高速鐵路10～35 kV電力電纜與信號(hào)電纜平行間距研究

熊 偉

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

1 概述

為減少?gòu)?qiáng)、弱電電纜溝在鐵路路基上的占用空間，節(jié)約工程投資，高速鐵路常采用集成化方案，電力電纜溝和信號(hào)電纜溝均設(shè)于路基上[1-3]。10 kV及以上電力線(xiàn)路采用單芯電纜后，由于每根電力電纜與信號(hào)電纜所處位置不對(duì)稱(chēng)，三相電力電纜的工作電流將在信號(hào)電纜芯線(xiàn)上產(chǎn)生縱向感應(yīng)電壓[4-7]。當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)過(guò)高時(shí)，將影響信號(hào)設(shè)備正常工作，甚至造成損壞信號(hào)設(shè)備、危及人員安全、引起火災(zāi)等嚴(yán)重后果。因此電力線(xiàn)路與信號(hào)電纜線(xiàn)路在敷設(shè)時(shí)，需要保持一定的安全距離，以防止信號(hào)電纜線(xiàn)路中縱感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)超過(guò)允許值。

國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)分別從信號(hào)電纜芯線(xiàn)上的縱向電動(dòng)勢(shì)及電力電纜和信號(hào)電纜平行敷設(shè)間距兩個(gè)方面對(duì)信號(hào)電纜提出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8-12]。

歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CENELEC)在EN 50121系列標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，在強(qiáng)電線(xiàn)路處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，信號(hào)電纜芯線(xiàn)上的縱向電動(dòng)勢(shì)允許值最大為60 V；在電力線(xiàn)路處于故障運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，對(duì)于電信明線(xiàn)線(xiàn)路允許通信導(dǎo)線(xiàn)上的縱向電動(dòng)勢(shì)值最大值為430 V。我國(guó)TB/T 3100.1～3100.1.6《鐵路數(shù)字信號(hào)電纜》規(guī)定：信號(hào)電纜的線(xiàn)芯對(duì)屏蔽與金屬套的絕緣試驗(yàn)電壓為50 Hz2 min2 000 V[13]。TB/T 2476.1～2476.4《鐵路信號(hào)電纜》中規(guī)定：信號(hào)電纜的線(xiàn)芯對(duì)屏蔽與金屬套的絕緣試驗(yàn)電壓為50 Hz2 min1 800 V[14]。

對(duì)于電力電纜和信號(hào)電纜平行敷設(shè)的最小間距，GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第5.3.5中規(guī)定：不同使用部門(mén)的電纜平行間距，最小間距為0.5 m，用隔板分隔或電纜穿管時(shí)可為0.1 m；TB 10623—2014《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》第13.4.6條規(guī)定：10 kV貫通線(xiàn)電力電纜與通信信號(hào)電纜并行敷設(shè)時(shí)，兩者之間應(yīng)設(shè)實(shí)體隔斷，10 kV貫通線(xiàn)電力電纜與信號(hào)電纜之間允許的最小間距為100 mm。

由此可見(jiàn)，雖然我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)10 kV貫通線(xiàn)電力電纜與信號(hào)電纜之間的間距做出了相關(guān)規(guī)定，但僅限于穩(wěn)態(tài)工況，對(duì)電力系統(tǒng)接地短路電流、平行長(zhǎng)度、屏蔽措施等工況下的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)未做相關(guān)規(guī)定。

為研究電力電纜故障運(yùn)行時(shí)的故障電流對(duì)信號(hào)電纜的電磁影響，本文基于TB/T 3100.1～3100.1.6中規(guī)定的信號(hào)電纜線(xiàn)芯縱向電動(dòng)勢(shì)允許值1 530 V，通過(guò)建立有貫通地線(xiàn)的鐵路三相電力電纜單相短路故障時(shí)對(duì)鄰近敷設(shè)的信號(hào)電纜產(chǎn)生縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算模型，提出不同電壓等級(jí)下電力電纜和信號(hào)電纜平行敷設(shè)的推薦間距值。

2 感應(yīng)電壓計(jì)算模型

在電氣化區(qū)段，電力電纜、信號(hào)電纜和貫通地線(xiàn)的布置示意如圖1所示。圖1中：ddx為電力電纜和信號(hào)電纜的軸間距；dxg為信號(hào)電纜和貫通地線(xiàn)的軸間距；ddg為電力電纜和貫通地線(xiàn)的軸間距。圖2為電力電纜和信號(hào)電纜沿線(xiàn)敷設(shè)情況。電力電纜的護(hù)套采用一端接貫通地線(xiàn)，另一端通過(guò)護(hù)層保護(hù)器接貫通地線(xiàn)的接地方式，分段長(zhǎng)度為1 km。信號(hào)電纜的護(hù)套采用單端接貫通地線(xiàn)的接地方式，分段長(zhǎng)度為1 km。兩根貫通地線(xiàn)平行間距為10 m，每隔500 m互聯(lián)1次，貫通地線(xiàn)每隔50 m設(shè)置1處接地。

圖1 電氣化鐵路電力電纜和信號(hào)電纜布置示意(單位：mm)

圖2 鐵路電力電纜和信號(hào)電纜沿線(xiàn)敷設(shè)情況(單位：m)

電力電纜型號(hào)為YJV63-18/20(3×50)，鋁護(hù)套信號(hào)電纜導(dǎo)體的直徑為1 mm，絕緣層為實(shí)心聚乙烯絕緣結(jié)構(gòu)，厚度為0.6 mm，鋁護(hù)套厚度為1.5 mm，電阻率為 2.83× 10-8Ω·m。貫通地線(xiàn)一般為截面積35 mm2的裸銅線(xiàn)，在橋梁和隧道區(qū)段，貫通地線(xiàn)設(shè)置在電纜槽中，因此貫通地線(xiàn)采用半徑為3.3 mm的裸銅線(xiàn)建模。

小電阻接地系統(tǒng)出現(xiàn)頻率較多的故障類(lèi)型是單相絕緣擊穿導(dǎo)致的對(duì)地短路，根據(jù)對(duì)稱(chēng)分量法，其大小與故障點(diǎn)到電源的距離有關(guān)，距離越大，故障回路中的正序阻抗和負(fù)序阻抗越大，短路電流越小。而零序阻抗與中性點(diǎn)的接地電阻正相關(guān)，零序阻抗越大，短路電流也越小。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，通常小電阻接地系統(tǒng)的單相短路電流有效值不大于400 A[1]。

不接地系統(tǒng)發(fā)生單相短路時(shí)，非故障相某些絕緣薄弱點(diǎn)可能在電壓上升之后發(fā)生絕緣擊穿，故不接地系統(tǒng)出現(xiàn)頻率較多的故障類(lèi)型是兩相不同位置導(dǎo)體對(duì)護(hù)套短路的情況。此時(shí)，故障電流不再是電容電流，而是在兩相與地組成的回路中的電流，電流值將大幅增大。在兩個(gè)故障點(diǎn)之間的區(qū)間，電力電纜的故障相電流遠(yuǎn)大于非故障相電流，與小電阻接地系統(tǒng)相比，對(duì)信號(hào)電纜的影響嚴(yán)重很多，因此高速鐵路中一般為小電阻接地系統(tǒng)，本文也以此作為主要工況進(jìn)行研究。

仿真中設(shè)置電力電纜每一相相電流均為50 A，三相電力電纜品字形敷設(shè)，信號(hào)電纜護(hù)套每隔1 km單端接地。按照鐵路工程通用參考圖通號(hào)(2016)9301《鐵路綜合接地系統(tǒng)》搭建貫通地線(xiàn)模型，在鐵路兩側(cè)各設(shè)置1條截面積35 mm2貫通地線(xiàn)，電力電纜發(fā)生單相接地故障，取每千米貫通地線(xiàn)接地電阻分別為0.5、2.5、5 Ω，詳見(jiàn)圖3。圖3中，每個(gè)模塊的電纜長(zhǎng)度為500 m，設(shè)置了4個(gè)模塊，實(shí)際仿真是20個(gè)模塊，總長(zhǎng)為10 km。模塊內(nèi)部如圖4所示，由10段50 m長(zhǎng)的線(xiàn)路組成，每段線(xiàn)路由三相電力電纜、信號(hào)電纜和兩根貫通地線(xiàn)組成。

圖3 電力電纜對(duì)地短路仿真模型

圖4 仿真模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 感應(yīng)電壓計(jì)算結(jié)果

3.1 電力電纜對(duì)信號(hào)電纜感應(yīng)電壓

電力電纜中性點(diǎn)采用小電阻接地系統(tǒng)，接地電流限制400 A，故仿真中設(shè)置電力電纜品字形敷設(shè)，距離信號(hào)電纜最近相為故障相，相電流為400 A，其他兩相為正常相，相電流為50 A，信號(hào)電纜護(hù)套每隔1 km單端接地，改變電力電纜和信號(hào)電纜的軸間距、電力電纜和貫通地線(xiàn)的軸間距以及貫通地線(xiàn)每千米接地電阻，得到信號(hào)電纜的感應(yīng)電壓如表1所示。由于信號(hào)電纜感應(yīng)電壓與電力系統(tǒng)接地短路電流以及平行敷設(shè)長(zhǎng)度呈線(xiàn)性關(guān)系，為使結(jié)果具有普適性，信號(hào)電纜感應(yīng)電壓均除以電力系統(tǒng)接地短路電流以及平行敷設(shè)長(zhǎng)度，單位為V/(A·km)。

從表1可以看出：

(1)當(dāng)電力電纜和信號(hào)電纜的間距相同時(shí)，貫通地線(xiàn)越靠近電力電纜，信號(hào)電纜上的感應(yīng)電壓越??；

(2)貫通地線(xiàn)越靠近信號(hào)電纜，信號(hào)電纜上的感應(yīng)電壓越??；

(3)貫通地線(xiàn)接地電阻越小，信號(hào)電纜上的感應(yīng)電壓越小。

在電力電纜與信號(hào)電纜的軸間距相同時(shí)，貫通地線(xiàn)與電力電纜的軸間距越小，信號(hào)電纜的感應(yīng)電壓越小，當(dāng)信號(hào)電纜與貫通地線(xiàn)緊貼時(shí)，信號(hào)電纜上的感應(yīng)電壓最小。這是因?yàn)樨炌ǖ鼐€(xiàn)兩端接地時(shí)，與大地構(gòu)成回路，由于電力電纜的不對(duì)稱(chēng)交變電流，該回路上會(huì)感應(yīng)出與電力電纜電流相位相反的感應(yīng)電流，該電流與電力電纜的電流在信號(hào)電纜引起的感應(yīng)電壓是抵消的作用。

表1 信號(hào)電纜感應(yīng)電壓值

3.2 電氣化鐵路信號(hào)電纜感應(yīng)電壓

根據(jù)TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》及TB10623—2014《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，ZPW-2000軌道電路傳輸電纜長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)10 km，其中300 km/h及以上的高速鐵路不宜大于7.5 km。滿(mǎn)足TB/T 2476.1～4—2017《鐵路信號(hào)電纜》的電纜用于信號(hào)點(diǎn)燈、轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作、站間聯(lián)系信息、非移頻信號(hào)的25 Hz軌道電路以及高脈沖軌道電路送、受端。站聯(lián)電纜傳輸長(zhǎng)度一般不超過(guò)20 km，其中，站聯(lián)信息在高鐵中一般通過(guò)光纖傳輸，在普速線(xiàn)上通過(guò)電纜傳輸，其傳輸長(zhǎng)度為兩站間距離的1/2。因此，為給出最嚴(yán)苛工況下，電力電纜與信號(hào)電纜的敷設(shè)間距，二者平行敷設(shè)的距離取10 km。

在表1電力電纜對(duì)信號(hào)電纜的感應(yīng)電壓的基礎(chǔ)上，再考慮電化區(qū)段牽引供電系統(tǒng)正常工況對(duì)信號(hào)電纜最大感應(yīng)電壓ΔU=300 V的影響，計(jì)算得出不同間距下信號(hào)電纜感應(yīng)電壓如圖5所示。

圖5 電氣化鐵路信號(hào)電纜感應(yīng)電壓

由圖5可知，對(duì)于電氣化鐵路，當(dāng)電力電纜與信號(hào)電纜平行長(zhǎng)度為10 km，電力系統(tǒng)采用小電阻接地方式、單相接地故障電流限制在400 A，且貫通地線(xiàn)與電力電纜間距小于100 mm時(shí)，電力電纜與信號(hào)電纜最小平行間距為100 mm。

4 感應(yīng)電壓測(cè)試試驗(yàn)

選取溫州市域鐵路S1線(xiàn)惠民路站出線(xiàn)電纜區(qū)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)示意如圖6所示。三相單芯電力電纜是惠民路站變電所的出線(xiàn)電纜，信號(hào)電纜與電力電纜在橋上同溝敷設(shè)，信號(hào)電纜總長(zhǎng)169 m，其中橋上段長(zhǎng)度142 m，路基段長(zhǎng)度27 m，橋上一端的線(xiàn)芯、護(hù)套和鎧裝均短接后接在橋上的貫通地線(xiàn)上，另一端在橋下，供測(cè)量使用。電力電纜在溝內(nèi)品字形不換位蛇形敷設(shè)，信號(hào)電纜在溝內(nèi)直線(xiàn)敷設(shè)。電力電纜外徑49.5 mm，信號(hào)電纜外徑20 mm。電力電纜和信號(hào)電纜外皮之間的間距約為350 mm，電力電纜和貫通地線(xiàn)外皮之間的間距約為375 mm。

圖6 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)示意(單位：km)

本次實(shí)測(cè)驗(yàn)證的信號(hào)電纜測(cè)試接線(xiàn)如圖7所示，信號(hào)電纜一端的6根芯線(xiàn)和屏蔽層接地，另一端芯線(xiàn)通過(guò)濾波器和示波器接地。接地均接至貫通地線(xiàn)。使用電流鉗測(cè)量電力電纜的電流。由示波器讀取芯線(xiàn)的縱感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在電力電纜單相短路測(cè)試中，示波器采用觸發(fā)工作模式，每次短路試驗(yàn)利用電壓的上升沿信號(hào)觸發(fā)記錄波形。

圖7 信號(hào)電纜測(cè)試接線(xiàn)

單相短路時(shí)電力電纜的電流如圖8所示，信號(hào)電纜的感應(yīng)電壓如圖9所示。對(duì)單相短路時(shí)信號(hào)電纜的感應(yīng)電壓進(jìn)行傅里葉分析，得到基波和各次諧波的幅值如圖10所示。由圖10可知，單相短路電流有效值為303 A時(shí)，信號(hào)電纜的感應(yīng)電壓有效值為6.216 V，折合成單位長(zhǎng)度感應(yīng)電壓有效值為0.144 V/(A·km)。

圖8 短路電流(A相)

圖9 單相短路時(shí)信號(hào)電纜的感應(yīng)電壓

圖10 信號(hào)電纜的感應(yīng)電壓諧波分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，電力電纜與信號(hào)電纜外皮間距約為350 mm，其軸間距約為385 mm；電力電纜與貫通地線(xiàn)外皮間距約為375 mm，其軸間距約為405 mm。仿真計(jì)算得出信號(hào)電纜感應(yīng)電壓為0.150 V/(A·km)，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果0.144 V/(A·km)的誤差為4.2%，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

5 結(jié)論

本文研究了電力電纜故障運(yùn)行時(shí)的故障電流對(duì)信號(hào)電纜的電磁影響，主要結(jié)論如下。

(1)電氣化鐵路，電力系統(tǒng)采用小電阻接地，發(fā)生單相接地故障、故障電流限制在400 A，感應(yīng)電壓不超過(guò)1 530 V，貫通地線(xiàn)與電力電纜間距小于100 mm時(shí)，電力電纜與信號(hào)電纜最小平行間距為100 mm。

(2)為減小電力電纜對(duì)信號(hào)電纜的感應(yīng)電壓，在電氣化鐵路區(qū)段，貫通地線(xiàn)宜沿電力電纜貼近并行敷設(shè)，在非電氣化鐵路區(qū)段，貫通地線(xiàn)宜沿信號(hào)電纜貼近并行敷設(shè)。

(3)電力電纜與信號(hào)電纜長(zhǎng)距離平行敷設(shè)時(shí)，減少電力電纜對(duì)信號(hào)電纜干擾的主要措施有：限制電力電纜的接地故障電流，10 kV電力電纜中性點(diǎn)宜采用小電阻接地；20 kV、35 kV電力電纜中性點(diǎn)應(yīng)采用小電阻接地。