电气化铁路对通信电缆电磁干扰影响的计算及防护

黄 瑞 顾 闻

（中铁二院武汉勘察设计研究院有限责任公司，武汉 430070）

电气化铁路对通信电缆电磁干扰影响的计算及防护

黄 瑞 顾 闻

（中铁二院武汉勘察设计研究院有限责任公司，武汉 430070）

电气化铁路供电系统对通信电缆存在电磁干扰，结合工程实例，介绍直接供电方式接触网对通信电缆线路危险影响产生的原因、计算方法及防护措施。

电气化；接触网；危险影响；防护

我国电气化铁路采用单相工频交流供电制式,接触网额定电压采用25 kV。电力牵引的供电回路采用接触网-钢轨(大地)方式,属于不平衡供电系统,这种不平衡供电系统,将对周围空间产生电场和磁场,对铁路沿线各种弱电设施存在电磁干扰影响。

1 电气化铁路对有线通信线路的电磁干扰影响

接触网在正常或短路故障条件下,由于感性、容性和阻性耦合,会对电气化铁路沿线的有线通信线路和设施造成电磁干扰影响。

1)感性耦合

感性耦合又称磁影响。它是由接触网牵引电流所产生的交变电磁场,通过通信线路与接触网之间存在的互感而产生的对通信线路和设备的影响。其原理如图1所示。

图1 接触网磁影响原理图

2)容性耦合

容性耦合又称为静电影响。它是在由接触网牵引电压产生的电场内,通过通信线路与接触网之间存在的耦合电容而产生的对通信线路和设备的影响。其原理如图2所示。

图2 静电感应原理

3)阻性耦合

阻性耦合又称地电位影响。接触网牵引电流通过钢轨回流时,电流通过钢轨泄露入地,使入地点及附近的大地电位升高,接近的通信线路或设备接地装置的电位随之升高,对通信线路和设备产生影响。

4)不同通信线路的主要干扰源

电气化铁路区段被干扰的通信线路主要有直埋电缆和架空电缆。架空电缆和直埋电缆由于与铁路平行距离长,干扰源主要是接触网牵引电流;直埋电缆的另一个干扰源是钢轨牵引电流,该电流瞬时干扰量大,但作用距离短,而且钢轨还具有屏蔽作用,干扰强度较弱。

2 危险影响容许标准

根据《电信线路遭受强电线路危险影响的容许值》(GB 6830-86)的标准,电信电缆的同一芯线上,任何两点间的感应纵电动势在接触网正常供电条件下和短路工作情况下的容许值如表1所示。

表1 危险影响容许值

3 感应纵电动势计算与分析

3.1 计算公式

接触网正常工作和短路故障状态下,磁感应影响在弱电线路上感应产生的纵电动势为:

式中:

ω:接触网基波电流角频率;

Mi:50 Hz时电信线路与接触网之间的第i段互感系数 (H/km);

lp:电信线路与接触网的接近长度 (km);

λ:50 Hz钢轨屏蔽系数;

S:50 Hz电缆屏蔽系数;

K:50 Hz电信线路邻近接地导体对磁影响的屏蔽系数。

I:接触网正常工作时取等效牵引电流Id(A);接触网短路时取短路电流IS(A)。

当通信线路的平行接近长度超出一个以上供电臂时,在计算感应纵电动势时,应分别对每个供电臂进行计算,取其中较大值与容许值标准相比较;当通信线路小于或等于一个供电臂长度时或在某供电臂内通信线分段使用时,应按通信线路在该供电臂内平行接近长度或在该供电臂内通信分段使用后的平行接近长度计算其感应影响;在复线电气化铁道区段,若上、下行接触网采用同相供电,则对接近的通信电缆线路的影响为上、下行接触网电缆所产生的感应纵电动势的代数和。

3.2 参数取值

互感系数M值指影响回路(接触网、强电线路、大地回路)与被影响回路(通信线路、大地回路)间的互感系数。M值与影响、被影响回路间的接近距离及大地导电率(δ)有关,通信电缆线路与接触网线路的相对位置使通信电缆线路产生危险或干扰影响时称为接近。接近距离(a)小时,则M值增大,接近距离大时,则M值小;大地导电率愈高,M值越小。根据大地导电率和接近距离可在《铁路工程设计技术手册.信号》图5.3.1.1中求得M值。如表2所示。

表2 按地质资料判定大地导电率

以紫云铁路为例,该线路的大地导电率δ=10×10-14/CGSM,现场勘察实测结果基本相同。

a:当两线路接近的距离变化不超过其算术平均值的5%时,称为平行接近,则a=ai。以紫云铁路为例,这里取a=10 m。

M:根据M值的计算图表得到M=920× 10-6H/km。

Id:可根据接触网专业提供的资料,得出接触网正常供电时的电流大小和接触网短路接地时的电流大小。

以紫云铁路(单线)为例,接触网正常工作时电流I=500 A;接触网短路接地时IS=2 000 A。可得到其正常工作时的等效牵引电流Id=500 A,短路时的等效牵引电流IS=2 000 A。

ω:接触网的电压频率为50 Hz,得到ω=2× 3.14×50=314 rad/s。

lp:接近段长度,为通信电缆线路接近段在接触网线路上的投影长度。以紫云铁路为例,由于区间长途通信电缆线路与接触网线路接近平行,所以区间长途通信电缆线路接近段长度按站间距11 km考虑。

K:电磁综合屏蔽系数K=λ×γ×k。

k:环境综合屏蔽系数目前尚无测定或批准的数据,计算时取k=1。

λ:钢轨屏蔽系数。

在工程设计中,根据通信线路与接触网之间的不同接近距离及大地导电率的不同,钢轨全电流屏蔽系数可按表3取值。

表3 50 Hz在钢轨感应电流屏蔽系数值

以紫云铁路为例,查表可得钢轨屏蔽系数为0.35。

电缆护套的固有屏蔽系数计算比较复杂,故一般采用实测值。常用电缆的屏蔽系数(γ)如表4所示。

表4 常用电缆屏蔽系数

注:以上屏蔽系数由西安电缆厂提供。

以紫云铁路为例,铝护套长途通信电缆的屏蔽系数为0.1。因此,综合护套电磁综合屏蔽系数: K=1×0.35×0.1=0.035。

3.3 计算结果

将以上系数代入磁感应纵电动势的计算公式可得如下结果:

1)接触网正常运行时,铝护套长途通信电缆上产生的磁感应纵电动势E:

2)接触网短路接地时,铝护套长途通信电缆上产生的磁感应纵电动势ES:

3.4 计算结果分析

根据《电信线路遭受强电线路影响的容许值》(GB 6830-86)的标准,电信电缆的同一芯线上,任何两点间的感应纵电动势在接触网正常供电条件下不大于60 V,在接触网故障状态下不大于电缆直流耐压试验的60%或交流耐压试验的85%。

根据《铁路工程设计技术手册-通信》中规定,长途通信电缆芯线间电气绝缘强度电压不低于直流1 000 V。在接触网故障状态下,区间长途通信电缆上磁感应纵电动势应不大于1000×60%=600 V。

以紫云铁路为例,通过计算可知。

1)接触网正常运行时,铝护套长途通信电缆上产生的磁感应纵电动势为55.61 V,低于标准允许值60 V,满足规范要求。

2)接触网短路接地时,铝护套长途通信电缆上产生的磁感应纵电动势为222.44 V,低于电缆直流耐压试验值的60%,满足规范要求。

在实际工作中,根据接触网的影响电流(I)和综合屏蔽系数(S)的乘积、接近地段的大地导电率(δ)和通信线路与电气化铁路间距离,通过表5,可以很方便得出两线路的平行接近最小长度。

表5 通信线路与电气化铁路平行接近的最小长度

4 防护措施

交流电气化铁路区段通信电缆线路及设备可以采用以下防护措施:

1)加装通信感应纵电动势抑制设备。其基本工作原理是将电缆芯线上的交流感应纵电动势从信号领示线上取出,经放大器放大、反相后再由变压器加到电缆芯线上,以抵消感应纵电动势和改善由此产生的杂音。

2)加装绝缘变压器:在通信电缆线路受电气化铁道危险影响的区段,通信站、车站通信机械室均应设置电化引入架或电化型车站综合柜,并装设绝缘变压器。音频回线(除长度较短并通直流信号的线对外)都应接入绝缘变压器。绝缘变压器次级线圈中心接地,当外线进入的感应电压超过线圈耐压时,将线圈击穿,经次级线圈中心接地点入地,以达到保护设备和人身安全的目的。

3)接地处理:长途电缆护套接地(电阻不大于4 Ω),地线间距不大于4 km;通信站接地电阻不大于1 Ω;变电所及分区亭接地电阻不大于2 Ω。地区(站、场)电缆与电气化铁道平行接近长度超过2 km时,其主干电缆两段应设电缆屏蔽地线。在变电所附近的电缆屏蔽地线与变电所接地网之间应保持一定的距离。

4)在电气化铁道区段,长途电缆接头套管应做绝缘防护,其接头套管处与接触网杆地线的距离应大于5 m。在接触网支柱及距接触网带电部分5 m范围以内的通信设备金属结构体均须接地。

5)长途光电缆接头套管、铠装、钢芯需进行绝缘处理,光电缆屏蔽层要求单端接地。

6)在电气化铁道区段,新建长途通信电缆应采用铠装二级外护层的高屏蔽直埋电缆。电缆金属护套对50 Hz的感应纵电动势每公里为30～150 V时,其固有屏蔽系数应小于0.1。

5 结束语

通过对电气化铁路通信防护的合理设计,能够有效降低接触网强电流对通信设施的不良影响,提高运营、维护的安全可靠。

The power supply system of electrified railways may cause electromagnetic interference to communication cables. With an example, this paper introduces dangerous influence of the catenary to communication cables in the direct feeding system, and analyzes the causes, calculation methods and protection measures.

electrification; catenary; dangerous impact; protection

10.3969/j.issn.1673-4440.2014.04.012

2012-10-16）