電纜故障電流對(duì)電氣化鐵路信號(hào)電纜的電磁影響

周德坤

摘要：改革開放以來，隨著我國(guó)高速電氣化鐵路的不斷發(fā)展和建設(shè)，現(xiàn)代的高速鐵路面臨著巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，與傳統(tǒng)的鐵路相比出現(xiàn)了很多新的特點(diǎn)，如無砟軌道、新型轉(zhuǎn)轍機(jī)、高速動(dòng)車組等。但是也帶來了諸多新的問題，如供電系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，動(dòng)車牽引負(fù)荷大，變化頻繁，導(dǎo)致附近電力系統(tǒng)的電磁環(huán)境更加惡劣，容易對(duì)鐵路信號(hào)造成一定的影響。根據(jù)電氣化鐵路電力電纜故障與信號(hào)電纜的鋪設(shè)特點(diǎn)，以電磁理論為依據(jù)，采取某段信號(hào)電纜敷設(shè)參數(shù)，計(jì)算出故障電流在信號(hào)電纜上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路 電氣電纜 故障電流 信號(hào)電纜

1 概述

近年來，我國(guó)鐵路設(shè)計(jì)部門和運(yùn)營(yíng)部門十分關(guān)注電氣化鐵路電力電纜故障電流對(duì)信號(hào)電纜的電磁影響問題，為確保列車能安全運(yùn)行，必須保證鐵路信號(hào)電纜和信號(hào)設(shè)備和控制裝置之間的信息和電能的傳輸，在高架橋上分別沿鐵路兩側(cè)預(yù)制電纜槽敷設(shè)電氣化鐵路電力電纜和信號(hào)電纜，并統(tǒng)一接地綜合地線。另外，在高架路段同槽敷設(shè)綜合貫通地線和信號(hào)電纜，按照最大間隔距離為1個(gè)電纜槽的距離布置。筆者結(jié)合自己實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電氣化鐵路電力電纜故障電力對(duì)信號(hào)電纜的電磁影響進(jìn)行討論分析，難免有不足之處，還望同仁批評(píng)指正。

2 電磁影響的產(chǎn)生和分類

電磁影響按照電路線路和設(shè)備的干擾耦合機(jī)理可以分為兩大類：①由于電氣化鐵路采用不對(duì)稱的單相交流牽引供電方式，對(duì)附近的電路和設(shè)備造成了傳導(dǎo)耦合影響。②機(jī)車在運(yùn)行中，受到電弓離線與接觸導(dǎo)線之間產(chǎn)生火花放電，對(duì)附近弱電設(shè)施造成影響。按照容性、感性和阻性耦合，對(duì)被影響對(duì)象產(chǎn)生的電磁影響分為兩大類：①對(duì)電氣設(shè)備正常工作產(chǎn)生的影響稱為干擾影響，干擾影響計(jì)算是以工作頻率的3-27次諧波電流為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真分析的。②對(duì)可能影響人身和設(shè)備安全的稱為危險(xiǎn)影響，危險(xiǎn)影響是在50赫茲基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真和計(jì)算的。

2.1 靜電耦合 靜電耦合又可以稱為容性耦合，是在接觸網(wǎng)牽引電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)內(nèi)，通過接觸網(wǎng)之間存在的耦合電容產(chǎn)生對(duì)電路和設(shè)備的影響。電容耦合的干擾就是在弱電路與地之間連接了一個(gè)電流源，如果在接觸網(wǎng)兩端施加一個(gè)電壓，弱電線中就會(huì)產(chǎn)生靜電感應(yīng)電壓和對(duì)地分布的電容，其值與接觸網(wǎng)導(dǎo)線和電路距離和架設(shè)高度有關(guān)。任何的聚集一定電荷的導(dǎo)體在周圍空間電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)體中的自有電子做有規(guī)則的移動(dòng)，引起電荷重新分布，使導(dǎo)體帶電。容性耦合對(duì)架空明顯或者是無金屬套保護(hù)的電纜會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

2.2 磁影響 接觸網(wǎng)牽引電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變的電磁場(chǎng)，并通過弱電路之間存在的互感，從而產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)可以稱為磁影響，磁影響也可以稱作為感性耦合。磁影響在很多程度上會(huì)對(duì)弱電路和設(shè)施造成影響。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生過程中，電壓與弱電線長(zhǎng)度成正比，沿弱電線長(zhǎng)度縱向分布。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中屏蔽系數(shù)R在相位上與接觸網(wǎng)電流恰好相反，兩者可以起到抵消干擾的作用。

2.3 電位影響 電位影響又可以叫做阻性耦合。在接觸網(wǎng)牽引電流通過鋼軌回流時(shí)，使得附近的大地電位升高，接近弱電線路或者設(shè)備接地裝置的電位也相應(yīng)增高，容易對(duì)設(shè)備和弱電路產(chǎn)生影響。

3 信號(hào)電纜電磁影響分析和計(jì)算

3.1 信號(hào)電纜的電磁影響分析 在目前電氣化鐵路電力電纜發(fā)生接地故障時(shí)，大部分是單相接地故障，故障電流瞬間值為70-400A范圍內(nèi)，對(duì)信號(hào)電纜產(chǎn)生較大的電磁影響。地電流影響和外皮回流影響是電力電纜單相接地故障電流對(duì)信號(hào)電纜的電磁影響的主要部分，本文就選擇外皮回流影響對(duì)信號(hào)電纜的電磁影響進(jìn)行分析。外皮回流影響主要分為：①在電氣化鐵路中，電纜故障電流通過電力電纜外皮的方式，與地線回流接通。②通常情況下，電氣化鐵路信號(hào)電纜外皮采用雙端接地的方式，因此在故障地線回流中，可能會(huì)拾得一部分電流。一般來說，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)信號(hào)電纜會(huì)造成一定程度的影響，信號(hào)電纜護(hù)套和地線回流同樣會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，兩者相輔相成，并且兩者所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)是信號(hào)電纜芯線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和。貫通電纜和信號(hào)電纜的距離比電力電纜和信號(hào)電纜的距離要小的多；再加鋼筋混凝土把電力電纜和信號(hào)線纜隔離，其屏蔽性在20分貝左右，使得電力電纜外皮回流對(duì)信號(hào)電纜的影響比較小，可以忽略不計(jì)。

3.2 信號(hào)電纜的電磁影響計(jì)算

①感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Es。故障電流在信號(hào)電纜中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為Es，其計(jì)算公式如下：

E■=■Z■l■I■S■S■S■

其中， Z■=jωM

其中Zs干擾回路與信號(hào)電纜回流之間的互阻抗；l■為第i個(gè)接近段內(nèi)信號(hào)電纜與干擾回路的長(zhǎng)度；I■為故障電流；SR、Sm、Sn分別為50赫茲下信號(hào)電纜金屬護(hù)套、同溝多纜以及鄰近其他金屬導(dǎo)體的實(shí)效屏蔽系數(shù)，ω為干擾電流角頻率；M的干擾回路和信號(hào)電纜的互感系數(shù)。

②互阻抗

a芯線與貫通地線之間的互阻抗。把Zs1作為信號(hào)電纜芯線與貫通地線之間的互阻抗，M為兩者之間的互感系數(shù)，其計(jì)算公式如下：

M=-j■+■e■F■re■+e■F■re■10■

其中γ和η為貫通地線和信號(hào)電纜距離地面的高度；ω為干擾電流角頻率，ω=2πf；σ為大地磁道率；χ為信號(hào)電纜和貫通地線之間的垂直距離。對(duì)其公式進(jìn)行計(jì)算分析，可以得到信號(hào)線纜與貫通地線之間的互感系數(shù)M與距離變化的曲線，如圖1所示：

由圖1曲線變化可知：信號(hào)電纜和貫通地線之間的距離越小，互感系數(shù)就越大；隨著兩者之間的距離增加，互感系數(shù)M值就減緩。

b芯線與信號(hào)電纜外皮的互阻抗。把Zs2作為信號(hào)電纜外皮和芯線之間的互阻抗，其計(jì)算公式如下：

Zs2=jω2In■+1-j■×10■+Z■

其中Zi為鋼帶引起的附加阻抗，a為電纜皮的平均半徑。把信號(hào)線纜（外護(hù)套直徑：17.06；鋼帶厚度：0.20；芯線直徑1.53；銅絕緣單線直徑0.80；絕緣直徑3.50）代入上述公式可得：當(dāng)信號(hào)電纜長(zhǎng)度為15km時(shí)，信號(hào)電纜外皮和芯線之間的互阻抗為0.77+j33.3，當(dāng)信號(hào)電纜2km長(zhǎng)時(shí)，兩者之間的互阻抗為0.1026+j4.44。通常情況下，電氣化鐵路電力供電電流頻率為50赫茲，在頻率較低的情況下，電流在兩者中的分流主要由兩者的直流電阻決定。通過計(jì)算可以得到信號(hào)線纜外皮直流電阻為2.25Ω.km-1，貫通地線直流電阻為0.255Ω.km-1，分流系數(shù)η為0.9。

3.3 計(jì)算結(jié)果 電氣化鐵路信號(hào)線纜主要由各種控制其電纜和模塊化操作元件的電纜組成，控制器電纜最大長(zhǎng)度不得超過2km，模塊化連接操作元件電纜最大長(zhǎng)度不得超過15km。取信號(hào)電纜為2km和15km計(jì)算產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，探析信號(hào)電纜芯線受電磁的影響。實(shí)驗(yàn)得出貫通地線、信號(hào)電纜外皮和信號(hào)電纜芯線電流在15km信號(hào)電纜產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)為110.4V、238V和348.4V，可以看出信號(hào)電纜外皮在很小的電流環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生較大的電動(dòng)勢(shì)。對(duì)2km的信號(hào)電纜進(jìn)行計(jì)算，得出了同樣的結(jié)果。

4 總結(jié)

在我國(guó)，為了保護(hù)電氣化鐵路信號(hào)電纜感應(yīng)，通常會(huì)采用雙端接地的方式，加上信號(hào)線纜外皮和芯線間互阻抗大于貫通地線和芯線間的互阻抗，使得流經(jīng)信號(hào)線纜外皮的電流過小，這是信號(hào)電纜受電磁影響最主要的一個(gè)原因。因此為了減小電流對(duì)信號(hào)電纜的影響，應(yīng)該不斷的創(chuàng)新技術(shù)，減小其互阻抗和互感系數(shù)，使得列車能安全有序的運(yùn)行，促進(jìn)我國(guó)鐵路事業(yè)的蓬勃發(fā)展。

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