通信电缆受高速铁路接触网电磁感应影响的分析研究

谷海龙迟耀丹杨小天慕雨松谭天洪

(1:吉林建筑大学电气电子信息工程学院，长春 130118;2:吉林大学，长春 130021)

高速电力机车在运行时，接触网的接触线中的电流高达1200 A，发生短路时超过上万安培[1－2]，接触网周围将存在着巨大的电磁场.该电磁场会对临近用于机车通信和机车控制的电缆上产生电磁感应，感应电压和电流会干扰电缆中的通信信号，导致机车中的电子设备产生误动作，严重的将会影响到电力机车的安全运行.因此，分析电力机车运行时电磁干扰的产生机理，提高通信电缆的抗干扰能力具有十分重要的意义.

1 通信电缆上电磁感应影响产生的原因分析及相关理论计算

1.1 原因分析

在电力机车运行时，接触网、电力机车、钢轨、大地、回流线形成闭合回路，接触网中将有交变的电压和电流存在，交变的电压将产生电场，接触线中交变的电流将产生磁场.此时处在电磁场中的通信电将受到电场和磁场的严重影响.根据影响结果可分为危险影响和干扰影响两方面 .

(1)危险影响.危险影响是由于接触网附近的通信电缆在电磁场的作用下，产生感应电压进而影响到人的生命安全.感应电压主要是由接触网周围的电场和磁场产生的.电感应所产生的感应电压原理如图1所示.

图1 容性耦合原理

图中C11为接触网对地产生的耦合电容;C12为接触网与通信电缆之间产生的耦合电容;C22为通信电缆对地产生的耦合电容;Ut为接触网电压;Us是由耦合电容C22产生的感应电压.由于感应电压Us通过耦合电容实现，所以电感应又称容性耦合、电场耦合或静电耦合[4].

磁感应是指当接触网的接触线中有交变电流通过时，在导线周围将产生交变的磁场，处在磁场中的通信电缆由于磁耦合的作用，将在通信电缆上产生感应电动势，产生机理如图2所示.

图2 感性耦合原理

(2)干扰影响.干扰影响是通信电缆中的信号在感性耦合和容性耦合的影响下发生信号突变，导致不能正常传输信号的现象.在电场作用下，由于分布电容的存在，通信电缆的屏蔽层上产生静电感应分量，当信号电缆屏蔽层接地，该分量将为零;同时，接触网电压产生的电场力线由于屏蔽层的存在终止于导体表面和地表面，导体内部无此电场存在，内部电势处处相等.所以，容性耦合所产生的影响是微乎其微的，本文只需考虑感性耦合.

1.2 理论计算

感应电压的计算，是由电场产生感应电压Us的值采用镜像法来计算，其计算原理图如图3所示.图中1为带电接触网;2为与接触网临近的通信电缆;r为接触网接触线的半径;h为接触网对地的高度;d为接触网与通信电缆的距离.感应电压可通过下式计算:

图3 镜像法原理

由于接触网中存在着电流i，在接触网周围产生磁场，通过磁场的耦合作用将在通信电缆上产生的纵向感应电动势按下列公式计算:

式中，ω为接触网基波电流角频率;Mi为50 Hz时电信线路与接触网之间的互感系数，H/km;Is为接触网牵引电流，A;lp为接触网与通信电缆的并行长度;λ为50 Hz时接近段内各种接地导体的电磁综合屏蔽系数，其中，λ=λGλEλKλL.屏蔽系数推荐值:λG为钢轨屏蔽系数:牵引变电所附近取0.2;双线牵引变电所2000 m以外取0.45;单线牵引变电所2000 m外取0.55;λE为回流线屏蔽系数，取值为0.55～0.7;λK为受影响的电缆护套屏蔽系数，取值为0.1～0.5，对于电信电缆，取决于电缆金属护套的结构;λL为干扰区域内其他接地导体和元件的屏蔽系数建筑物密集区取值为0.7～0.8，农村地区取值为0.9～1.0.对于两个导体－大地回路间的单位长度互感，其值可按下式计算(3)

式中，a为两回路之间的接近距离，m;ρE为大地电阻率，Ω·m;f为供电电源频率，Hz.这里我们给出干扰影响杂音计电动势计算公式[5－6].

2 电磁感应影响限值的确定和实例计算

2.1 影响限值的确定

危险影响的限值可根据国家标准GB 6830－1986《电信线路遭受强电线路危险影响允许值》来确定[7]，故障状态下强电线路为一般电力线或交流铁道接触网时通信导线上的纵电动势允许值为430 V(有效值);正常运行状态下通信导线上纵电动势允许值为60 V，该值为有效值.干扰影响限值根据ITU/T的最新建议，电信线路上允许最大杂音计电动势为1mV.

2.2 实例计算

针对某轨道客车厂的实际项目，我们得到如下数据:与高速动车组并行5 m处有一通信电缆，并行长度3 km，接触网等效高度5.3 m，接触网等效半径为8.56 mm，大地导电率为ρ=0.25×103 Ω/m，静电综合屏蔽系数为0.8，牵引电流1000 A.把以上数值代入公式(1)，Us=4.85 kV.由此可见，通信电缆上的感应电压是很大的，必须将其做接地处理.

计算纵感应电动势时，各参数根据计算取如下数值:ω =314，Mi=0.8，Is=1000 A，Lp=3 km，λ=0.05445，将以上数据代入公式(3)中，计算得E=41 V.计算值小于规定限值60 V.所以感性耦合不会对通信电缆产生影响.干扰影响杂音计电动势计算时各参数取值如下:ω=502400，M800=0.75，Ie=4 A，Lp=3 km，λ =0.009，代入公式(4)，经计算，Um=0.42 mV，小于 ITU/T的建议的限值1mV.因此，感性耦合产生的杂音计电动势不会影响通信电缆的正常通信.

3 高速铁路对通信电缆影响的防护措施

高速动车组在运行时，接触线中的电流较大，通过以上计算可知通信电缆上的感应电压极大，这将会对通信电缆的通信质量和检修人员造成严重影响，为此，必须对通信电缆采取防护措施.根据电磁兼容理论和实际工程情况，可以从以下两方面采取措施:

(1)从干扰源方面下手，即在牵引供电系统上采取措施.①在接触网中增设回流线圈.增加回流线圈以后，钢轨电位和接触网的等效阻抗将降低，这将大大削弱电磁感应的影响;②在接触网中串联吸流变压器和自耦变压器，以减少供电臂的长度，从而减小对通信线路的电磁干扰.

(2)在通信电缆上采取措施，即提高通信电缆自身的抗干扰能力.①将非屏蔽电缆改为高性能屏蔽的铁路专用通信电缆;②将金属护套屏蔽层串接接地电阻做接地处理.实验证明，通信电缆屏蔽层接地将有效地屏蔽电场的影响，同时大大削弱磁场产生的影响;③在通信线路上设置杂音拟制器.

4 结语

高速铁路通信电缆的通信质量直接关系到列车的安全运行和检修人员的生命安全.本文结合有关电磁兼容理论和工程实际，对容性耦合和感性耦合产生的干扰机理进行了详细的分析，并从接触网、通信电缆两方面采取了减少干扰源及提高通信电缆屏蔽效能等措施，从而达到在保障列车高速运行电力供应的同时，降低干扰，保证通信质量目的.同时，对有关新建、改建的高速铁路的实际情况，对如何采取针对性的电磁防护措施，有效抑制电磁干扰带来的影响，在保障高速电力机车的安全运行与检修人员安全方面进行了探讨.

[1]常媛媛.高速铁路牵引供电系统对信号电缆电磁影响若干问题的研究[D].北京:中国铁道科学研究院，2011.

[2]肖小军.铁路电气化对通信电磁影响的分析计算及其软件系统开发[D].长沙:中南大学，2005.

[3]高大纲.电气化铁道供电系统对通信电缆线路的影响[J].铁道通信信号，2006，42(1):30－32.

[4]陈 欣.铁路通信线路电气化干扰防治[J].大众科技，2012，12(160):51－52.

[5]赵国谦.交流电气化铁道杂音干扰影响的理论计算[J].铁道学报，1983，12(5):30－38.

[6]冯 博.浅议铁路电气化对通信线路和设备的影响与防护[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2011，10(4):53－56.

[7]国家标准局.电信线路遭受强电线路危险影响的允许值GB 6830—1986[S].北京:中国标准出版社，1986.