高速鐵路對(duì)鄰近普速鐵路電力電纜的干擾機(jī)理

解紹鋒 ，孫鏡堤 ，駱冰祥 ，蘇 鵬 ，李靜雯

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 611756）

高速鐵路是當(dāng)代高新技術(shù)的融合，以其快速、安全、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)在世界范圍內(nèi)迅猛發(fā)展. 截止2019年底，中國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到3.5萬(wàn)km以上，成為世界上高鐵里程最長(zhǎng)、運(yùn)輸密度最高、成網(wǎng)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景最復(fù)雜的國(guó)家[1]. 同時(shí)，中國(guó)普速鐵路電氣化里程不斷增加，使得電氣化鐵路路網(wǎng)密度不斷增加，特別是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)出現(xiàn)了部分高速鐵路與普速鐵路并行的情況.

中國(guó)高速鐵路采用AT （auto transformer）供電方式，是工頻單相27.5 kV交流制高壓輸電線路[2-3]，在其周圍會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，若高速鐵路與普速鐵路距離較近且處于平行狀態(tài)，高速鐵路牽引供電系統(tǒng)通過(guò)電磁耦合會(huì)對(duì)鄰近普速電氣化鐵路沿線敷設(shè)的電力電纜產(chǎn)生電磁干擾，降低電力電纜使用壽命. 同時(shí)，電力電纜感應(yīng)電也對(duì)檢修人員的人身安全造成威脅.

目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)電氣化鐵路電磁干擾的理論研究較多. 1926年，國(guó)外學(xué)者Carson[4]將Carson公式應(yīng)用于導(dǎo)線-地回路之間的互阻抗計(jì)算. 中國(guó)學(xué)者高攸綱[5]提出了利用Stloff函數(shù)與Lehmann函數(shù)計(jì)算線路間的互感系數(shù).

在電力系統(tǒng)方面，在交流特高壓同塔雙回輸電線路中，當(dāng)一個(gè)回路停電檢修時(shí)，運(yùn)行回路對(duì)檢修回路和地線存在感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的影響[6-7]. 如果高壓輸電線路下方存在平行油氣管道，靜電感應(yīng)和電磁耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流會(huì)加速管道的腐蝕[8]. 也有學(xué)者對(duì)交流和直流輸電線共用走廊的電磁感應(yīng)進(jìn)行了研究[9-10]，在鐵路供電方面也存在交流電氣化鐵路對(duì)直流地鐵供電線路的電磁干擾影響.

在牽引供電系統(tǒng)方面，文獻(xiàn)[11]提出了交流電氣化鐵路引起的地電位的計(jì)算方法，并針對(duì)地電位危害提出防護(hù)措施. 文獻(xiàn)[12]對(duì)電氣化鐵路在鄰近貫通線路上產(chǎn)生的電磁影響的機(jī)理進(jìn)行分析，并編寫(xiě)軟件計(jì)算檢修的電力貫通線上的感應(yīng)電壓與感應(yīng)電流. 文獻(xiàn)[13]考慮電纜線芯尺寸的影響，提出了交流電氣化鐵路對(duì)單芯電纜金屬護(hù)層感應(yīng)電壓的修正計(jì)算公式. 文獻(xiàn)[14-16]分析牽引供電系統(tǒng)對(duì)沿線鋪設(shè)的信號(hào)電纜的電磁影響. 文獻(xiàn)[17]將牽引供電系統(tǒng)和電力電纜利用統(tǒng)一鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)模型對(duì)其整體建立仿真模型，仿真計(jì)算牽引供電系統(tǒng)在不同工作電流下對(duì)電力電纜感應(yīng)電壓的影響情況. 文獻(xiàn)[18]分析了交流電氣化鐵路對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)的電磁干擾影響.文獻(xiàn)[19]分析了交流電氣化鐵路對(duì)沿線埋地管道的交流干擾影響，并對(duì)管道交流接地提出優(yōu)化.

上述研究關(guān)于高速鐵路對(duì)鄰近普速鐵路電力電纜的電磁干擾特性及分布規(guī)律沒(méi)有深入分析，很少考慮牽引負(fù)荷、電力電纜、土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)以及短路故障對(duì)電力電纜的電磁干擾. 因此，本文構(gòu)建高速鐵路與電力電纜之間的電磁干擾仿真模型，運(yùn)用電磁耦合理論計(jì)算電力電纜電磁干擾電壓，分析牽引負(fù)荷、電力電纜、土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)以及短路故障對(duì)電力電纜的電磁干擾，研究電力電纜沿線感應(yīng)電壓與感應(yīng)電流分布規(guī)律和工程防護(hù)措施，為電氣化鐵路的工程設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供理論支撐.

1 理論分析

在高速鐵路牽引網(wǎng)中，牽引電流從變電所經(jīng)饋線，沿接觸網(wǎng)送給電力機(jī)車，然后經(jīng)過(guò)軌道、大地和回流線流回牽引變電所. 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)對(duì)鄰近普速鐵路電力電纜電磁干擾示意如圖1所示.普速鐵路采用三芯電力電纜，直埋敷設(shè)于地下，高速鐵路對(duì)其電磁干擾分為容性耦合、感性耦合和阻性耦合. 電力電纜金屬護(hù)層接地時(shí)，其靜電感應(yīng)電荷會(huì)通過(guò)金屬護(hù)層釋放到大地，故本文不考慮容性耦合.

圖1 高速鐵路對(duì)鄰近普速鐵路電力電纜電磁干擾示意Fig. 1 Schematic diagram of interference from high-speed railways on power cable of adjacent normal-speed railways

1.1 感性耦合電壓計(jì)算模型

因高速鐵路接觸網(wǎng)中交流電流未被平衡的交變磁場(chǎng)電磁感應(yīng)影響，在鄰近普速鐵路的電力電纜金屬護(hù)層產(chǎn)生沿電力電纜縱向分布的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，對(duì)人身和設(shè)備產(chǎn)生危害的是對(duì)地電壓和電流.

根據(jù)分布參數(shù)電路理論[20]，電力電纜對(duì)地分布參數(shù)模型如圖2所示. 圖中：、為電力電纜上距首段距離為l的任一點(diǎn)電磁感應(yīng)對(duì)地電壓和電流；為單位長(zhǎng)度電力電纜縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；為電力電纜單位自阻抗；為電力電纜的單位導(dǎo)納；、分別為電力電纜首、末端對(duì)地阻抗；為電力電纜長(zhǎng)度.

圖2 電力電纜對(duì)地分布參數(shù)模型Fig. 2 Distribution parameter model of power cable to ground

由圖2得，受高速鐵路影響的電力電纜電磁感應(yīng)方程為

由于普速鐵路三芯電力電纜線路運(yùn)行過(guò)程中流過(guò)3個(gè)線芯的電流矢量和為0，線芯在電纜金屬護(hù)層上基本沒(méi)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生. 因此，三芯電纜金屬護(hù)層多采用雙端接地的形式. 則，. 代入式（2）可得：當(dāng)普速鐵路三芯電力電纜雙端接地時(shí)，其上任一點(diǎn)的電磁感應(yīng)對(duì)地電壓均為0.

1.2 阻性耦合電壓計(jì)算模型

鋼軌和大地作為高速鐵路的回流路徑，存在泄漏電阻，會(huì)有一部分牽引回流泄漏到大地中，稱為雜散電流[3]. 雜散電流通過(guò)阻性耦合在埋地電力電纜金屬護(hù)層產(chǎn)生感應(yīng)電壓. 高速鐵路對(duì)鄰近普速鐵路電力電纜阻性耦合示意圖如圖3所示. 圖中：以高速列車對(duì)鋼軌泄流點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，鋼軌為x軸，與大地平行方向且與x軸垂直方向?yàn)閥軸建立坐標(biāo)系；為負(fù)荷電流；為鋼軌回流；N(xN,yN,zN)為無(wú)限長(zhǎng)電力電纜金屬護(hù)層上任意點(diǎn).

圖3 電力電纜阻性耦合示意Fig. 3 Schematic diagram of resistive coupling of power cables

2 仿真分析

2.1 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)模型

目前我國(guó)己投入運(yùn)營(yíng)及在建的高速鐵路牽引網(wǎng)供電方式普遍采用AT供電方式，其與三芯電力電纜空間布置如圖4所示.

CDEGS軟件是加拿大SES公司推出的，具有土壤分析，接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電磁場(chǎng)和電磁干擾計(jì)算等功能的集成軟件包[21]. 本文運(yùn)用CDEGS軟件進(jìn)行牽引供電系統(tǒng)與三芯電力電纜的建模與仿真分析.建立高速鐵路牽引供電系統(tǒng)與普速鐵路三芯電力電纜電磁仿真模型立體圖如圖5所示.

圖4 高速鐵路與三芯電力電纜布置Fig. 4 High-speed railway and three-core power cable layout

圖5 CDEGS模型立體圖Fig. 5 CDEGS model stereogram

根據(jù)AT供電方式牽引網(wǎng)各導(dǎo)線的懸掛位置，選取接觸線型號(hào)為 CTMH-150，承力索型號(hào)為JTMH-120，負(fù)饋線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-300/50，保護(hù)線型號(hào)LGJ-120/20，貫通地線型號(hào)為TJ-95，各導(dǎo)線具體電氣參數(shù)如表1所示.

表1 導(dǎo)線模型電氣參數(shù)Tab. 1 Wire model electrical parameters

2.2 三芯電力電纜模型

選取銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣雙層鋼帶鎧裝聚氯乙烯護(hù)套三芯電力電纜，額定工作電壓為8.7/10.0 kV，單根導(dǎo)體截面積為70 mm2，型號(hào)為YJV22-8.7/10 kV-3 ×70，根據(jù)此型號(hào)電纜的規(guī)格在HIFREQ中定義電纜參數(shù)，具體參數(shù)如表2所示.

表2 三芯電力電纜模型參數(shù)Tab. 2 Three-core power cable model parameters

2.3 模型有效性驗(yàn)證

為評(píng)估仿真模型的有效性，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型和仿真模型分別計(jì)算正對(duì)泄流點(diǎn)不同距離處的地電位.數(shù)學(xué)模型計(jì)算地電位分布如圖6所示. 計(jì)算值與仿真值比較如表3所示.

圖6 泄流點(diǎn)周圍大地電位分布Fig. 6 Earth potential distribution around discharge point

表3 地電位比較值Tab. 3 Ground potential comparison value

由表3得，仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相近，誤差在4%以內(nèi). 運(yùn)用CDEGS建立高速鐵路與電力電纜電磁干擾仿真模型具有較高的計(jì)算精度，可用于對(duì)其電磁干擾特性的研究.

3 電力電纜電磁干擾影響因素

為研究高速鐵路對(duì)鄰近普速鐵路電力電纜感應(yīng)電壓的影響因素，設(shè)置高速鐵路牽引負(fù)荷電流為400 A，土壤電阻率為100 Ω·m，電力電纜與高速鐵路鄰近側(cè)鋼軌距離為5 m，電力電纜與高速鐵路平行長(zhǎng)度為2 km，AT所之間距離為10 km，牽引負(fù)荷在12 km處. 高速鐵路與電力電纜相對(duì)位置如圖7所示.

圖7 高速鐵路與電力電纜相對(duì)位置（單位：m）Fig. 7 Relative location of high-speed railway and power cable (unit: m)

3.1 平行長(zhǎng)度

根據(jù)電磁耦合原理，電力電纜與高速鐵路的平行長(zhǎng)度和并行間距對(duì)電力電纜的感應(yīng)電壓分布有顯著影響. 選取電力電纜與高速鐵路平行長(zhǎng)度在2～10 km變化，研究高速鐵路對(duì)電力電纜的感應(yīng)電壓，得到其沿長(zhǎng)度方向的分布規(guī)律如圖8所示.

圖8 平行長(zhǎng)度對(duì)電力電纜感應(yīng)電壓的影響Fig. 8 Effect of parallel length on induced voltage

由圖8得，隨著普速鐵路電力電纜與高速鐵路平行長(zhǎng)度的增大，電力電纜金屬護(hù)層感應(yīng)電壓逐漸升高，電纜各處電壓分布差異越大. 普速鐵路電力電纜的長(zhǎng)度由2 km增大到10 km時(shí)，其感應(yīng)電壓最大值由11.17 V增大到31.18 V，增幅為179.14%.

3.2 并行間距

選取三芯電纜與高速鐵路并行間距在5～25 m范圍變化，得到電力電纜沿長(zhǎng)度方向的感應(yīng)電壓分布規(guī)律如圖9所示.

由圖9可知，隨著普速鐵路電力電纜與高速鐵路并行間距的增大，感應(yīng)電壓在逐漸減小. 并行間距由5 m增大到25 m時(shí)，其感應(yīng)電壓最大值由11.17 V減小到9.97 V，降幅為10.74%. 可得，高速鐵路對(duì)并行間距在5～25 m范圍內(nèi)的普速鐵路電力電纜的感應(yīng)電壓變化較小.

圖9 并行距離對(duì)電力電纜感應(yīng)電壓的影響Fig. 9 Effect of parallel distance on induced voltage

3.3 機(jī)車負(fù)荷電流

高速鐵路牽引網(wǎng)電流隨著列車的運(yùn)行在不斷地變化，且不同型號(hào)列車的負(fù)荷電流不同，會(huì)引起電纜金屬護(hù)層感應(yīng)電壓的變化. 本文設(shè)置高速鐵路負(fù)荷電流在200～1 000 A范圍變化，得到電力電纜沿長(zhǎng)度方向的感應(yīng)電壓分布規(guī)律如圖10所示.

由圖10得，隨著機(jī)車負(fù)荷電流的增大，電力電纜感應(yīng)電壓逐漸增大，電纜各處電壓分布差異越大.當(dāng)負(fù)荷電流由200 A增大到1 000 A時(shí)，其感應(yīng)電壓最大值由5.62 V增大到27.37 V，增幅為387.01%.機(jī)車負(fù)荷電流的增大使得地中泄漏電流增大，從而導(dǎo)致電力電纜感應(yīng)電壓升高.

3.4 土壤電阻率

中國(guó)高速鐵路跨設(shè)在大漠戈壁、草原風(fēng)沙、崇山峻嶺、松軟濕地以及高鹽臨海等復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，土壤條件對(duì)電力電纜干擾電壓產(chǎn)生影響. 設(shè)置土壤電阻率在200～1 000 Ω·m范圍變化，得到電力電纜沿長(zhǎng)度方向的感應(yīng)電壓分布規(guī)律如圖11所示.

圖11 土壤電阻率對(duì)電力電纜感應(yīng)電壓的影響Fig. 11 Effect of soil resistivity on induced voltage

由圖11得，隨著土壤電阻率的增大，電力電纜感應(yīng)電壓在逐漸減小，其沿長(zhǎng)度方向呈倒“V”型分布. 當(dāng)土壤電阻率由 200 Ω·m增大到 1 000 Ω·m時(shí)，其感應(yīng)電壓幅值由12.98 V增大到23.12 V，增幅為78.12%. 隨著土壤電阻率的增大，電力電纜電阻率相對(duì)減小，地中電流更多地集中在電力電纜上，導(dǎo)致電力電纜的感應(yīng)電壓升高.

3.5 短路電流

接觸網(wǎng)短路故障多指對(duì)地短路、絕緣部分閃絡(luò)、擊穿等情況. 接觸網(wǎng)短路時(shí)在電力電纜上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流會(huì)急劇升高，可能發(fā)生電纜鎧裝層絕緣擊穿，或電纜接頭處絕緣擊穿，對(duì)電纜的安全運(yùn)行造成重大隱患.

為了研究接觸網(wǎng)短路情況下電力電纜的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，本文設(shè)置短路點(diǎn)入地電流為5～25 kA變化，得到電力電纜感應(yīng)電壓如圖12所示，感應(yīng)電流如表4所示.

圖12 短路電流對(duì)電力電纜感應(yīng)電壓的影響Fig. 12 Effect of short circuit current on induced voltage

表4 短路電流對(duì)電力電纜感應(yīng)電流的影響Tab. 4 Effect of short circuit current on induced current

由圖12得，隨著短路電流的增大，電力電纜感應(yīng)電壓逐漸增大. 當(dāng)短路電流由5 kA增大到25 kA時(shí)，其感應(yīng)電壓最大值由75.33 V增大到209.44 V，增幅為178.03%. 短路電流25 kA下感應(yīng)電壓最大值是正常情況下的18.75倍. 急劇升高的感應(yīng)電壓可能會(huì)引起電纜絕緣層擊穿，威脅電纜的安全運(yùn)行.

由表4得，牽引網(wǎng)短路時(shí)，電力電纜金屬護(hù)層感應(yīng)電流處于4.500 A以下. 由《GB 13870—2008電流通過(guò)人體的效應(yīng)》[22]，當(dāng)通過(guò)人體的電流達(dá)到50 mA就會(huì)產(chǎn)生心室纖維性顫動(dòng)癥狀，當(dāng)達(dá)到100 mA時(shí)將迅速危及生命. 若此時(shí)電力電纜上有人員作業(yè)，會(huì)存在極大的安全隱患.

4 電力電纜防護(hù)措施

4.1 高速鐵路與普速鐵路防護(hù)距離

《TB 10008—2015鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》[23]中規(guī)定：電纜金屬層上任一點(diǎn)非直接接地處的正常感應(yīng)電勢(shì)最大值在，未采取有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時(shí)，感應(yīng)電壓瞬時(shí)值不得大于60 V；除上述情況外不得大于300 V. 由以上分析得在高速鐵路牽引供電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，其感應(yīng)電壓均符合標(biāo)準(zhǔn).

為避免在牽引網(wǎng)短路故障下，電纜金屬護(hù)層感應(yīng)電壓可能引起的電纜鎧裝層擊穿或金屬接頭處擊穿問(wèn)題. 由于電纜連續(xù)長(zhǎng)度不超過(guò)3 km，對(duì)不同電纜長(zhǎng)度下，高速鐵路和普速鐵路在不同防護(hù)距離時(shí)，電力電纜的感應(yīng)電壓進(jìn)行比較. 設(shè)置牽引網(wǎng)短路電流為25 kA，土壤電阻率為100 Ω·m，不同防護(hù)距離時(shí)三芯電纜感應(yīng)電壓最大值如表5所示.

由表5得，隨著高速鐵路和普速鐵路之間距離的增大，普速鐵路電力電纜金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓隨之減小. 在普速鐵路電力電纜長(zhǎng)度分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 km時(shí)，高速鐵路與普速鐵路的安全防護(hù)距離分別為 100、150、200、300、450、550 m，此時(shí)普速鐵路電力電纜感應(yīng)電壓最大值降到60 V以下，符合《TB 10008—2015鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》[23]規(guī)定. 建議工程設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)平行電纜連續(xù)長(zhǎng)度不同設(shè)置不同的安全防護(hù)距離.

表5 不同防護(hù)距離時(shí)電纜的感應(yīng)電壓Tab. 5 Induced voltage at different protective distances V

4.2 電力電纜接地方式選擇

為降低感應(yīng)電流對(duì)電力電纜的損耗以及避免牽引網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)電力電纜感應(yīng)電流對(duì)維修人員構(gòu)成威脅，將電纜金屬護(hù)層接地方式設(shè)為雙端接地、單端接地和中間接地3種方式，對(duì)比其感應(yīng)電流大小. 在牽引網(wǎng)短路狀態(tài)下，沿電纜方向分為50個(gè)小段，每小段作為一個(gè)電纜采樣點(diǎn)讀取3種接地方式的金屬護(hù)層感應(yīng)電流數(shù)據(jù)，如圖13所示.

圖13 3種接地方式下電力電纜感應(yīng)電流Fig. 13 Induced current in three grounding types

由圖13得，電力電纜單端接地時(shí)，感應(yīng)電流從接地端到另一端由大到小分布，這是由于接地端地中電流更易侵入金屬護(hù)層；電力電纜中點(diǎn)接地時(shí)，感應(yīng)電流呈中間高兩端低的趨勢(shì)，中點(diǎn)由于接地使地中電流流入電纜部分較多，中點(diǎn)以左部分牽引網(wǎng)連接牽引變電所取流大，導(dǎo)致電纜感應(yīng)電流中點(diǎn)出現(xiàn)拐點(diǎn). 因此，中點(diǎn)接地和單端接地能較好地降低電力電纜感應(yīng)電流，電力電纜感應(yīng)電流從小到大的接地方式依次為中點(diǎn)接地、單端接地和雙端接地.

5 結(jié) 論

1） 普速鐵路電力電纜感應(yīng)電壓與牽引負(fù)荷、電力電纜、土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān). 其中，平行長(zhǎng)度、負(fù)荷電流、電力電纜距牽引變電所距離和土壤電阻率對(duì)電力電纜感應(yīng)電壓有顯著影響，應(yīng)為電力電纜優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn). 平行長(zhǎng)度越長(zhǎng)、負(fù)荷電流越大、土壤電阻率越高，電力電纜感應(yīng)電壓越大.

2） 為避免高速鐵路牽引供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，對(duì)普速鐵路電力電纜造成絕緣層擊穿或威脅檢修人員安全，當(dāng)普速鐵路電力電纜長(zhǎng)度分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 km 和 3.0 km 時(shí)，建議高速鐵路與普速鐵路的安全防護(hù)距離分別為100、150、200、300、450 m 和 550 m.

3） 電力電纜采用單端接地和中點(diǎn)接地方式能較好地降低感應(yīng)電流，有利于保障檢修人員的人身安全和電力電纜的良好、穩(wěn)定運(yùn)行.

致謝：本研究得到中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（2 015-151）的支持.