試析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

韓曉宇

中國(guó)鐵建國(guó)際集團(tuán)有限公司，北京 100855

在發(fā)展建設(shè)電氣化鐵路的過程中發(fā)現(xiàn)配套的電力電纜在發(fā)生故障時(shí)，其故障電流會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，影響信號(hào)電纜的正常運(yùn)行。這一問題將直接關(guān)系到列車運(yùn)行的安全性，因此，引起了鐵路運(yùn)營(yíng)部門以及設(shè)計(jì)建設(shè)部門的高度關(guān)注。為了有效地解決這一問題，提高電氣化鐵路系統(tǒng)之間信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，需要對(duì)故障狀態(tài)下電力電纜的電流對(duì)電氣化鐵路的信號(hào)電纜產(chǎn)生電磁影響的成因進(jìn)行深入分析，采取有效的措施對(duì)鐵路系統(tǒng)中的控制裝置、信號(hào)電纜和相關(guān)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，并通過在鐵路沿線兩側(cè)的高架橋上分別設(shè)置電纜槽來進(jìn)行信號(hào)電纜以及電力的鋪設(shè)等措施來減少故障電流對(duì)電氣化鐵路的信號(hào)電纜所產(chǎn)生的電磁影響，以保證電子化鐵路運(yùn)行的安全。

1 電磁影響的主要形式以及產(chǎn)生原因分析

電氣化鐵路由于在牽引供電系統(tǒng)中主要采用的是單相非對(duì)稱的交流方式，因此，根據(jù)電力設(shè)備受電磁影響與電纜線路的耦合機(jī)制，鐵路沿線的設(shè)備和電路會(huì)受到傳導(dǎo)耦合的影響。此外，列車在運(yùn)行過程中，接觸導(dǎo)線以及電弓離線會(huì)產(chǎn)生放電火花，這也會(huì)對(duì)鐵路沿線地區(qū)弱電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生一定的干擾。電氣化鐵路所產(chǎn)生的電磁影響主要表現(xiàn)為阻性耦合、靜電耦合以及感應(yīng)耦合這3種重要形式。

1.1 產(chǎn)生靜電耦合的主要原因分析

靜電耦合主要體現(xiàn)耦合電容對(duì)電氣設(shè)備和相關(guān)電路的電磁干擾。產(chǎn)生耦合電容的原因主要是電氣化鐵路系統(tǒng)的接觸網(wǎng)所形成的牽引電壓電場(chǎng)。在電氣化鐵路供電網(wǎng)絡(luò)的弱電路和地面間有電流源存在，而當(dāng)將電壓施加在接觸網(wǎng)兩端時(shí)，該電流源就會(huì)產(chǎn)生對(duì)地分布電容以及感應(yīng)電壓。該弱電路的分布冗余值主要與架設(shè)接觸網(wǎng)電網(wǎng)的實(shí)際高度以及電路距離密切相關(guān)。靜電耦合對(duì)未設(shè)置保護(hù)裝置的電纜和架空電纜的電磁影響十分明顯。

1.2 產(chǎn)生感應(yīng)耦合的主要原因分析

感應(yīng)耦合對(duì)弱電路以及電力設(shè)備的影響程度主要取決于電氣化鐵路供電系統(tǒng)的具體構(gòu)架。電氣化鐵路接觸網(wǎng)中的牽引電流能夠產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，從而形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而感應(yīng)耦合也就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其能夠使電壓根據(jù)弱電線的實(shí)際長(zhǎng)度變化而產(chǎn)生相應(yīng)的改變，二者之間成正比例關(guān)系，并分布在弱電線的縱向方向上。由于接觸網(wǎng)中的電流與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的屏蔽系數(shù)呈現(xiàn)出相位相反的特征，因此，二者的相互抵制是感應(yīng)耦合產(chǎn)生的重要因素。

1.3 產(chǎn)生阻性耦合的主要原因分析

所謂阻性耦合也就是電位影響，其主要是由于電氣化鐵路系統(tǒng)接觸網(wǎng)中的牽引電流在回流過程中，將鐵路的鋼軌作為了回流的載體，造成其周邊的接地設(shè)備以及弱電路隨著大地電位的增加而不斷升高，對(duì)弱電路以及相關(guān)電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁影響。

2 電力電纜在故障狀態(tài)下的電流對(duì)電氣化鐵路信號(hào)電流產(chǎn)生的電磁影響

2.1 電氣化鐵路電力電纜發(fā)生單相接地時(shí)的故障電流

電氣化鐵路的供電系統(tǒng)主要包括外部電源、變配電站、貫通線路以及箱式區(qū)間變電站等部分。在貫通線路中目前使用比較廣泛的電纜主要是單芯三相對(duì)稱電纜。而在電力電纜的故障因素中比較常見的是單向相接地故障。這主要是由于一旦發(fā)生單相接地故障，電力電纜在故障狀態(tài)下的電流值可以達(dá)到70～400A這一范圍，會(huì)影響信號(hào)電纜的正常運(yùn)行狀態(tài)。

電氣化鐵路電力電纜的故障電流會(huì)對(duì)信號(hào)電纜產(chǎn)生比較明顯的電磁影響，其影響主要包括干擾影響以及危險(xiǎn)影響這兩類。干擾影響主要是電纜故障影響了電氣設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，而危險(xiǎn)影響則是電纜故障不僅對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行造成了影響，還威脅到了人員的人身安全。

2.2 電氣化鐵路信號(hào)電纜受故障電流的電磁影響

2.2.1 故障電流對(duì)信號(hào)電纜的電磁影響

電力電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)，其電流對(duì)信號(hào)電纜的影響主要表現(xiàn)為外皮回流以及地電流的影響。故障電流受外皮回流的影響，通過電纜外皮會(huì)地線回流形成貫通，同時(shí)，由于采取的雙端接地，信號(hào)電纜外皮會(huì)拾取部分電流。因此，在電磁耦合作用的影響下，信號(hào)電纜外皮以及貫通地線回流就會(huì)產(chǎn)生縱向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，對(duì)信號(hào)電纜的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生明顯干擾。在電氣化鐵路系統(tǒng)中，由于信號(hào)電纜與電力電纜相互隔離，所以電力電纜所產(chǎn)生的外皮回流對(duì)信號(hào)電纜的影響相對(duì)比較小。此外，也可以忽略電氣化鐵路軌道所產(chǎn)生的屏蔽效應(yīng)影響。

2.2.2 縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分析

信號(hào)電纜在外皮回流作用下會(huì)形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)貫通地線回流也會(huì)促使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)生成，而此二者總和也就是信號(hào)電纜芯線所產(chǎn)生的縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因此，干擾電流角頻率因素、干擾回路因素、信號(hào)電纜單線回路間的互感系數(shù)因素，以及故障電流因素等都與縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生密切相關(guān)。

2.2.3 互阻抗分析

在故障電流對(duì)信號(hào)電纜所產(chǎn)生的影響中，互阻抗也是其中的重要因素。在電氣化鐵路系統(tǒng)中的互阻抗大多來自信號(hào)電纜芯線與其外皮或者貫通地線之間所形成的互阻抗。信號(hào)電纜和貫通地線形成互阻抗的主要因素包括電流角的干擾頻率、大地的導(dǎo)線率及磁導(dǎo)率、信號(hào)電纜與貫通地線在垂直方向上的間距德國(guó)因素。信號(hào)電纜與貫通地線間的互感系數(shù)主要呈指數(shù)化變化，其互感系數(shù)將隨著二者間距的增加而減緩變化幅度。

而信號(hào)電纜芯線及其外皮間所形成的互阻抗則主要與纜皮半徑因素以及由鋼帶而產(chǎn)生的附加阻抗因素緊密相關(guān)。由于四芯星形信號(hào)電纜由鋁護(hù)套、外護(hù)套、內(nèi)襯層以及鎧裝鋼帶所構(gòu)成，因此，鋼帶長(zhǎng)度是產(chǎn)生附加阻抗的重要因素之一。以長(zhǎng)15km的信號(hào)電纜為例，其芯線與外皮的互阻抗值為0.77+j33；當(dāng)信號(hào)電纜長(zhǎng)度減少到2km時(shí)，該阻抗值則為0.1026+j444。信號(hào)電纜外皮以及貫通地線在低頻條件下的直流電阻是使故障電流發(fā)生分流的主要原因，而信號(hào)電纜以及貫通地線中的電流值則是影響分流系數(shù)的主要因素。經(jīng)分析計(jì)算可知，芯線與貫通地線間所形成的互阻抗要比其與電纜外皮間所形成的互阻抗值小。

2.3 通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)分析電纜故障電纜所產(chǎn)生的電磁影響

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式可以進(jìn)一步對(duì)電力電纜故障對(duì)信號(hào)電纜的電磁影響進(jìn)行驗(yàn)證分析。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，主要包括2個(gè)步驟的操作：第一步，測(cè)試人員應(yīng)對(duì)信號(hào)電纜外皮采用雙端接地方式進(jìn)行設(shè)置，將信號(hào)電纜芯的其中一段與貫通地線相連接，而另一端則與測(cè)試儀保持連接，可以對(duì)信號(hào)電纜芯線在信號(hào)電纜外皮以及貫通地線中電流的共同作用下所產(chǎn)生的感應(yīng)縱向電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行測(cè)量。第二步，測(cè)試人員應(yīng)對(duì)信號(hào)電纜外皮采用單端接地的方式進(jìn)行設(shè)置，同樣將信號(hào)電纜芯的其中一段與貫通地線相連接，而另一端則與測(cè)試儀保持連接，這樣就可以對(duì)信號(hào)電纜芯線在貫通地線中的電流作用下所產(chǎn)生的感應(yīng)縱向電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行測(cè)量。

在第一步操作測(cè)量中所獲得的信號(hào)電纜芯線在信號(hào)電纜外皮以及貫通地線中電流的共同作用下所產(chǎn)生的感應(yīng)縱向電動(dòng)勢(shì)值，與在第二步操作測(cè)量中所獲得的信號(hào)電纜芯線在貫通地線中的電流作用下所產(chǎn)生的感應(yīng)縱向電動(dòng)勢(shì)值相減，就可以計(jì)算出信號(hào)電纜芯線在其外皮電流的電磁影響下所產(chǎn)生的感應(yīng)縱向電動(dòng)勢(shì)的具體數(shù)值。

在本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)中，將信號(hào)電纜外皮的電流值設(shè)置為2.8A，而測(cè)得的信號(hào)電纜芯線所產(chǎn)生的感應(yīng)縱向電動(dòng)勢(shì)為4.3V。而根據(jù)芯線感應(yīng)縱向電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式計(jì)算所得的數(shù)值則為6.2V，二者之間存在一定的差異。產(chǎn)生這種實(shí)測(cè)值與計(jì)算值不一致現(xiàn)象的主要原因是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)過程中會(huì)受到多纜敷設(shè)、信號(hào)電纜同溝等屏蔽系數(shù)的干擾，造成計(jì)算結(jié)果要大于實(shí)測(cè)結(jié)果。此外，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)測(cè)得信號(hào)電纜外皮與芯線之間的互阻抗值為1.53Ω/km，根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算所得的信號(hào)電纜芯線與外皮間的理論互阻抗值則為2.22Ω/km，二者的差異不大。

3 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)電氣化鐵路的供電系統(tǒng)中，單相接地故障是電力電纜主要故障形式之一，而且當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，其電流的瞬時(shí)值能夠達(dá)到70～400A之間，因此，所產(chǎn)生電磁影響會(huì)嚴(yán)重干擾電氣化鐵路信號(hào)電纜的正常運(yùn)行。同時(shí)由于電氣化鐵路系統(tǒng)信號(hào)電纜主要采用的是外皮雙端接地，其芯線與外皮間互阻抗超過了其與貫通地線之間形成的互阻抗值，從而信號(hào)電纜外皮流經(jīng)的電流值比較小，從而產(chǎn)生了對(duì)信號(hào)電流的電磁影響。所以，在電氣化鐵路的供電系統(tǒng)以及信號(hào)電纜建設(shè)中應(yīng)積極采用能夠減少互感系數(shù)以及互阻抗的新型技術(shù)設(shè)備，從而為列車運(yùn)行安全提供可靠保證，推動(dòng)我國(guó)鐵路交通現(xiàn)代化發(fā)展。