通信電纜受高速鐵路接觸網(wǎng)電磁感應(yīng)影響的分析研究

谷海龍遲耀丹楊小天慕雨松譚天洪

(1:吉林建筑大學(xué)電氣電子信息工程學(xué)院，長春 130118;2:吉林大學(xué)，長春 130021)

高速電力機(jī)車在運(yùn)行時(shí)，接觸網(wǎng)的接觸線中的電流高達(dá)1200 A，發(fā)生短路時(shí)超過上萬安培[1－2]，接觸網(wǎng)周圍將存在著巨大的電磁場.該電磁場會(huì)對臨近用于機(jī)車通信和機(jī)車控制的電纜上產(chǎn)生電磁感應(yīng)，感應(yīng)電壓和電流會(huì)干擾電纜中的通信信號(hào)，導(dǎo)致機(jī)車中的電子設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作，嚴(yán)重的將會(huì)影響到電力機(jī)車的安全運(yùn)行.因此，分析電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理，提高通信電纜的抗干擾能力具有十分重要的意義.

1 通信電纜上電磁感應(yīng)影響產(chǎn)生的原因分析及相關(guān)理論計(jì)算

1.1 原因分析

在電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)，接觸網(wǎng)、電力機(jī)車、鋼軌、大地、回流線形成閉合回路，接觸網(wǎng)中將有交變的電壓和電流存在，交變的電壓將產(chǎn)生電場，接觸線中交變的電流將產(chǎn)生磁場.此時(shí)處在電磁場中的通信電將受到電場和磁場的嚴(yán)重影響.根據(jù)影響結(jié)果可分為危險(xiǎn)影響和干擾影響兩方面 .

(1)危險(xiǎn)影響.危險(xiǎn)影響是由于接觸網(wǎng)附近的通信電纜在電磁場的作用下，產(chǎn)生感應(yīng)電壓進(jìn)而影響到人的生命安全.感應(yīng)電壓主要是由接觸網(wǎng)周圍的電場和磁場產(chǎn)生的.電感應(yīng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓原理如圖1所示.

圖1 容性耦合原理

圖中C11為接觸網(wǎng)對地產(chǎn)生的耦合電容;C12為接觸網(wǎng)與通信電纜之間產(chǎn)生的耦合電容;C22為通信電纜對地產(chǎn)生的耦合電容;Ut為接觸網(wǎng)電壓;Us是由耦合電容C22產(chǎn)生的感應(yīng)電壓.由于感應(yīng)電壓Us通過耦合電容實(shí)現(xiàn)，所以電感應(yīng)又稱容性耦合、電場耦合或靜電耦合[4].

磁感應(yīng)是指當(dāng)接觸網(wǎng)的接觸線中有交變電流通過時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生交變的磁場，處在磁場中的通信電纜由于磁耦合的作用，將在通信電纜上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，產(chǎn)生機(jī)理如圖2所示.

圖2 感性耦合原理

(2)干擾影響.干擾影響是通信電纜中的信號(hào)在感性耦合和容性耦合的影響下發(fā)生信號(hào)突變，導(dǎo)致不能正常傳輸信號(hào)的現(xiàn)象.在電場作用下，由于分布電容的存在，通信電纜的屏蔽層上產(chǎn)生靜電感應(yīng)分量，當(dāng)信號(hào)電纜屏蔽層接地，該分量將為零;同時(shí)，接觸網(wǎng)電壓產(chǎn)生的電場力線由于屏蔽層的存在終止于導(dǎo)體表面和地表面，導(dǎo)體內(nèi)部無此電場存在，內(nèi)部電勢處處相等.所以，容性耦合所產(chǎn)生的影響是微乎其微的，本文只需考慮感性耦合.

1.2 理論計(jì)算

感應(yīng)電壓的計(jì)算，是由電場產(chǎn)生感應(yīng)電壓Us的值采用鏡像法來計(jì)算，其計(jì)算原理圖如圖3所示.圖中1為帶電接觸網(wǎng);2為與接觸網(wǎng)臨近的通信電纜;r為接觸網(wǎng)接觸線的半徑;h為接觸網(wǎng)對地的高度;d為接觸網(wǎng)與通信電纜的距離.感應(yīng)電壓可通過下式計(jì)算:

圖3 鏡像法原理

由于接觸網(wǎng)中存在著電流i，在接觸網(wǎng)周圍產(chǎn)生磁場，通過磁場的耦合作用將在通信電纜上產(chǎn)生的縱向感應(yīng)電動(dòng)勢按下列公式計(jì)算:

式中，ω為接觸網(wǎng)基波電流角頻率;Mi為50 Hz時(shí)電信線路與接觸網(wǎng)之間的互感系數(shù)，H/km;Is為接觸網(wǎng)牽引電流，A;lp為接觸網(wǎng)與通信電纜的并行長度;λ為50 Hz時(shí)接近段內(nèi)各種接地導(dǎo)體的電磁綜合屏蔽系數(shù)，其中，λ=λGλEλKλL.屏蔽系數(shù)推薦值:λG為鋼軌屏蔽系數(shù):牽引變電所附近取0.2;雙線牽引變電所2000 m以外取0.45;單線牽引變電所2000 m外取0.55;λE為回流線屏蔽系數(shù)，取值為0.55～0.7;λK為受影響的電纜護(hù)套屏蔽系數(shù)，取值為0.1～0.5，對于電信電纜，取決于電纜金屬護(hù)套的結(jié)構(gòu);λL為干擾區(qū)域內(nèi)其他接地導(dǎo)體和元件的屏蔽系數(shù)建筑物密集區(qū)取值為0.7～0.8，農(nóng)村地區(qū)取值為0.9～1.0.對于兩個(gè)導(dǎo)體－大地回路間的單位長度互感，其值可按下式計(jì)算(3)

式中，a為兩回路之間的接近距離，m;ρE為大地電阻率，Ω·m;f為供電電源頻率，Hz.這里我們給出干擾影響雜音計(jì)電動(dòng)勢計(jì)算公式[5－6].

2 電磁感應(yīng)影響限值的確定和實(shí)例計(jì)算

2.1 影響限值的確定

危險(xiǎn)影響的限值可根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 6830－1986《電信線路遭受強(qiáng)電線路危險(xiǎn)影響允許值》來確定[7]，故障狀態(tài)下強(qiáng)電線路為一般電力線或交流鐵道接觸網(wǎng)時(shí)通信導(dǎo)線上的縱電動(dòng)勢允許值為430 V(有效值);正常運(yùn)行狀態(tài)下通信導(dǎo)線上縱電動(dòng)勢允許值為60 V，該值為有效值.干擾影響限值根據(jù)ITU/T的最新建議，電信線路上允許最大雜音計(jì)電動(dòng)勢為1mV.

2.2 實(shí)例計(jì)算

針對某軌道客車廠的實(shí)際項(xiàng)目，我們得到如下數(shù)據(jù):與高速動(dòng)車組并行5 m處有一通信電纜，并行長度3 km，接觸網(wǎng)等效高度5.3 m，接觸網(wǎng)等效半徑為8.56 mm，大地導(dǎo)電率為ρ=0.25×103 Ω/m，靜電綜合屏蔽系數(shù)為0.8，牽引電流1000 A.把以上數(shù)值代入公式(1)，Us=4.85 kV.由此可見，通信電纜上的感應(yīng)電壓是很大的，必須將其做接地處理.

計(jì)算縱感應(yīng)電動(dòng)勢時(shí)，各參數(shù)根據(jù)計(jì)算取如下數(shù)值:ω =314，Mi=0.8，Is=1000 A，Lp=3 km，λ=0.05445，將以上數(shù)據(jù)代入公式(3)中，計(jì)算得E=41 V.計(jì)算值小于規(guī)定限值60 V.所以感性耦合不會(huì)對通信電纜產(chǎn)生影響.干擾影響雜音計(jì)電動(dòng)勢計(jì)算時(shí)各參數(shù)取值如下:ω=502400，M800=0.75，Ie=4 A，Lp=3 km，λ =0.009，代入公式(4)，經(jīng)計(jì)算，Um=0.42 mV，小于 ITU/T的建議的限值1mV.因此，感性耦合產(chǎn)生的雜音計(jì)電動(dòng)勢不會(huì)影響通信電纜的正常通信.

3 高速鐵路對通信電纜影響的防護(hù)措施

高速動(dòng)車組在運(yùn)行時(shí)，接觸線中的電流較大，通過以上計(jì)算可知通信電纜上的感應(yīng)電壓極大，這將會(huì)對通信電纜的通信質(zhì)量和檢修人員造成嚴(yán)重影響，為此，必須對通信電纜采取防護(hù)措施.根據(jù)電磁兼容理論和實(shí)際工程情況，可以從以下兩方面采取措施:

(1)從干擾源方面下手，即在牽引供電系統(tǒng)上采取措施.①在接觸網(wǎng)中增設(shè)回流線圈.增加回流線圈以后，鋼軌電位和接觸網(wǎng)的等效阻抗將降低，這將大大削弱電磁感應(yīng)的影響;②在接觸網(wǎng)中串聯(lián)吸流變壓器和自耦變壓器，以減少供電臂的長度，從而減小對通信線路的電磁干擾.

(2)在通信電纜上采取措施，即提高通信電纜自身的抗干擾能力.①將非屏蔽電纜改為高性能屏蔽的鐵路專用通信電纜;②將金屬護(hù)套屏蔽層串接接地電阻做接地處理.實(shí)驗(yàn)證明，通信電纜屏蔽層接地將有效地屏蔽電場的影響，同時(shí)大大削弱磁場產(chǎn)生的影響;③在通信線路上設(shè)置雜音擬制器.

4 結(jié)語

高速鐵路通信電纜的通信質(zhì)量直接關(guān)系到列車的安全運(yùn)行和檢修人員的生命安全.本文結(jié)合有關(guān)電磁兼容理論和工程實(shí)際，對容性耦合和感性耦合產(chǎn)生的干擾機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并從接觸網(wǎng)、通信電纜兩方面采取了減少干擾源及提高通信電纜屏蔽效能等措施，從而達(dá)到在保障列車高速運(yùn)行電力供應(yīng)的同時(shí)，降低干擾，保證通信質(zhì)量目的.同時(shí)，對有關(guān)新建、改建的高速鐵路的實(shí)際情況，對如何采取針對性的電磁防護(hù)措施，有效抑制電磁干擾帶來的影響，在保障高速電力機(jī)車的安全運(yùn)行與檢修人員安全方面進(jìn)行了探討.

[1]常媛媛.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)對信號(hào)電纜電磁影響若干問題的研究[D].北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2011.

[2]肖小軍.鐵路電氣化對通信電磁影響的分析計(jì)算及其軟件系統(tǒng)開發(fā)[D].長沙:中南大學(xué)，2005.

[3]高大綱.電氣化鐵道供電系統(tǒng)對通信電纜線路的影響[J].鐵道通信信號(hào)，2006，42(1):30－32.

[4]陳 欣.鐵路通信線路電氣化干擾防治[J].大眾科技，2012，12(160):51－52.

[5]趙國謙.交流電氣化鐵道雜音干擾影響的理論計(jì)算[J].鐵道學(xué)報(bào)，1983，12(5):30－38.

[6]馮 博.淺議鐵路電氣化對通信線路和設(shè)備的影響與防護(hù)[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，10(4):53－56.

[7]國家標(biāo)準(zhǔn)局.電信線路遭受強(qiáng)電線路危險(xiǎn)影響的允許值GB 6830—1986[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1986.