重载桥梁区段信号电缆防护牵引电流影响的改造措施

马沧海 杨世武 刘 仓 刘彦堂

（1．中国铁路总公司运输局电务部，北京 100844；2．北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044；3．太原铁路局电务处，太原 030013；4．太原铁路局大同电务段，山西大同 037005）

根据铁道部科技开发项目要求[1]，课题组对大同—秦皇岛(简称大秦)等重载线路桥梁区段信号电缆感应电压、牵引电缆回流数值以及形成电弧条件等方面开展了全面的理论分析和测试，主要数据和推导已在研究报告中详细描述，本文仅对可用于工程的改造方案和措施进行简要总结。

1 大秦线接地方案特点概述

目前，重载铁路采用自耦变压器（AT）供电方式，接地采用ZPW-2000轨道电路的贯通地线。每隔一定距离，信号电缆外皮将接入贯通地线；轨道电路中空心线圈或扼流变压器中点通过横向连接与贯通地线相连；另外，空扼流中点还会与保护线连接。可见，强电系统尽管不会直接接入贯通地线，但二者依然存在不可分割的传导耦合关系。下面对重载线路（大秦线）的接地方式进行简要总结，如表1所示。

通过表1所示内容并结合测试和现场调研可知：1）虽然重载铁路的接地方案不同于高铁的综合接地系统，但在本质上，牵引供电系统与信号设备之间依然存在直接关联，差异之处主要体现在电缆接地方式、道床电阻以及贯通地线材料具体参数等方面。2）电缆槽与贯通地线均为金属材料，但未有效低阻抗互连，因而二者可能存在电位差。3）信号电缆与贯通地线等没有有效的隔离。4）桥梁处贯通地线接地电阻难以满足1 Ω要求。5）贯通地线存在被盗现象，且难以及时发现。

表1 重载接地方案

2 信号电缆防护牵引电流干扰主要措施

根据课题组测试和计算等相关研究，在正常条件下，牵引供电在电缆中形成的电位差和电缆外皮中产生的传导电流，均不会导致电缆击穿和烧损。除人为因素外，电缆烧损均是在故障或某些特定条件下引起的。因此，课题组提出的改造方案并非纯粹等同于为了防止电缆烧损，同时，也有利于保证信号设备安全和减小电磁干扰。另外，信号设备防护干扰效果不仅体现在设计环节，还与施工质量以及运营维护密切相关。

综合研究结果，改造方案主要包括以下8项措施。

2.1 消除可能引起放电的电位差

贯通地线通过低阻抗接地，其重要作用是保持所连接设备的等电位。大秦线采用金属电缆槽，在桥梁区段，电缆槽本身导电连续性很差。根据课题组现场测试和室内模拟测试，贯通地线与电缆槽之间可能出现电位差；当达到20 V以上时，会造成放电或打火，从而使贯通地线的外护层加速老化甚至引燃烧损。

从工程的角度，考虑到全部更换金属电缆槽的改造成本过高，因此，建议改善电缆槽的导电连续性，并增强对电缆的屏蔽效果；同时，将贯通地线每隔100 m左右与电缆槽栓接，以消除二者间的电位差，避免导致放电甚至拉弧。

2.2 对信号电缆和贯通地线进行物理隔离

牵引电流可能进入贯通地线，本质上属于强电范畴，因而不同于信号电缆。但在实际工程施工中，信号电缆不仅与贯通地线同槽铺设，而且经常扭绞在一起，不仅加大了对信号电缆的电磁干扰，还增大了信号电缆引入强电甚至被烧损的机率，类似于引火烧身。因此，参照实际条件，应尽量把同槽敷设的（通信）信号电缆与贯通地线实施物理隔离。鉴于电缆槽空间存在局限，更便于操作的实际方法是在电缆槽内通过绝缘阻燃胶皮将电缆与贯通地线隔开：即将绝缘阻燃胶皮置于贯通地线与电缆之间，并尽量减小电缆与钢槽接触。

通过物理空间或绝缘材料隔离信号电缆与电缆槽、贯通地线，既减小了信号电缆芯线的干扰，又提高了二者间绝缘及阻燃等级，同时还在一定程度上消除了由于其他外界因素（如外界火源等）造成电缆烧损的隐患。

2.3 必要时加设地网

贯通地线接地电阻应不大于1 Ω。由于相当数量的桥梁和隧道地处山区，土壤电阻率普遍较大，达不到接地电阻的指标要求。因此，在桥梁或隧道区段，必要时可增设专用地网，当其连接贯通地线后，强电流经过贯通地线迅速泄流，降低瞬态电压，防止信号电缆绝缘损坏。当然，对于接地电阻率较低的地区，桥梁接地电阻已达到规定要求，形成良好的泄流通道，则无需增设地网。

具体实施时，对于长度小于1.5 km的桥梁和隧道，必要时可在一端桥头处敷设地网；对于长度大于1.5 km的桥梁和隧道，可在桥梁的两端处分别设置地网。另外，可根据现场环境适当采取其他降阻措施。

需要注意，地网可根据桥梁的差异而采用不同规格（大小），接地体应确保接地效果良好，建议采用接地铜缆与贯通地线连接；贯通地线引出端宜与桥梁上接触网杆塔保持一定距离（最好不小于15 m）。

2.4 贯通地线材料的选型

兼顾接地效果及阻燃特性等因素，在桥梁和隧道区段宜采用外护套为合金护套或是环保金属的贯通地线。

目前，大秦铁路大量采用外护套为环保塑料的贯通地线。考虑到实施的可操作性及工程投资及防盗等因素，当前可仅在桥梁和隧道区段更换成合金护套的贯通地线。

在更换过程中，在两种材质的贯通地线的连接处可采用直通型连接方式，在连接前应将贯通地线端部的外护套剥离。另外，建议将两种地线压接头放置在桥头的路基处，防止桥梁在震动时，损伤电缆。更换贯通地线时，建议由工务部门配合完成。

2.5 对贯通地线进行断线检测及过程监测

从维护方面来看，贯通地线在现场经常出现丢失的现象，且难以及时发现。这样会减弱等电位的效果，持续较长时间后也增加了危害电缆的概率。因此，有必要通过技术手段，实施对贯通地线的断线和状态检测，有条件时，可纳入微机监测和故障诊断系统中，及时发现并通知修复，保证列车运行的安全。课题组开发了一种基于低功耗微处理器和短消息的桥梁贯通地线监测装置（授权专利）。

另外，结合项目的前期调研，在信号电缆烧损后，由于需要迅速修复，对现场相关数据和状态记录很难完全保留并准确存档，因而对事后信号电缆烧损原因分析带来相当大的困难。这一方面，现场维护中有待改善。

2.6 信号电缆双端接地宜改为单端接地

经过课题组理论计算和室内模拟测试，得到结论，在目前接地条件下，同时考虑传导干扰和感应干扰的影响后，对于降低电缆芯线纵向感应电动势来说，单端接地要优于双端接地。特别是针对桥隧区段，单端接地具备而双端接地不具备的优点是：可防止由于双端接地的电位差形成传导电流环路、以及贯通地线断线时牵引电流通过电缆外皮回流。

因此，建议在桥梁和隧道区段，将信号电缆的接地方式改为单端接地，单端接地的电缆长度不宜超过1.5 km。考虑到本工程是为在已开通运营的繁忙区段实施信号电缆接地工程，为尽量减少对行车的干扰，可暂采用接续盒方式（在不切割既有使用电缆芯线条件下）实现单端接地，尽量减小对电缆屏蔽效果的影响。另外，在桥上（电缆槽内）敷设的电缆切割后实施单端接地，施工时易造成电缆受损，影响行车；再加上桥梁及电缆槽空间狭窄，不利于施工，故单端接地实施地点宜选择在桥梁两端的路基处。如图1、2所示。

在电缆单端接地时，电缆的铠装和铝护套应同时接地。对于长度小于1.5 km的桥梁和隧道，单端接地的实施方法如图1所示；对于长度大于1.5 km的桥梁和隧道，单端接地如图2所示。其中，将电缆的铝护套和铠装断开，并用接续盒连接，主要是对电缆芯线进行保护。

考虑到大秦铁路目前主要采用双端接地的方式，因此，在桥梁和隧道区段建议改为单端接地，而在路基区段可维持原状（即双端接地）。

2.7 加强与牵引供电部门协调和配合

根据课题组现场调研，大秦线等重载线牵引供电现场出现故障现象较为频繁，而且与信号之间的协调不够及时和充分。统计显示，强电造成的信号故障（包括电缆）也占了较大比例。显然，信号防干扰不能忽视干扰的源头，应综合防治，需多方面配合进行协同预防。

建议加强与牵引供电专业沟通，有效防止接触网故障及闪络等现象；同时应加强信息互通和共享，信号部门有必要及时掌握牵引供电的状态和关键参数。

2.8 规范工程施工及测试

1）施工注意

项目研究中发现，由于电缆接头等薄弱处破损后，可能具备电弧形成条件，引起放电和高温过热，最终有可能导致电缆烧损。因此，在新建及改造过程中，应完善施工规范和提高质量，防止电缆磨损及过度弯折、从而在破损后引入强电或外界大能量。

2）完善维护手段及技术

对桥梁区段牵引电流等数据，完善常规巡视和测试规范。在朔（州）—黄（骅港）重载线等现场测试中，课题组发现缺乏必要的基本测试工具，现场技术力量还有待于加强；另外，对于接地电阻测试等技术含量高的工作，存在不规范的操作方法。

3 结语

本课题提出的部分措施已在大秦线、朔黄重载线实施（如图3所示），达到了预期效果。需要说明，朔黄线采用UM71轨道电路，但仅在桥梁区段敷设（局部）贯通地线，二者接地等配置有所不同。

上述内容中涉及到的相关数据和依据内容详见文献[1]。具体的改造方案和维护细则应由设计单位结合原有规范，进行综合分析和系统规划。以上内容是课题组在本项目研究中总结的主要措施，供现场单位参考；在实践中不断完善后，最终由设计部门形成规范。

致谢：中国铁路总公司运输局电务部李文涛处长、北京全路通信信号研究设计院有限公司潘继军高工、中铁工程设计咨询集团有限公司梁伊模高工对本项目提供了很有价值的参考意见。

[1]北京交通大学，太原铁路局.既有线重载铁路运输研究—重载桥隧特殊区段信号电缆防护大牵引电流技术研究.2013.

[2]铁道部工程设计鉴定中心.铁路综合接地和信号设备防雷系统工程设计指南[M]. 北京:中国铁道出版社，2009.