電氣化區(qū)段貫通地線敷設(shè)方法的研究

王 勇

(中國鐵建電氣化局集團(tuán)北方工程有限公司，山西太原 030053)

信號貫通地線是信號綜合接地系統(tǒng)的主要組成部分，沿線路兩側(cè)與信號電纜通溝(槽)敷設(shè)，充分利用沿線橋梁、隧道、路基地段內(nèi)的接地裝置作為接地體，形成低阻等電位，為信號設(shè)備接地提供平臺。近年來，由于列車速度及牽引重量的不斷提升，牽引電流也不斷增加，加之信號設(shè)備的電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，貫通地線中流過的電流也不斷增加，尤其在比較復(fù)雜的大型站場尤為明顯，信號電纜燒損的現(xiàn)象也時有發(fā)生，本文通過對電磁環(huán)境、牽引回流、接地連接方式和貫通地線敷設(shè)方式的分析研究，采取合理措施，有效降低了貫通地線的電流，降低了燒損信號電纜的風(fēng)險，保障了信號設(shè)備的安全運行。

1 貫通地線中感應(yīng)電流產(chǎn)生的原因

1．1 電磁場引起的電流

貫通地線沿線路敷設(shè)，每隔一定的距離與橋梁、隧道、路基地段內(nèi)的接地裝置連接，貫通地線與大地之間存在接地電阻，隨著貫通地線的不斷延伸，貫通地線與大地之間的接地電阻不斷減小，同時貫通地線存在電阻和電感。敷設(shè)在線路兩側(cè)的貫通地線實際上處于一個復(fù)雜的磁場中，因此將貫通地線和大地等效成電路圖如圖1所示，R1和R2分別為接地電阻，R和L分別為貫通地線的電阻和電感，假定磁場方向如圖1所示，di為產(chǎn)生磁場的牽引回流，dt為作用時間，則感應(yīng)電動勢為a正和b負(fù)，E=Ldi/dt，貫通地線的阻抗為Z=R+jωL，則貫通地線中產(chǎn)生的感應(yīng)電流為ig=E/(Z+R1+R2)=Ldi/dt(Z+R1+R2)。所以，當(dāng)鋼軌牽引回流越大，貫通地線中的感應(yīng)電流也越大。

圖1 模擬電路圖

1．2 地回流在貫通地線中產(chǎn)生的電流

牽引變壓器的輸出端的一端與接觸網(wǎng)相連，另一端與鋼軌和大地相連，牽引變壓器輸出的牽引電流經(jīng)過接觸網(wǎng)、牽引機(jī)車和鋼軌最終回到牽引變壓器，大部分牽引回流能通過鋼軌回流至牽引變壓器，由于鋼軌與大地之間通過軌枕、道砟分布著許多小電容及阻抗，這些小的阻抗是通過并聯(lián)形式連在一起，隨著鋼軌長度的延伸，分布電容會越來越大，阻抗也越來越小，從鋼軌向大地流泄的電流也越來越大，從而地回流也越來越大，等效電路圖如圖2所示。大地回流和鋼軌回流分別視為兩個回流支路，同時在貫通地線中產(chǎn)生感應(yīng)電流并形成疊加，因此貫通地線中的電流會隨著與距牽引變壓器的距離增加而增加。

圖2 鋼軌與大地等效模擬電路圖

1．3 信號電纜及信號設(shè)備的接地電流

貫通地線與信號電纜通溝敷設(shè)，為信號設(shè)備提供接地平臺，信號設(shè)備的接地端通過接地線與貫通地線采用“T”形連接，信號設(shè)備的接地電流通過貫通地線向大地泄流，同時，信號電纜的鋼帶和屏蔽層也會產(chǎn)生感應(yīng)電流(其產(chǎn)生原理同1．1所述)，此感應(yīng)電流也通過“T”形連接流向貫通地線，隨著信號設(shè)備和電纜數(shù)量的增加，貫通地線中的接地電纜也隨之增加。

1．4 牽引回流

我國大部分電氣化鐵路、客運專線和高速鐵路為雙線鐵路，區(qū)間采用無縫鋼軌加電氣絕緣節(jié)，站內(nèi)咽喉區(qū)為機(jī)械絕緣節(jié)，為了保證牽引回流的暢通，在機(jī)械絕緣節(jié)的位置設(shè)置扼流變壓器溝通牽引電流，由于線路上存在曲線造成同一股道的兩條鋼軌長度不完全相同以及兩條鋼軌對地之間的阻抗不同，造成兩條鋼軌中的牽引回流不同，由于上下行行車組織不同，造成兩股道上的牽引回流也不同，這樣就造成每股道的兩條鋼軌之間以及上下行股道之間的牽引回流存在差異，因而兩條鋼軌之間以及上下行股道之間存在電勢差，因此需要每隔一定距離的信號設(shè)備點設(shè)置空扼流變壓器平衡兩條鋼軌之間以及上下行股道之間的電勢差，這時，牽引回流會沿著空扼流變壓器的中間接點和信號設(shè)備的接地端子進(jìn)入貫通地線，并與其他感應(yīng)電流形成疊加。

1．5 雷電及其感應(yīng)電流

由于信號設(shè)備和鋼軌是處于自然界中，難免受到雷電襲擾，目前所有信號設(shè)備都有防雷裝置，當(dāng)雷電擊中鋼軌或信號設(shè)備時，雷電會沿著防雷裝置進(jìn)入貫通地線。在雷電發(fā)生的同時往往伴隨著強(qiáng)大的電磁場變化，因此在貫通地線以及信號設(shè)備中會產(chǎn)生瞬間感應(yīng)電流，這些瞬間電流也流向貫通地線，從而在貫通地線中形成強(qiáng)大的瞬間電流。

2 貫通地線燒損信號電纜及設(shè)備的原因分析

通過以上分析，貫通地線中同時存在多種電流的疊加，這些疊加有時是相互抵消的，有時是正向疊加而增強(qiáng)的。隨著貫通地線的延伸，貫通地線會經(jīng)過不同地質(zhì)和不同構(gòu)筑物，貫通地線與大地間的漏泄電阻也會因此不同，所以在某些特殊地段或特殊時段，貫通地線中電流會特別大，因此產(chǎn)生的熱量也會瞬間增大，對信號電纜和信號設(shè)備造成威脅，嚴(yán)重時會燒損信號電纜和設(shè)備。

2．1 貫通地線中電流增大的地段分析

1)距離牽引變壓器較遠(yuǎn)的地段。從本文1．1節(jié)的分析中不難看出，距離牽引變壓器越遠(yuǎn)，大地回流越大，貫通地線中的感應(yīng)電流也越大。2)特殊地質(zhì)地段。貫通地線沿鐵路敷設(shè)，由于地質(zhì)和土質(zhì)存在的差異，貫通地線與大地之間的漏泄電阻存在較大差異，當(dāng)經(jīng)過石質(zhì)地段、混凝土電纜溝槽、復(fù)核材料電纜溝槽、長大隧道地段和長大橋梁地段時，貫通地線與大地之間的漏泄電阻會迅速下降，貫通地線中的電流會迅速增大。3)大型場站和特殊站型地段。大型鐵路場站，股道較多，牽引電流在上下行方向的分配差異較大，每條股道的牽引回流差異較大，股道之間的電勢差較大。大型場站信號電纜和信號設(shè)備較多，所產(chǎn)生的感應(yīng)電流、漏流也較多，因此貫通地線中電流較大。一般情況下，在車站的進(jìn)站口和區(qū)間信號點設(shè)置空扼流變壓器和吸上線，將鋼軌牽引回流引至回流線，但在某些特殊站型的場站，由于上下線路分離或者兩處吸上線位置較遠(yuǎn)，造成特殊地段的貫通地線中牽引回流增大。

2．2 貫通地線中電流增大的時段分析

1)由貫通地線中電流產(chǎn)生的原因分析中不難看出，貫通地線中電流的大小并不是恒定的，在某些時段或瞬間會異常升高，持續(xù)的時間長短也不相同。當(dāng)高速、重載列車通過，行車密度較大或在列車爬坡時段，鋼軌中的牽引回流就會升高，從而引起貫通地線中的電流也增大。2)在雷電密集的時段，由于受到雷電產(chǎn)生的磁場的影響，在短時間內(nèi)，鋼軌、信號電纜、信號設(shè)備將產(chǎn)生極大的感應(yīng)電流，這些電流通過貫通地線向大地泄流。當(dāng)雷電擊中鋼軌或信號設(shè)備，將在貫通地線中引起極大的浪涌電流，對信號設(shè)備構(gòu)成極大威脅。

3 貫通地線敷設(shè)方法的研究

目前，貫通地線一般為35 mm2或70 mm2的銅質(zhì)導(dǎo)線，沿鐵路線路一側(cè)或兩側(cè)敷設(shè)，信號設(shè)備接地端、電纜屏蔽端與貫通地線“T”形連接，并與沿線的橋梁、隧道、路基地段內(nèi)的接地裝置、信號樓的綜合接地系統(tǒng)相連接，構(gòu)成低阻等電位聯(lián)結(jié)。由于貫通地線中的電流隨敷設(shè)地段、連接設(shè)備的不同而存在差異，隨著所處環(huán)境和列車運行而產(chǎn)生波動，因此，需要針對施工中的實際情況，采用措施，降低貫通地線中的電流，保證信號設(shè)備和電纜的安全。

3．1 增大線徑和增加接地點

增大線徑和降低接地電阻是降低貫通地線中電流的最有效的方法，可根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在距離牽引變壓器較遠(yuǎn)的地段、接地電阻較低的地段、長大橋梁和長度隧道地段，采用增大線徑的敷設(shè)措施，可以采用敷設(shè)雙貫通地線或沿線路兩側(cè)敷設(shè)的措施，將線路兩側(cè)的設(shè)備和電纜分別與兩條貫通地線連接。在長大橋梁和隧道地段，要增加與橋梁和隧道接地體的連接點，并對各連接的接地電阻進(jìn)行測試，當(dāng)接點的接地電阻大于1 Ω時，需要增加接地點，直至接地電阻小于1 Ω。

3．2 電纜屏蔽層與貫通地線的連接方法

根據(jù)國際通用慣例，控制電纜的屏蔽層采用兩端接地，并且，電纜的屏蔽層不得斷開，這樣才能保持屏蔽層的完整性，保證控制電纜不受到外部電磁干擾，但是，電纜屏蔽層中產(chǎn)生的感應(yīng)電流會影響到其中的控制電纜，電纜屏蔽層與貫通地線的科學(xué)合理的連接，對于保證信號電纜和信號設(shè)備至關(guān)重要。根據(jù)多次現(xiàn)場實際測量分析和施工經(jīng)驗，區(qū)間電纜的屏蔽層應(yīng)采用兩端接地，并每隔1 km左右，增設(shè)與貫通地線的接地點，保證電纜屏蔽層的電流向大地泄流，降低屏蔽層中的感應(yīng)電流。站內(nèi)電纜應(yīng)采用單端接地，即在信號樓分線盤出與綜合接地網(wǎng)連接，可有效降低站內(nèi)貫通地線中的電流。

3．3 大型場站及特殊站型車站的貫通地線敷設(shè)

大型鐵路場站的股道較多，牽引電流的分配不平衡較大，信號設(shè)備及信號電纜較多、電磁環(huán)境復(fù)雜，如果將站內(nèi)信號設(shè)備的接地端都接入一條貫通地線，貫通地線的電流將會迅速升高，對信號電纜及設(shè)備造成極大威脅，根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和施工經(jīng)驗，對于站內(nèi)股道數(shù)大于8或上下行股道數(shù)嚴(yán)重不平衡的車站，應(yīng)在站內(nèi)單獨敷設(shè)貫通地線，站內(nèi)貫通地線與信號樓的綜合接地系統(tǒng)相連，從而與區(qū)間貫通地線構(gòu)成低阻等電位。對于一般站型的車站，站場長度應(yīng)在2．5 km之內(nèi)，并且上下行站界相差不大，在上下行站界處設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)并經(jīng)過吸上線將牽引電流導(dǎo)入回流線。對于站場長度大于2．5 km且上下行站界相差大于100 m的車站，由于鋼軌中的牽引回流沒有及時通過吸上線導(dǎo)入回流線，上下行股道之間長距離內(nèi)未進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)，造成上下行股道之間的電勢差較大，需要采取對站內(nèi)各種連接線的線徑加大，同時加固中間接點的焊接點，以疏通牽引回流，并分別在上下行站界設(shè)吸上線，同時采用站內(nèi)貫通地線進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)。

4 結(jié)語

本文針對鐵路電氣化區(qū)段和客運專線貫通地線、信號電纜及設(shè)備產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因進(jìn)行分析，結(jié)合施工和調(diào)試過程中遇到的實際問題，通過大量的施工實踐，總結(jié)出了貫通地線的敷設(shè)方法以及信號電纜和設(shè)備與貫通地線的連接方法，降低了貫通地線、信號電纜中的感應(yīng)電流，為保障信號電纜和設(shè)備安全提供了借鑒，為日后施工和設(shè)備維護(hù)提供參考和幫助。

［1］ TB 10621-2009，高速鐵路設(shè)計規(guī)范［S］．

［2］ TZ 206-2007，客貨共線鐵路信號工程施工技術(shù)指南［S］．

［3］ 楊光虎．淺析綜合貫通地線存在的問題及解決措施［J］．鐵路通信信號，2011(10):89-92．

［4］ 李長征．電化區(qū)段信號電纜接地與燒損預(yù)防措施探討［J］．鐵路通信信號工程技術(shù)，2011(4):11-13．