鐵路漏泄同軸電纜直流隔斷器設(shè)置方案研究

劉立海

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

電氣化鐵路牽引網(wǎng)是單相高壓交流電網(wǎng)，在運(yùn)行過程中，由于靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)的影響[1-8]，將會(huì)對沿鐵路線架設(shè)的通信線路產(chǎn)生危險(xiǎn)影響，嚴(yán)重時(shí)破壞設(shè)備及其絕緣，甚至危及人員安全。鐵路通信漏泄同軸電纜(以下簡稱為“漏纜”)是掛設(shè)在鐵路隧道壁等軌旁一定高度處為鐵路提供無線覆蓋的通信線路，為了防止?fàn)恳W(wǎng)導(dǎo)致的直流和低頻電流通過漏纜，在目前鐵路900 MHz GSM-R數(shù)字無線通信系統(tǒng)的漏纜中一般都設(shè)置了直流隔斷器。由于對直流隔斷器的作用和設(shè)置方案缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識，早期開通的GSM-R線路中直流隔斷器設(shè)置方案不統(tǒng)一，根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用反饋，部分鐵路的直流隔斷器損壞較為頻繁，影響無線通信的暢通。因此十分有必要開展鐵路漏纜直流隔斷器設(shè)置方案的研究，避免由于直流隔斷器設(shè)置不合理引起無線通信故障，同時(shí)降低現(xiàn)場故障檢修及維護(hù)工作量。

本文首先簡單介紹感應(yīng)電壓的計(jì)算方法，然后分析直流隔斷器設(shè)置的必要性和設(shè)置方案需要考慮的因素，最后提出設(shè)置方案建議。

1 感應(yīng)電壓計(jì)算

1.1 靜電感應(yīng)電壓

(1)

式中，UC為牽引網(wǎng)電壓；RC為接觸網(wǎng)導(dǎo)線截面半徑。從上式可以看出，靜電感應(yīng)電壓與牽引網(wǎng)電壓同為工頻且同相，大小與牽引負(fù)荷無關(guān)，在同一平行接近段內(nèi)，通信線上各點(diǎn)靜電感應(yīng)電壓大小相同。

根據(jù)上述公式計(jì)算，接觸網(wǎng)導(dǎo)線為截面積100 mm2銅線，等效半徑為4.6 mm，接觸網(wǎng)導(dǎo)線安裝高度為6 300 mm，通信漏纜的高度為4 500 mm，兩線水平距離為3 100 mm，在漏纜不接地的情況下，牽引網(wǎng)在漏纜上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為2 832 V。因接觸網(wǎng)導(dǎo)線截面、高度、漏纜與接觸網(wǎng)導(dǎo)線的間距不同，靜電感應(yīng)電壓大小不同，范圍在2 500～5 400 V。

圖1 接觸網(wǎng)導(dǎo)線和通信線相對關(guān)系等效結(jié)構(gòu)

1.2 磁感應(yīng)電勢

牽引網(wǎng)由接觸網(wǎng)、鋼軌網(wǎng)構(gòu)成，由于接觸網(wǎng)-鋼軌回路對地不平衡，接觸網(wǎng)-鋼軌回路與通信線路的相對位置不平衡，且鋼軌-地之間的過渡導(dǎo)納的存在，一部分負(fù)荷電流經(jīng)大地返回牽引變電所，因此，接觸網(wǎng)和鋼軌網(wǎng)電流所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢在通信線上不能抵消，所以在通信線上將產(chǎn)生磁感應(yīng)電勢，又稱為縱向電勢。設(shè)牽引網(wǎng)和通信線平行接近且長度相等，并忽略牽引網(wǎng)的對地分布電導(dǎo)和電容，可以用圖2所示的簡單電路來描述磁感應(yīng)，由此不難解得通信線上的縱向感應(yīng)電勢[1-6]如下

Etc=jωMCtlIC

(2)

式中，MCt為接觸網(wǎng)與通信線的互感系數(shù)；l為接觸網(wǎng)與通信線的平行接近長度；ω=2πf，f為電流頻率；IC為接觸網(wǎng)電流。

圖2 接觸網(wǎng)和通信線縱向布置示意

當(dāng)通信線與接觸網(wǎng)為復(fù)雜接近時(shí)，必須分段計(jì)算，最后進(jìn)行合成。式(2)中，接觸網(wǎng)與通信線的單位互感系數(shù)MCt是一個(gè)重要參數(shù)，其精度將對感應(yīng)電勢的計(jì)算產(chǎn)生很大影響。在實(shí)際的牽引網(wǎng)中，除了有接觸網(wǎng)-地回路外，還有鋼軌網(wǎng)-地回路，鋼軌網(wǎng)電流與接觸網(wǎng)電流反向。因此，鋼軌網(wǎng)電流IT在通信線中產(chǎn)生一個(gè)反向的感應(yīng)電勢。換句話說，鋼軌網(wǎng)對通信線產(chǎn)生一種屏蔽效果，這種效果可以用屏蔽系數(shù)來描述。另外，對于電纜通信線，由于電纜外皮對芯線、相鄰芯線之間均要產(chǎn)生屏蔽效果，這些均可以通過等效為屏蔽系數(shù)來考慮[3]。

由于實(shí)際的牽引網(wǎng)比圖2所示的要復(fù)雜得多，除了前面提到的鋼軌回流，還有回流線、鋼軌接地等，對于AT供電系統(tǒng)更復(fù)雜得多。在工程計(jì)算中，應(yīng)分段計(jì)算，考慮通信線路對地分布參數(shù)，將分布參數(shù)電路等效成集中參數(shù)電路，將牽引網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫ㄟ^節(jié)點(diǎn)方程描述，通過計(jì)算機(jī)法求解[1]。

不管以哪種方法計(jì)算和分析，均可以看出，電磁感應(yīng)電壓大小與牽引電流的大小、平行段長度等成正比，與牽引網(wǎng)電壓大小無關(guān)[1，3]。

以漢宜鐵路帶回流線直供方式為例，按照計(jì)算機(jī)求解法計(jì)算感應(yīng)電壓，基本計(jì)算條件如下：

設(shè)定供電臂長24 km；

電源容量按5 000 MVA；

牽引變壓器為單相接線，額定容量40 MVA，阻抗電壓百分?jǐn)?shù)為8.4；

牽引變電所地網(wǎng)接地電阻0.5 Ω，分區(qū)所和AT所地網(wǎng)接地電阻0.5 Ω；

上下行鋼軌每隔1.2 km作橫向連接；

鋼軌對地漏泄電阻100 Ω·km；

回流線非絕緣安裝；

綜合地線GW對地漏泄電阻100 Ω·km；

單車牽引電流為500 A；

列車速度為250 km/h。

帶回流線直接供電方式牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)和帶回流線直接供電方式牽引網(wǎng)系統(tǒng)各種導(dǎo)線分布空間幾何圖參考設(shè)計(jì)文件[6，8]。計(jì)算機(jī)仿真顯示，在上述條件下，牽引電流在通信漏纜外導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓一般在60～90 V/(kA·km)。該結(jié)果與文獻(xiàn)[3]的結(jié)論基本一致。

經(jīng)過仿真計(jì)算，在AT供電條件下，牽引電流在通信漏纜外導(dǎo)體上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓一般在40～70 V/(kA·km)。

2 直流隔斷器設(shè)置的必要性

直流隔斷器通常是由電容構(gòu)成，阻止直流和低頻電流通過漏纜內(nèi)、外導(dǎo)體，但不影響漏纜中有用信號通過。有外導(dǎo)體隔離、內(nèi)導(dǎo)體隔離和內(nèi)外導(dǎo)體同時(shí)隔離3種形式，通常我們說的是內(nèi)外導(dǎo)體同時(shí)隔離形式的直流隔斷器。

從前面分析可知，無論是靜電感應(yīng)還是電磁感應(yīng)，都是在交流電氣化鐵路中才出現(xiàn)，因此對于非電氣化鐵路，不需要安裝直流隔斷器。

經(jīng)前面的分析，由于靜電感應(yīng)電壓可高達(dá)數(shù)千伏，每段漏纜外導(dǎo)體必須接地，否則對設(shè)備和人身會(huì)造成傷害。由于磁感應(yīng)(縱電動(dòng)勢)的存在，可能導(dǎo)致漏纜中會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流；同時(shí)如果漏纜在不同的區(qū)域接地，由于一部分牽引電流經(jīng)大地返回牽引變電所，而漏纜是良好的金屬導(dǎo)體，回流電流也會(huì)通過漏纜。下面通過分析漏纜中不加直流隔斷器和加直流隔斷的優(yōu)缺點(diǎn)來闡述安裝直流隔斷器的必要性，并說明直流隔斷器的作用。

(1)不加直流隔斷器優(yōu)缺點(diǎn)

對于外導(dǎo)體而言，以一段漏纜兩端接地中間不加直流隔斷器情況來分析，見圖3。在理想情況下，兩端接地電阻(R2、R3)均為零，A、B間的大地回路電阻R1為零，A、B點(diǎn)的電位均為零。A、B點(diǎn)的電位均為零(強(qiáng)制接地)，漏纜中靜電感應(yīng)電壓和感應(yīng)電壓均為零，接觸網(wǎng)回流也不會(huì)經(jīng)過漏纜，但漏纜中存在感應(yīng)電流[1]。在這種情況下，如果不裝直流隔斷器，由于沒有感應(yīng)電壓，對設(shè)備沒有影響，但有電流通過漏纜，而且可能還會(huì)很大，因此漏纜會(huì)因發(fā)熱而加速老化。

實(shí)際情況沒有這么理想，A、B點(diǎn)不可能與大地真正等電位，接地電阻不可能為零，R1、R2、R3電阻均非零，R0阻值不大于2 Ω/km。

R0—漏纜外導(dǎo)本電阻；R1—漏纜A、B接地點(diǎn)之間的電阻；R2—漏纜A端接地電阻；R3—漏纜B端接地電阻圖3 漏纜兩端接地不加直流隔斷器的連接和等效電路

當(dāng)鐵路沿線有貫通地線和綜合接地時(shí)，R2、R3阻值均不大于1 Ω，同樣R1也不大于1 Ω。如果在鐵路附近有以地為回路的通信電路，則將由于通信線路兩個(gè)接地點(diǎn)之間的電位差而出現(xiàn)干擾電流。由于A、B點(diǎn)不是真正的大地，當(dāng)有動(dòng)車或機(jī)車通過時(shí)，A、B之間可能會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢及感應(yīng)電流；而且由于A、B點(diǎn)在同一時(shí)間回流大小不一樣，A、B點(diǎn)的電位也不等了，因此A、B間的漏纜就會(huì)承載電流。

當(dāng)鐵路沿線沒有貫通地線和綜合接地時(shí)，R1、R2、R3的阻值可能差異較大，電阻甚至達(dá)10 Ω，大大超過漏纜電阻，這樣A、B點(diǎn)間的電壓和電流可能更大。如果增加漏纜中的接地點(diǎn)，縮短A、B間距離可以減小感應(yīng)電壓和電流大小，但是接觸網(wǎng)電流回流還是不能避免，還是可能通過漏纜。

不加直流隔斷器主要不足是漏纜中可能承載低頻大電流，長期承載電流對漏纜的壽命有一定的影響。不加直流隔斷器的好處是由于漏纜多點(diǎn)接地，多處等電位，不容易出現(xiàn)電荷累積，可以保證人員操作安全。

對于內(nèi)導(dǎo)體而言，由于外導(dǎo)體存在開孔，不能對內(nèi)導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)完全屏蔽[3，9]，內(nèi)導(dǎo)體上還可能產(chǎn)生部分靜電感應(yīng)電壓[9]和電磁感應(yīng)電壓[3]。內(nèi)導(dǎo)體無法直接接地，也可能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，可能會(huì)損壞所連接的設(shè)備。感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與平行導(dǎo)線的長度有直接關(guān)系，如果中間沒有直流隔斷器，漏纜越長，內(nèi)導(dǎo)體上感應(yīng)電壓越大，對設(shè)備越不利。感應(yīng)電壓的大小跟牽引供電類型有一定的關(guān)系，AT供電和直供也是有差別的。因此對于內(nèi)導(dǎo)體而言，長距離不加直流隔斷，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓越大，對設(shè)備不利。

(2)加直流隔斷器優(yōu)缺點(diǎn)

對于外導(dǎo)體而言，增加直流隔斷器，一個(gè)直接的好處是可以阻止低頻電流通過漏纜，避免由于地電位不同，接觸網(wǎng)回流通過，避免漏纜及外皮因發(fā)熱而加速老化，避免干擾電流對有用信號的影響。特別是在沒有貫通地線的場合或接地電阻差別大的場合。

增加直流隔斷器后，在阻斷低頻電流的同時(shí)，隔離了接地，漏纜就出現(xiàn)了一端接地，另一端懸浮，這樣就出現(xiàn)感應(yīng)電壓，可能導(dǎo)致人員操作的不安全。而且，直流隔斷器增加損耗，對信號傳輸有一定的影響，增加了接口，可能產(chǎn)生故障點(diǎn)。

對于內(nèi)導(dǎo)體而言，合理的安裝直流隔斷器，配合接地設(shè)置，可以有效降低感應(yīng)電壓。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用反饋可知，如果直流隔斷器設(shè)置不當(dāng)，可能導(dǎo)致直流隔斷器本身損壞。

是否需要設(shè)置直流隔斷器，與線路接地、牽引供電類型有關(guān)?？偟膩碚f，是否需要設(shè)置直流隔斷器，可以根據(jù)以下原則來判斷。

在具有貫通地線，接地良好，各地接地電阻小(如小于1 Ω)，且差異小，各接地點(diǎn)之間地電位差別小，設(shè)備端口有直流隔斷器或過壓保護(hù)器的情況下，在一定距離長度內(nèi)可以不設(shè)置直流隔斷器，但在外導(dǎo)體上應(yīng)多處接地。其他情況下，超過一定長度的漏纜均建議合理設(shè)置直流隔斷器。實(shí)際工程中，由于各接地點(diǎn)電阻和地電位難以保證一致，建議電氣化鐵路中超過一定長度(如500 m)的漏纜均設(shè)置直流隔斷器。

因此，合理地設(shè)置直流隔斷器，可以避免低頻電流通過外導(dǎo)體，可以降低內(nèi)導(dǎo)體上的感應(yīng)電壓[10-13]。不足的是設(shè)置不當(dāng)，或接地不好，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)導(dǎo)體或外導(dǎo)體感應(yīng)電壓過大。

3 直流隔斷器設(shè)置方案

3.1 考慮的因素

在設(shè)置直流隔斷器時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)方面的因素。

(1)直流隔斷器的間距

直流隔斷器的設(shè)置間距主要關(guān)系到感應(yīng)電壓的大小，感應(yīng)電壓的大小與接觸網(wǎng)的供電類型、牽引供電電流大小、回流接地方案等有直接關(guān)系。直流隔斷器的間距還與漏纜最大盤長、射頻發(fā)射設(shè)備間距等因素有關(guān)。

允許的感應(yīng)電壓大小受到國家和鐵路有關(guān)安全電壓和危險(xiǎn)電壓的標(biāo)準(zhǔn)值的限制。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[14]和鐵路通信設(shè)計(jì)規(guī)范[15]的規(guī)定，通常在正常情況，感應(yīng)縱電動(dòng)勢電壓不能超過60 V(有效值)，在短路條件下不能超過430 V(有效值)。

根據(jù)1.2節(jié)的分析和計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算表明，AT供電和帶回流線直接供電方式下，牽引電流在通信漏纜外導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓一般分別為40～70 V/(kA·km)和60～90 V/(kA·km)。一般機(jī)車牽引電流最大可達(dá)1 000 A，按1 000 A牽引電流、60 V的感應(yīng)縱電動(dòng)勢計(jì)算對應(yīng)的長度分別為850～1 500 m和667～1 000 m，結(jié)合高鐵隧道內(nèi)洞室左右側(cè)交錯(cuò)間隔250 m、同側(cè)間隔500 m 1處，因此，一般建議不超過750 m設(shè)置1處直流隔斷器。

根據(jù)鐵路通常隧道洞室間距、射頻發(fā)射設(shè)備功率、鏈路預(yù)算，建議漏纜每隔500～750 m設(shè)置1處直流隔斷器。對于特殊線路或特殊應(yīng)用，應(yīng)進(jìn)行核算確定直流隔斷器的間距。

(2)直流隔斷器的安裝位置

直流隔斷器的安裝位置是選擇靠近射頻設(shè)備還是遠(yuǎn)離射頻設(shè)備，需要結(jié)合接地進(jìn)行選擇。這也是不同的工程最容易出現(xiàn)差別的地方。

(3)直流隔斷器與避雷器、接地之間的關(guān)系

部分人員由于對直流隔斷器的功能和作用認(rèn)識有偏差，認(rèn)為漏纜由隧道外轉(zhuǎn)入隧道內(nèi)需要加裝直流隔斷器。為了保證安全，需要選擇合適的接地，同時(shí)接地又要避免使直流隔斷器失去作用。同時(shí)接地又是保證消除靜電感應(yīng)電壓的有效方式。

3.2 設(shè)置方案比選

綜合3.1節(jié)的分析，為避免直流隔斷器數(shù)量過多增加插入損耗，直流隔斷器按500～750 m增加1處為宜。下面以設(shè)備間距為1 000～1 500 m為例，說明3種常見的直流隔斷器連接方案，分別如圖4～圖6所示。

圖4 直流隔斷器設(shè)置方案1示意

圖5 直流隔斷器設(shè)置方案2示意

圖6 直流隔斷器設(shè)置方案3示意

方案1：直流隔斷器設(shè)置在中間，每段漏纜長度500～750 m，漏纜靠近設(shè)備側(cè)接地。

方案2：在漏纜兩端靠近設(shè)備處各設(shè)置1處直流隔斷器，漏纜中間接地。

方案3：沿著鐵路方向每隔500～750 m在漏纜一端設(shè)置1處直流隔斷器，漏纜另一端接地，依次進(jìn)行。

下面分析這3種連接方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

方案1：優(yōu)點(diǎn)是方案簡潔，直流隔斷器數(shù)量少，施工簡單，不容易出現(xiàn)誤連接，而且由于直流隔斷器位于漏纜中間，即使直流隔斷器出現(xiàn)故障，對無線信號的傳輸影響最小。缺點(diǎn)是不能避免內(nèi)導(dǎo)體上的感應(yīng)電壓影響設(shè)備射頻端口；在直流隔斷器附近沒有接地點(diǎn)，施工檢修時(shí)需要臨時(shí)找接地點(diǎn)。

方案2：優(yōu)點(diǎn)是方案具有一致性，施工不容易出現(xiàn)誤連接，對射頻設(shè)備具有一定保護(hù)作用。缺點(diǎn)是需要在長達(dá)1 000 m或15 000 m的漏纜中間接地，而且僅有一處接地，如果接地不良或接地電阻較大，外、內(nèi)導(dǎo)體由于距離長而導(dǎo)致感應(yīng)電壓較大；直流隔斷器數(shù)量多，插入損耗大；直流隔斷器損壞后，對無線信號影響最大。

方案3：優(yōu)點(diǎn)是方案具有對稱性，每段漏纜一端連接直流隔斷器，另一端接地，保證了直流隔斷器一端接地，維護(hù)操作安全，檢修中容易就近找到地線。缺點(diǎn)是如果中間接地不良或接地電阻較大，容易由于漏纜懸空而導(dǎo)致感應(yīng)電壓積累，不能及時(shí)通過接地泄流；直流隔斷器數(shù)量多，插入損耗大；與設(shè)備連接端的直流隔斷器損壞后，會(huì)影響無線信號的傳輸。

通過上面的比較可以看出，在上述3種方案中，方案1是最佳的方案，方案2是最差的方案。實(shí)際應(yīng)用中，方案1應(yīng)用較多，武廣客專、鄭西客專、廣深港客專等都是這種連接方式，極少出現(xiàn)直流隔斷器損壞的情況。調(diào)研中頻繁出現(xiàn)直流隔斷器損壞故障的鐵路基本都是采用了方案2，如甬臺溫鐵路、龍廈鐵路等。因此，推薦采用方案1，也可采用方案3，不推薦采用方案2。

確定了設(shè)置方案后，還需選用合適的直流隔斷器器件，對其直流工作電壓、插入損耗、內(nèi)外導(dǎo)體電容、頻率范圍、射頻功率等主要參數(shù)進(jìn)行限定。建議直流工作電壓高于交流電氣化鐵路危險(xiǎn)電壓最大允許值430 V的2倍以上，即1 000 V；插入損耗越小越好，建議不大于0.3 dB，電容應(yīng)越大越好，阻抗應(yīng)該遠(yuǎn)小于1 Ω，通常的器件選擇在nF級別是合適的；頻率范圍滿足所應(yīng)用需要即可，考慮多信號合路的可能，包括2.6 GHz的無線信號，建議大于3 GHz；射頻功率建議不小于200 W。

4 結(jié)語

綜合前面的分析，為消除靜電感應(yīng)，每段漏纜外導(dǎo)體至少有一處接地，保證人身和設(shè)備安全。直流隔斷器的作用是阻止直流和低頻電流通過，防止漏纜內(nèi)、外導(dǎo)體上應(yīng)距離過長導(dǎo)致電磁感應(yīng)電壓過大，一般電氣化鐵路中，直流隔斷器間距為500～750 m，具體工程設(shè)置需根據(jù)供電類型、牽引電流大小、與接觸網(wǎng)的距離來核算。設(shè)置直流隔斷器時(shí)，應(yīng)保持漏纜一端連接直流隔斷器，另一端接地，防止漏纜兩端均接地或直流隔斷器兩端均接地。在實(shí)際工程中，應(yīng)注意直流隔斷器不能做避雷器使用，與漏纜連接的設(shè)備應(yīng)有必要的端口過壓防護(hù)能力。雖然本文關(guān)于直流隔斷器設(shè)置方案的分析以隧道內(nèi)漏泄同軸電纜為例，其方法同樣適用于隧道外漏泄同軸電纜。

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