屏蔽變壓器在電氣化鐵路信息傳輸電纜防干擾中的應用

常媛媛，張博聞，楊 蕾

0 引言

電磁感應原理決定了變化的電流將在其周圍產(chǎn)生磁場，當磁場與鄰近的導電回路產(chǎn)生交鏈時，將在導電回路中產(chǎn)生感應電壓。在電氣化鐵路環(huán)境中，前者為干擾源，后者為受擾對象，當前者的等效干擾電流為零時，稱其為平衡系統(tǒng)，此時對后者不產(chǎn)生電磁干擾。

電氣化鐵路牽引供電方式的發(fā)展過程也是對電磁干擾問題的思考與改進的過程。從直接供電到帶吸流變壓器（BT）的直接供電，再到自耦變壓器（AT）供電，牽引供電系統(tǒng)的電磁不平衡度逐漸降低，到AT 供電方式時，牽引供電系統(tǒng)相對于沿線的弱電設備及電纜的電磁不平衡度得到很大改善，理想情況下接近于平衡系統(tǒng)[1，2]。AT 供電方式的出現(xiàn)使電氣化鐵路內(nèi)部電磁環(huán)境對弱電設備電纜的電磁影響大大降低，但是隨著電氣化鐵路改造及新建市域鐵路中直接供電方式的應用，電磁干擾問題再度出現(xiàn)。因此，只有真正解決電磁感應對沿線弱電系統(tǒng)設備的電磁干擾，才能有效保證運輸安全和旅客生命財產(chǎn)安全。

1 電氣化鐵路直接供電方式電磁干擾

當接觸網(wǎng)供電臂內(nèi)有機車運行時，直接供電方式接觸導線將在其周圍空間內(nèi)產(chǎn)生交變電磁場，對沿線信息傳輸電纜產(chǎn)生磁感應耦合，在電纜芯線上產(chǎn)生感應電壓。長白電氣化鐵路即采用直接供電方式，電磁感應模型簡化示意如圖1 所示。

圖1 接觸網(wǎng)對電纜感應干擾簡化模型

根據(jù)電磁感應方程，接觸網(wǎng)電磁干擾導致電纜芯線產(chǎn)生的感應電壓為

式中：K為感應系數(shù)，K=Z1A/ZA，Z1A為牽引供電系統(tǒng)和信息傳輸電纜間的互阻抗，ZA為信息傳輸電纜阻抗；I1為接觸網(wǎng)電流（即施感電流），A；lp為信息傳輸電纜與接觸網(wǎng)之間的平行接近長度，km；x為測點到電纜始端距離；γ為信息傳輸電纜傳播常數(shù)；Zc為信息傳輸電纜特性阻抗。

當電纜處于正常工作狀態(tài)下，沿線電纜芯線對地近似絕緣，這時電纜芯線兩端的對地感應電壓大小相等，相位相反，并為沿線對地感應電壓的極值，而芯線中點處的對地感應電壓為零，故可得電纜芯線始端和終端的電位差為

由此可知，當絕緣的電纜芯線受平行接近的交流電氣化鐵路接觸網(wǎng)電磁感應影響時，在接近段內(nèi)，芯線始端和終端對地電壓的極值為兩端間感應縱電勢的一半。

電纜芯線上的感應電壓分布與電纜的接地方式有關，接地方式不同，接觸網(wǎng)電磁影響導致電纜芯線產(chǎn)生感應電壓的分布也不同。

圖2 感應電壓電流分布（一）

（2）電纜始端絕緣，終端接地。V0= -E；Vl=0；I0= 0；Il=kmI1th(γl)。此時電纜感應電壓和電流變化曲線如圖3 所示。

圖3 感應電壓電流分布（二）

圖4 感應電壓電流分布（三）

（4）電纜兩端接地。V0=Vl= 0；I= -kmI1。此時電纜感應電壓電流變化曲線如圖5 所示。

圖5 感應電壓電流分布（四）

2 屏蔽系數(shù)

為降低鐵路沿線信息傳輸電纜芯線上的感應電壓，確保信息正常傳輸，可在鐵路沿線設置屏蔽導體對電纜芯線進行屏蔽保護；同時，鋼軌、橋隧的鋼筋結構也可對電纜芯線起到屏蔽保護作用；電纜外皮可充當屏蔽層對芯線實施屏蔽保護，保護方式為雙端接地。在實際測量和計算中，用屏蔽系數(shù)來表征屏蔽層對電纜芯線的電磁防護效果，屏蔽系數(shù)越小，防護效果越好。屏蔽系數(shù)的計算式為

式中：u0為沒有屏蔽層時芯線的感應電壓；u為有屏蔽層時芯線的感應電壓。

2.1 鋼軌屏蔽系數(shù)

由于交流電氣化鐵路是一個以接觸網(wǎng)為去線，鋼軌、回流線和貫通地線、大地等回流導體為回線的不平衡供電回路，因此鋼軌中的電流與接觸網(wǎng)中的電流方向相反，對鄰近電纜的磁感應影響起抵消作用。鋼軌電流的這種抵消作用通常用屏蔽系數(shù)來衡量。鋼軌電流屏蔽系數(shù)包括鋼軌全電流屏蔽系數(shù)和鋼軌感應電流屏蔽系數(shù)。當電力機車遠離牽引變電所時，即在距電力機車及牽引變電所3～5 km 的鋼軌內(nèi)，將只存在感應電流分量，傳導分量基本漏泄入地，此時鋼軌屏蔽系數(shù)即為鋼軌感應電流屏蔽系數(shù)[3]。

2.2 牽引供電系統(tǒng)屏蔽系數(shù)

類似鋼軌屏蔽系數(shù)的分析，牽引供電系統(tǒng)對信息傳輸電纜的電磁防護作用由各回流導體對電纜芯線的屏蔽系數(shù)的乘積決定。當牽引供電系統(tǒng)相對于電纜呈一個平衡回路時，去線電流和等效回線電流在信息傳輸電纜芯線上的感應電壓完全抵消。

2.3 橋隧等的屏蔽系數(shù)

當交流電氣化鐵路穿越長大鋼架結構的橋梁或長大隧道時，橋梁鋼架及隧道內(nèi)的鋼筋結構物、厚土層等對鄰近的信息傳輸電纜線路具有屏蔽作用，其屏蔽效果因橋梁鋼架尺寸、長度及隧道的長度和結構不同而異，應通過實測確定。

3 屏蔽變壓器的防護原理

屏蔽變壓器防護原理是通過提高電纜金屬護套和芯線之間的互感，增加電纜護套電流對芯線的感應作用，從而提高電纜屏蔽效果[4，5]。

假設牽引電流在電纜金屬護套上感應的縱電動勢E1和在芯線上感應的縱電動勢E2基本相等，而護套兩端接地，則在護套上產(chǎn)生的感應電流為

金屬護套中的電流I2在芯線中又產(chǎn)生一個感應電動勢E2′，其與電流I2在護套阻抗上產(chǎn)生的電壓降方向相反，大小近似相等，其值為

可見，護套-大地回路電感LR越大，芯線上剩余電壓越小，則屏蔽性能就越好。

采用屏蔽變壓器的方式，由于屏蔽變壓器電感LRT可以比LR足夠大，比采用鋼帶鎧裝的防護效果好。鋼帶鎧裝相當于鐵心變壓器，其初級（金屬護套）和次級（電纜芯線）各有1 匝，而屏蔽變壓器的初、次級線圈可以做成若干匝，且其之間的互感和匝數(shù)m的平方成正比，即

式中：μ′為鐵心的相對磁導率；A為變壓器繞組導線的橫截面積，m2；lb為變壓器繞組長度，m；m為變壓器匝數(shù)。

因此，屏蔽變壓器初級和次級線圈之間的互感可以根據(jù)屏蔽性能的要求做到足夠大，而電纜鎧裝無法實現(xiàn)。其次，普通鋼帶電感量低，可通過采用高導磁率的鋼帶提高電感量，然而導磁率高的鋼帶目前不能承受如電纜鎧裝所采用的加工方式，而屏蔽變壓器可以采用高導磁率鐵心材料，從而可以達到良好的屏蔽效果。

4 工程應用設計及設置原則

假設被保護的電纜金屬護套與地絕緣，經(jīng)理論分析和試驗證明，變壓器采用1∶1 的變比可獲得較理想的屏蔽效果，根據(jù)電纜屏蔽系數(shù)的定義，忽略變壓器的漏感，可以得到加裝屏蔽變壓器后的電纜理想屏蔽系數(shù)γ0：

式中：MR′ 為電纜金屬護套和變壓器初級線圈的直流電阻，Ω；LR為電纜金屬護套-大地回路的電感，通常取2 mH/km；LRT為屏蔽變壓器電感量，H。

因LRT>>LR，且MR′ ≈RM，則式（8）可以寫為

求得LRT后，就可按一般的變壓器設計原則進行設計。確定屏蔽變壓器的參數(shù)須具備下述條件：

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（1）應補償?shù)碾妷侯l率和幅值；

（2）加裝屏蔽變壓器后電纜的屏蔽系數(shù)γ0；

（3）電纜被影響段長度及該長度上不同區(qū)段的影響長度；

（4）被影響電纜的結構，即芯線數(shù)、導線直徑、扭絞特性、金屬護套結構及直徑、鎧裝結構及金屬護套單位直流電阻等；

（5）確定接地條件，即電纜外護層的接地電阻。

在工程應用設計中，屏蔽變壓器安裝數(shù)量依據(jù)影響段內(nèi)電纜芯線上的感應縱電動勢的大小而定。屏蔽變壓器將縱電動勢分段，每段的縱電動勢不得超過允許值。一個信息傳輸電纜段內(nèi)需要安裝的屏蔽變壓器數(shù)量可由下式確定：

式中：E為電纜長度上的縱向感應電動勢，V；u為縱電動勢允許值，V。

屏蔽變壓器設置的原則：（1）屏蔽變壓器應盡可能安裝在電纜被保護段的中間位置。（2）盡可能做到在電纜上感應縱電動勢等于允許值的每一個影響區(qū)段內(nèi)安裝1 臺屏蔽變壓器。如果電纜與交流電氣化鐵路為復雜接近，每一小段感應電壓不等，每1 臺屏蔽變壓器的實際保護長度也不同，在這種情況下，為了提高變壓器屏蔽效果，應根據(jù)實測縱電動勢的分布情況合理確定屏蔽變壓器的位置。（3）考慮電纜的平衡問題，屏蔽變壓器應盡可能安裝在電纜接頭處。

5 屏蔽變壓器屏蔽效果測試

5.1 測試布置

結合長白電氣化鐵路現(xiàn)場測試及防護需求，設計了工程應用屏蔽變壓器，其外形如圖6 所示。

圖6 屏蔽變壓器實物

本次設計的屏蔽變壓器額定電壓60 V，額定電流10 A，變壓器變比1∶1，初次級匝數(shù)各36 匝，設計初次級接線端子，初級為1 組接線，次級可同時接入8 組芯線對。

5.2 屏蔽效果測試及分析

為了測試該屏蔽變壓器的屏蔽效果并應用于實際工程，設計了屏蔽效果測試電路，并搭建了測試平臺進行屏蔽效果測試。

當50 Hz 基波及諧波發(fā)生器輸出不同的電壓時，變壓器次級回路將耦合出相應的電壓，調整滑動變阻器阻值，外護層、芯線回路電壓將發(fā)生變化。調整電流發(fā)生器，分別進行了施感電壓為10、20、30、40、50、60、70 V 的測試；在每一次測試中，分別調整滑動變阻器阻值，觀察不同阻值條件下芯線感應縱電動勢的變化。測試結果及分析如下：

（1）電纜外護層接地電阻為1 Ω，未接入和接入屏蔽變壓器時芯線感應縱電動勢的測試值見表1。

表1 不同接入條件下芯線感應縱電動勢測試值 V

（2）無諧波條件下，接入屏蔽變壓器時不同施感電壓及接地阻值條件下芯線電壓的測試值見表2。

表2 接入屏蔽變壓器時無諧波條件下芯線電壓測試值V

（3）有諧波條件下，接入屏蔽變壓器時不同施感電壓及1 Ω接地電阻值條件下芯線電壓的測試值見表3。

表3 接入屏蔽變壓器時有諧波條件下芯線電壓測試值 V

由測試結果可以看出：

（1）接入屏蔽變壓器后，芯線感應電壓較接入前大幅降低，基本抵消了牽引供電接觸網(wǎng)對芯線的干擾影響；

（2）外護層接地阻值對芯線感應電壓的影響明顯，感應電壓隨接地阻值的升高而升高；

（3）牽引電流諧波占比的變化對感應電壓影響較小，可以忽略。

6 結語

直接供電方式使牽引供電接觸網(wǎng)對沿線信息傳輸電纜的電磁危險和干擾影響加大，通過合理設計及設置屏蔽變壓器，可使電纜芯線的感應縱電動勢降低至很低的水平。下一步將根據(jù)電纜傳輸信息類型的不同及電纜接地條件的不同，進行不同類型屏蔽保護裝置的設計及應用。