīng)電動勢計算公式為

將式(6)和式(7)帶入式(8)，則可以得到感應(yīng)電動勢。

1.2 干擾影響

直流輸電工程在換流時，換流器會產(chǎn)生大量諧波電流，這些諧波電流通過直流輸電線路傳播時，會在附近的空間內(nèi)感應(yīng)出交變的磁場，由于直流輸電線路與鐵路通信線路之間存在互感，因此會在通信線路上感應(yīng)出雜音電動勢。雜音電動勢的計算公式為［10］

式中:Zm800為800 Hz下的輸電線路和通信線路之間的磁耦合阻抗，Ω;K800為通信線路在參考頻率800 Hz下的(靜電)屏蔽系數(shù);Kgw為直流線路中架空地線的屏蔽系數(shù);η800為通信線路在800 Hz參考頻率下的敏感系數(shù)。

Ieq為等效干擾電流，其表達(dá)式為

式中:Ie(x)R、In(x)I分別是由整流器側(cè)和逆變器側(cè)諧波電流產(chǎn)生的等效干擾電流分量幅值，mA。由整流器或逆變器諧波電流所產(chǎn)生的的等效干擾電流為

式中:In(x)為線路在x處的第n次諧波電流的均方根值，mA;Pn為第n次諧波頻率下的視聽加權(quán)系數(shù);Hf為耦合系數(shù);n為諧波次數(shù);N為最高次諧波次數(shù)，通常取50。

2 HVDC對通信線路影響的限值

2.1 危險影響限值

我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高壓直流線路對電信線路危險影響防護(hù)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》［11］明確規(guī)定:當(dāng)直流輸電線路極導(dǎo)線發(fā)生接地故障時，通信線路的芯線上感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢允許值應(yīng)符合如下規(guī)定

式中:UDt為直流試驗電壓，取1800 V;US為直流輸電線路發(fā)生故障時，通信線路芯線上的感應(yīng)電動勢(峰值)，V。

2.2 干擾影響限值

在《電信工程設(shè)計手冊——長途光通信系統(tǒng)(鐵路專用網(wǎng))》中，關(guān)于鐵路通信線路產(chǎn)生受到干擾影響時，要求在通信線路中的音頻雙線回路終端所測量的雜音電動勢不大于表1中的值［12］。

表1 鐵路通信線路遭受影響的干擾限值Tab.1 Interference limit of influence on railway communication lines

3 HVDC對鐵路通信線路影響的仿真

直流輸電線路對鐵路通信線路的危險影響程度用感應(yīng)電動勢表示，感應(yīng)電動勢取決于:直流輸電線路電壓等級、直流輸電線路的結(jié)構(gòu)、直流輸電線路與鐵路通信線路的接近距離和接近長度、大地電導(dǎo)率、通信線路類型及其影響允許值等因素。干擾影響的評價指標(biāo)為雜音電動勢，由式(9)可知，影響鐵路通信線路上雜音電動勢的因素主要有等效干擾電流、直流輸電線路與通信線路間的接近距離，以及綜合靜電屏蔽系數(shù)等。

3.1 計算條件

本文以±500kV、1000 MVA單極直流輸電線路為例，計算直流輸電線路對鐵路信號電纜的危險影響和干擾影響，分別用感應(yīng)電動勢和雜音電動勢作為評價影響大小的指標(biāo)。當(dāng)直流輸電線路與信號電纜的水平距離d在0～1500 m變化時，針對直流架空線路對地的高度H分別為20、30、40、50 m，大地電導(dǎo)率 σ 分別為1 ×10－3、5 ×10－3、10 ×10－3和 30 ×10－3S/m，計算感應(yīng)電動勢E的大小;在等效干擾電流Ieq分別為1000、3000、6000 mA時計算雜音電動勢的大小。高速鐵路信號電纜放置在沿鐵路線的電纜槽中，直流輸電線路與信號電纜的平行長度取1 km，其中信號電纜的直流電阻相比直流輸電線路大得多。本計算中未考慮鐵路信號電纜屏蔽系數(shù)。

3.2 危險影響的各種因素

3.2.1 直流輸電線路架設(shè)高度的影響

當(dāng)σ=10×10－3S/m時，直流輸電線路架設(shè)高度H對感應(yīng)電動勢的影響見圖2。當(dāng)直流輸電線路與鐵路通信線路間的水平距離d小于100 m時，直流輸電線路架設(shè)的高度越低，信號電纜上的感應(yīng)電動勢就越大。而且當(dāng)直流輸電線路與鐵路通信線路間的水平距離小于100 m時，感應(yīng)電動勢的變化幅度很大。這是由于距離越近，電磁感應(yīng)作用越大，距離較遠(yuǎn)時，靜電場衰減嚴(yán)重所致。

圖2 高壓直流輸電線路架設(shè)高度的影響Fig.2 Effects of height of HVDC lines

3.2.2 水平距離的影響

由圖2結(jié)果表明，感應(yīng)電動勢E隨著直流輸電線路與信號電纜間水平距離d的增大而減小，這是由于直流輸電線路與信號電纜間的互感系數(shù)M隨d的減小呈快速增加趨勢，由式(1)可見，M的增加直接導(dǎo)致感應(yīng)電動勢呈相同規(guī)律的變化。水平距離是影響感應(yīng)電動勢的主要因素。

3.2.3 大地電導(dǎo)率的影響

當(dāng)H=30 m時，大地電導(dǎo)率σ對感應(yīng)電動勢的影響如圖3所示。結(jié)果表明:電導(dǎo)率越小，信號電纜上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢就越大。只有在接近距離大于500 m，而且大地電導(dǎo)率大于5×10－3S/m時，直流輸電線路對通信線路的感應(yīng)電壓滿足要求。而當(dāng)大地電導(dǎo)率很小時，即使接近距離大于1000 m，感應(yīng)電動勢仍然大于危險影響允許值。

3.2.4 直流輸電線路電壓等級的影響

當(dāng)直流輸電的電壓等級分別為 ±500、±660、±800、±1100kV時，得到電壓等級對感應(yīng)電動勢的影響如圖4所示。從圖中可看出，隨著直流線路電壓等級的升高，感應(yīng)電動勢相應(yīng)增大。這是因為直流輸電線路電壓等級越高，所產(chǎn)生的靜電場強(qiáng)度越強(qiáng)，通信線路上的感應(yīng)電動勢也就越大。還可以看到，水平距離d越短，感應(yīng)電動勢的變化幅度越大。

3.3 干擾影響的各種因素

等效干擾電路對雜音電動勢的影響結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，雜音電動勢U隨著輸電線路與鐵路通信線路間水平距離d的增大而減小，這是因為距離的變化引起2條線路間的耦合電感變化的結(jié)果。當(dāng)?shù)刃Ц蓴_電流為1000 mA時，即使通信線路與直流輸電線路水平很近，等效干擾電流在通信線路上的雜音電動勢也能滿足要求。當(dāng)?shù)刃Ц蓴_電流為6000 mA時，水平間距大于500 m時才能滿足要求。

圖5 雜音電動勢影響的計算結(jié)果Fig.5 Calculation results of disturbance voltage's influence

4 實例計算

本文對±800kV向家壩—上海特高壓直流輸電工程線路對渝黔鐵路地埋信號電纜危險影響進(jìn)行仿真計算。直流輸電線路運(yùn)行在單極方式下，直流架空線路與地面水平排列，運(yùn)行電壓為800kV，電流為4000 A，導(dǎo)線對地平均高度30 m，直流輸電線路采用6分裂導(dǎo)線，分裂導(dǎo)線直徑20 mm，將直流輸電線路與鐵路交匯的部分分為14段，其與鐵路信號電纜的相對位置如圖6所示［13］(為簡略，未考慮各類屏蔽系數(shù))。

圖6 直流輸電線路與渝黔鐵路地埋信號電纜相對位置Fig.6 Relative location of HVDC transmission line and signal cable in Yuqian railway

分別利用公式(8)和PSCAD仿真計算鐵路信號電纜上的感應(yīng)電動勢，計算結(jié)果見表2。

表2 感應(yīng)電動勢計算結(jié)果Tab.2 Calculation results V

由表可知，計算得到信號電纜芯線上的最大感應(yīng)縱電動勢為839 V，仿真得到信號電纜芯線上的最大感應(yīng)縱電動勢為1288 V，均未超過信號電纜感應(yīng)電動勢的限值1800×0.85 V=1530 V。

5 抑制措施

當(dāng)直流輸電線路對鐵路通信線路產(chǎn)生危險影響時，應(yīng)采取防護(hù)措施以保證人身和設(shè)備的安全。防護(hù)措施應(yīng)根據(jù)直流輸電線路和鐵路通信線路的等級、安全和質(zhì)量進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較來確定。可選用下列防護(hù)措施。

(1)在直流輸電線路方面:直流輸電線路與鐵路通信線路保持合理的隔距，一般應(yīng)大于500 m;在直流線路上裝設(shè)濾波器以減小直流側(cè)諧波;限制單極導(dǎo)線短路電流，如加大平波電抗器電感量;縮短接地故障時間［14］。

(2)在鐵路信號電纜方面:計算輸電線路正常運(yùn)行狀態(tài)下和短路故障下的危險影響，當(dāng)超過允許值時，對通信線路應(yīng)采用保護(hù)套電纜或安裝其他防護(hù)措施;受直流輸電線路影響的通信線路，其金屬護(hù)套應(yīng)安裝專用的屏蔽地線，當(dāng)有多根信號電纜時，應(yīng)對其保護(hù)套之間進(jìn)行屏蔽;電氣化鐵路區(qū)段內(nèi)應(yīng)采用帶有鋁護(hù)套的鐵路數(shù)字信號電纜［15］。

6 結(jié)論

本文計算了鐵路通信線路上感應(yīng)電動勢的大小，并建立了直流輸電線路對鐵路通信線路影響的模型，通過仿真計算，可以準(zhǔn)確、有效地確定直流輸電線路對鐵路信號電纜影響的相關(guān)數(shù)值。

(1)直流輸電線路發(fā)生短路故障時，在鐵路信號電纜上產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動勢，可能會對人產(chǎn)生危險影響，因此，在通信線路上應(yīng)加裝安全設(shè)備來保證通信線路的正常工作，維護(hù)人員的人身安全。

(2)在影響鐵路信號電纜上感應(yīng)電動勢的諸多因素中，直流輸電線路與信號電纜間水平距離的影響最大，因此只要加大直流輸電線路與信號電纜間的水平距離，即可有效降低信號電纜上的感應(yīng)電動勢。

(3)大地電導(dǎo)率越小，感應(yīng)電動勢越大。

(4)對于干擾影響，允許的等效干擾電流可達(dá)幾安培?！?00kV直流輸電工程中采用直流濾波器作為干擾影響防護(hù)措施時，在保證干擾影響不超過允許值的條件下，應(yīng)注意優(yōu)化直流濾波器配置。

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