電氣化鐵路對(duì)通信電纜電磁干擾影響的計(jì)算及防護(hù)

黃 瑞 顧 聞

（中鐵二院武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，武漢 430070）

電氣化鐵路對(duì)通信電纜電磁干擾影響的計(jì)算及防護(hù)

黃 瑞 顧 聞

（中鐵二院武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，武漢 430070）

電氣化鐵路供電系統(tǒng)對(duì)通信電纜存在電磁干擾，結(jié)合工程實(shí)例，介紹直接供電方式接觸網(wǎng)對(duì)通信電纜線路危險(xiǎn)影響產(chǎn)生的原因、計(jì)算方法及防護(hù)措施。

電氣化；接觸網(wǎng)；危險(xiǎn)影響；防護(hù)

我國(guó)電氣化鐵路采用單相工頻交流供電制式,接觸網(wǎng)額定電壓采用25 kV。電力牽引的供電回路采用接觸網(wǎng)-鋼軌(大地)方式,屬于不平衡供電系統(tǒng),這種不平衡供電系統(tǒng),將對(duì)周?chē)臻g產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng),對(duì)鐵路沿線各種弱電設(shè)施存在電磁干擾影響。

1 電氣化鐵路對(duì)有線通信線路的電磁干擾影響

接觸網(wǎng)在正?；蚨搪饭收蠗l件下,由于感性、容性和阻性耦合,會(huì)對(duì)電氣化鐵路沿線的有線通信線路和設(shè)施造成電磁干擾影響。

1)感性耦合

感性耦合又稱磁影響。它是由接觸網(wǎng)牽引電流所產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng),通過(guò)通信線路與接觸網(wǎng)之間存在的互感而產(chǎn)生的對(duì)通信線路和設(shè)備的影響。其原理如圖1所示。

圖1 接觸網(wǎng)磁影響原理圖

2)容性耦合

容性耦合又稱為靜電影響。它是在由接觸網(wǎng)牽引電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)內(nèi),通過(guò)通信線路與接觸網(wǎng)之間存在的耦合電容而產(chǎn)生的對(duì)通信線路和設(shè)備的影響。其原理如圖2所示。

圖2 靜電感應(yīng)原理

3)阻性耦合

阻性耦合又稱地電位影響。接觸網(wǎng)牽引電流通過(guò)鋼軌回流時(shí),電流通過(guò)鋼軌泄露入地,使入地點(diǎn)及附近的大地電位升高,接近的通信線路或設(shè)備接地裝置的電位隨之升高,對(duì)通信線路和設(shè)備產(chǎn)生影響。

4)不同通信線路的主要干擾源

電氣化鐵路區(qū)段被干擾的通信線路主要有直埋電纜和架空電纜。架空電纜和直埋電纜由于與鐵路平行距離長(zhǎng),干擾源主要是接觸網(wǎng)牽引電流;直埋電纜的另一個(gè)干擾源是鋼軌牽引電流,該電流瞬時(shí)干擾量大,但作用距離短,而且鋼軌還具有屏蔽作用,干擾強(qiáng)度較弱。

2 危險(xiǎn)影響容許標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《電信線路遭受強(qiáng)電線路危險(xiǎn)影響的容許值》(GB 6830-86)的標(biāo)準(zhǔn),電信電纜的同一芯線上,任何兩點(diǎn)間的感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)在接觸網(wǎng)正常供電條件下和短路工作情況下的容許值如表1所示。

表1 危險(xiǎn)影響容許值

3 感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)計(jì)算與分析

3.1 計(jì)算公式

接觸網(wǎng)正常工作和短路故障狀態(tài)下,磁感應(yīng)影響在弱電線路上感應(yīng)產(chǎn)生的縱電動(dòng)勢(shì)為:

式中:

ω:接觸網(wǎng)基波電流角頻率;

Mi:50 Hz時(shí)電信線路與接觸網(wǎng)之間的第i段互感系數(shù) (H/km);

lp:電信線路與接觸網(wǎng)的接近長(zhǎng)度 (km);

λ:50 Hz鋼軌屏蔽系數(shù);

S:50 Hz電纜屏蔽系數(shù);

K:50 Hz電信線路鄰近接地導(dǎo)體對(duì)磁影響的屏蔽系數(shù)。

I:接觸網(wǎng)正常工作時(shí)取等效牽引電流Id(A);接觸網(wǎng)短路時(shí)取短路電流IS(A)。

當(dāng)通信線路的平行接近長(zhǎng)度超出一個(gè)以上供電臂時(shí),在計(jì)算感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)時(shí),應(yīng)分別對(duì)每個(gè)供電臂進(jìn)行計(jì)算,取其中較大值與容許值標(biāo)準(zhǔn)相比較;當(dāng)通信線路小于或等于一個(gè)供電臂長(zhǎng)度時(shí)或在某供電臂內(nèi)通信線分段使用時(shí),應(yīng)按通信線路在該供電臂內(nèi)平行接近長(zhǎng)度或在該供電臂內(nèi)通信分段使用后的平行接近長(zhǎng)度計(jì)算其感應(yīng)影響;在復(fù)線電氣化鐵道區(qū)段,若上、下行接觸網(wǎng)采用同相供電,則對(duì)接近的通信電纜線路的影響為上、下行接觸網(wǎng)電纜所產(chǎn)生的感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。

3.2 參數(shù)取值

互感系數(shù)M值指影響回路(接觸網(wǎng)、強(qiáng)電線路、大地回路)與被影響回路(通信線路、大地回路)間的互感系數(shù)。M值與影響、被影響回路間的接近距離及大地導(dǎo)電率(δ)有關(guān),通信電纜線路與接觸網(wǎng)線路的相對(duì)位置使通信電纜線路產(chǎn)生危險(xiǎn)或干擾影響時(shí)稱為接近。接近距離(a)小時(shí),則M值增大,接近距離大時(shí),則M值小;大地導(dǎo)電率愈高,M值越小。根據(jù)大地導(dǎo)電率和接近距離可在《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè).信號(hào)》圖5.3.1.1中求得M值。如表2所示。

表2 按地質(zhì)資料判定大地導(dǎo)電率

以紫云鐵路為例,該線路的大地導(dǎo)電率δ=10×10-14/CGSM,現(xiàn)場(chǎng)勘察實(shí)測(cè)結(jié)果基本相同。

a:當(dāng)兩線路接近的距離變化不超過(guò)其算術(shù)平均值的5%時(shí),稱為平行接近,則a=ai。以紫云鐵路為例,這里取a=10 m。

M:根據(jù)M值的計(jì)算圖表得到M=920× 10-6H/km。

Id:可根據(jù)接觸網(wǎng)專業(yè)提供的資料,得出接觸網(wǎng)正常供電時(shí)的電流大小和接觸網(wǎng)短路接地時(shí)的電流大小。

以紫云鐵路(單線)為例,接觸網(wǎng)正常工作時(shí)電流I=500 A;接觸網(wǎng)短路接地時(shí)IS=2 000 A?？傻玫狡湔９ぷ鲿r(shí)的等效牽引電流Id=500 A,短路時(shí)的等效牽引電流IS=2 000 A。

ω:接觸網(wǎng)的電壓頻率為50 Hz,得到ω=2× 3.14×50=314 rad/s。

lp:接近段長(zhǎng)度,為通信電纜線路接近段在接觸網(wǎng)線路上的投影長(zhǎng)度。以紫云鐵路為例,由于區(qū)間長(zhǎng)途通信電纜線路與接觸網(wǎng)線路接近平行,所以區(qū)間長(zhǎng)途通信電纜線路接近段長(zhǎng)度按站間距11 km考慮。

K:電磁綜合屏蔽系數(shù)K=λ×γ×k。

k:環(huán)境綜合屏蔽系數(shù)目前尚無(wú)測(cè)定或批準(zhǔn)的數(shù)據(jù),計(jì)算時(shí)取k=1。

λ:鋼軌屏蔽系數(shù)。

在工程設(shè)計(jì)中,根據(jù)通信線路與接觸網(wǎng)之間的不同接近距離及大地導(dǎo)電率的不同,鋼軌全電流屏蔽系數(shù)可按表3取值。

表3 50 Hz在鋼軌感應(yīng)電流屏蔽系數(shù)值

以紫云鐵路為例,查表可得鋼軌屏蔽系數(shù)為0.35。

電纜護(hù)套的固有屏蔽系數(shù)計(jì)算比較復(fù)雜,故一般采用實(shí)測(cè)值。常用電纜的屏蔽系數(shù)(γ)如表4所示。

表4 常用電纜屏蔽系數(shù)

注:以上屏蔽系數(shù)由西安電纜廠提供。

以紫云鐵路為例,鋁護(hù)套長(zhǎng)途通信電纜的屏蔽系數(shù)為0.1。因此,綜合護(hù)套電磁綜合屏蔽系數(shù): K=1×0.35×0.1=0.035。

3.3 計(jì)算結(jié)果

將以上系數(shù)代入磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式可得如下結(jié)果:

1)接觸網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),鋁護(hù)套長(zhǎng)途通信電纜上產(chǎn)生的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)E:

2)接觸網(wǎng)短路接地時(shí),鋁護(hù)套長(zhǎng)途通信電纜上產(chǎn)生的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)ES:

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)《電信線路遭受強(qiáng)電線路影響的容許值》(GB 6830-86)的標(biāo)準(zhǔn),電信電纜的同一芯線上,任何兩點(diǎn)間的感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)在接觸網(wǎng)正常供電條件下不大于60 V,在接觸網(wǎng)故障狀態(tài)下不大于電纜直流耐壓試驗(yàn)的60%或交流耐壓試驗(yàn)的85%。

根據(jù)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)-通信》中規(guī)定,長(zhǎng)途通信電纜芯線間電氣絕緣強(qiáng)度電壓不低于直流1 000 V。在接觸網(wǎng)故障狀態(tài)下,區(qū)間長(zhǎng)途通信電纜上磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)應(yīng)不大于1000×60%=600 V。

以紫云鐵路為例,通過(guò)計(jì)算可知。

1)接觸網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),鋁護(hù)套長(zhǎng)途通信電纜上產(chǎn)生的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)為55.61 V,低于標(biāo)準(zhǔn)允許值60 V,滿足規(guī)范要求。

2)接觸網(wǎng)短路接地時(shí),鋁護(hù)套長(zhǎng)途通信電纜上產(chǎn)生的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)為222.44 V,低于電纜直流耐壓試驗(yàn)值的60%,滿足規(guī)范要求。

在實(shí)際工作中,根據(jù)接觸網(wǎng)的影響電流(I)和綜合屏蔽系數(shù)(S)的乘積、接近地段的大地導(dǎo)電率(δ)和通信線路與電氣化鐵路間距離,通過(guò)表5,可以很方便得出兩線路的平行接近最小長(zhǎng)度。

表5 通信線路與電氣化鐵路平行接近的最小長(zhǎng)度

4 防護(hù)措施

交流電氣化鐵路區(qū)段通信電纜線路及設(shè)備可以采用以下防護(hù)措施:

1)加裝通信感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)抑制設(shè)備。其基本工作原理是將電纜芯線上的交流感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)從信號(hào)領(lǐng)示線上取出,經(jīng)放大器放大、反相后再由變壓器加到電纜芯線上,以抵消感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)和改善由此產(chǎn)生的雜音。

2)加裝絕緣變壓器:在通信電纜線路受電氣化鐵道危險(xiǎn)影響的區(qū)段,通信站、車(chē)站通信機(jī)械室均應(yīng)設(shè)置電化引入架或電化型車(chē)站綜合柜,并裝設(shè)絕緣變壓器。音頻回線(除長(zhǎng)度較短并通直流信號(hào)的線對(duì)外)都應(yīng)接入絕緣變壓器。絕緣變壓器次級(jí)線圈中心接地,當(dāng)外線進(jìn)入的感應(yīng)電壓超過(guò)線圈耐壓時(shí),將線圈擊穿,經(jīng)次級(jí)線圈中心接地點(diǎn)入地,以達(dá)到保護(hù)設(shè)備和人身安全的目的。

3)接地處理:長(zhǎng)途電纜護(hù)套接地(電阻不大于4 Ω),地線間距不大于4 km;通信站接地電阻不大于1 Ω;變電所及分區(qū)亭接地電阻不大于2 Ω。地區(qū)(站、場(chǎng))電纜與電氣化鐵道平行接近長(zhǎng)度超過(guò)2 km時(shí),其主干電纜兩段應(yīng)設(shè)電纜屏蔽地線。在變電所附近的電纜屏蔽地線與變電所接地網(wǎng)之間應(yīng)保持一定的距離。

4)在電氣化鐵道區(qū)段,長(zhǎng)途電纜接頭套管應(yīng)做絕緣防護(hù),其接頭套管處與接觸網(wǎng)桿地線的距離應(yīng)大于5 m。在接觸網(wǎng)支柱及距接觸網(wǎng)帶電部分5 m范圍以內(nèi)的通信設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)體均須接地。

5)長(zhǎng)途光電纜接頭套管、鎧裝、鋼芯需進(jìn)行絕緣處理,光電纜屏蔽層要求單端接地。

6)在電氣化鐵道區(qū)段,新建長(zhǎng)途通信電纜應(yīng)采用鎧裝二級(jí)外護(hù)層的高屏蔽直埋電纜。電纜金屬護(hù)套對(duì)50 Hz的感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)每公里為30～150 V時(shí),其固有屏蔽系數(shù)應(yīng)小于0.1。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電氣化鐵路通信防護(hù)的合理設(shè)計(jì),能夠有效降低接觸網(wǎng)強(qiáng)電流對(duì)通信設(shè)施的不良影響,提高運(yùn)營(yíng)、維護(hù)的安全可靠。

The power supply system of electrified railways may cause electromagnetic interference to communication cables. With an example, this paper introduces dangerous influence of the catenary to communication cables in the direct feeding system, and analyzes the causes, calculation methods and protection measures.

electrification; catenary; dangerous impact; protection

10.3969/j.issn.1673-4440.2014.04.012

2012-10-16）