电缆故障电流对电气化铁路信号电缆的电磁影响

周德坤

摘要：改革开放以来，随着我国高速电气化铁路的不断发展和建设，现代的高速铁路面临着巨大的挑战和机遇，与传统的铁路相比出现了很多新的特点，如无砟轨道、新型转辙机、高速动车组等。但是也带来了诸多新的问题，如供电系统变得越来越复杂，动车牵引负荷大，变化频繁，导致附近电力系统的电磁环境更加恶劣，容易对铁路信号造成一定的影响。根据电气化铁路电力电缆故障与信号电缆的铺设特点，以电磁理论为依据，采取某段信号电缆敷设参数，计算出故障电流在信号电缆上产生的感应电动势。

关键词：电气化铁路 电气电缆 故障电流 信号电缆

1 概述

近年来，我国铁路设计部门和运营部门十分关注电气化铁路电力电缆故障电流对信号电缆的电磁影响问题，为确保列车能安全运行，必须保证铁路信号电缆和信号设备和控制装置之间的信息和电能的传输，在高架桥上分别沿铁路两侧预制电缆槽敷设电气化铁路电力电缆和信号电缆，并统一接地综合地线。另外，在高架路段同槽敷设综合贯通地线和信号电缆，按照最大间隔距离为1个电缆槽的距离布置。笔者结合自己实际的工作经验，对电气化铁路电力电缆故障电力对信号电缆的电磁影响进行讨论分析，难免有不足之处，还望同仁批评指正。

2 电磁影响的产生和分类

电磁影响按照电路线路和设备的干扰耦合机理可以分为两大类：①由于电气化铁路采用不对称的单相交流牵引供电方式，对附近的电路和设备造成了传导耦合影响。②机车在运行中，受到电弓离线与接触导线之间产生火花放电，对附近弱电设施造成影响。按照容性、感性和阻性耦合，对被影响对象产生的电磁影响分为两大类：①对电气设备正常工作产生的影响称为干扰影响，干扰影响计算是以工作频率的3-27次谐波电流为基础进行仿真分析的。②对可能影响人身和设备安全的称为危险影响，危险影响是在50赫兹基础上进行仿真和计算的。

2.1 静电耦合 静电耦合又可以称为容性耦合，是在接触网牵引电压产生的电场内，通过接触网之间存在的耦合电容产生对电路和设备的影响。电容耦合的干扰就是在弱电路与地之间连接了一个电流源，如果在接触网两端施加一个电压，弱电线中就会产生静电感应电压和对地分布的电容，其值与接触网导线和电路距离和架设高度有关。任何的聚集一定电荷的导体在周围空间电场的作用下，导体中的自有电子做有规则的移动，引起电荷重新分布，使导体带电。容性耦合对架空明显或者是无金属套保护的电缆会产生较大的影响。

2.2 磁影响 接触网牵引电流会产生一个交变的电磁场，并通过弱电路之间存在的互感，从而产生一个感应电动势，这个可以称为磁影响，磁影响也可以称作为感性耦合。磁影响在很多程度上会对弱电路和设施造成影响。感应电动势产生过程中，电压与弱电线长度成正比，沿弱电线长度纵向分布。感应电动势中屏蔽系数R在相位上与接触网电流恰好相反，两者可以起到抵消干扰的作用。

2.3 电位影响 电位影响又可以叫做阻性耦合。在接触网牵引电流通过钢轨回流时，使得附近的大地电位升高，接近弱电线路或者设备接地装置的电位也相应增高，容易对设备和弱电路产生影响。

3 信号电缆电磁影响分析和计算

3.1 信号电缆的电磁影响分析 在目前电气化铁路电力电缆发生接地故障时，大部分是单相接地故障，故障电流瞬间值为70-400A范围内，对信号电缆产生较大的电磁影响。地电流影响和外皮回流影响是电力电缆单相接地故障电流对信号电缆的电磁影响的主要部分，本文就选择外皮回流影响对信号电缆的电磁影响进行分析。外皮回流影响主要分为：①在电气化铁路中，电缆故障电流通过电力电缆外皮的方式，与地线回流接通。②通常情况下，电气化铁路信号电缆外皮采用双端接地的方式，因此在故障地线回流中，可能会拾得一部分电流。一般来说，感应电动势对信号电缆会造成一定程度的影响，信号电缆护套和地线回流同样会感应出电动势，两者相辅相成，并且两者所产生的电动势是信号电缆芯线所产生的感应电动势之和。贯通电缆和信号电缆的距离比电力电缆和信号电缆的距离要小的多；再加钢筋混凝土把电力电缆和信号线缆隔离，其屏蔽性在20分贝左右，使得电力电缆外皮回流对信号电缆的影响比较小，可以忽略不计。

3.2 信号电缆的电磁影响计算

①感应电动势Es。故障电流在信号电缆中产生的感应电动势为Es，其计算公式如下：

E■=■Z■l■I■S■S■S■

其中， Z■=jωM

其中Zs干扰回路与信号电缆回流之间的互阻抗；l■为第i个接近段内信号电缆与干扰回路的长度；I■为故障电流；SR、Sm、Sn分别为50赫兹下信号电缆金属护套、同沟多缆以及邻近其他金属导体的实效屏蔽系数，ω为干扰电流角频率；M的干扰回路和信号电缆的互感系数。

②互阻抗

a芯线与贯通地线之间的互阻抗。把Zs1作为信号电缆芯线与贯通地线之间的互阻抗，M为两者之间的互感系数，其计算公式如下：

M=-j■+■e■F■re■+e■F■re■10■

其中γ和η为贯通地线和信号电缆距离地面的高度；ω为干扰电流角频率，ω=2πf；σ为大地磁道率；χ为信号电缆和贯通地线之间的垂直距离。对其公式进行计算分析，可以得到信号线缆与贯通地线之间的互感系数M与距离变化的曲线，如图1所示：

由图1曲线变化可知：信号电缆和贯通地线之间的距离越小，互感系数就越大；随着两者之间的距离增加，互感系数M值就减缓。

b芯线与信号电缆外皮的互阻抗。把Zs2作为信号电缆外皮和芯线之间的互阻抗，其计算公式如下：

Zs2=jω2In■+1-j■×10■+Z■

其中Zi为钢带引起的附加阻抗，a为电缆皮的平均半径。把信号线缆（外护套直径：17.06；钢带厚度：0.20；芯线直径1.53；铜绝缘单线直径0.80；绝缘直径3.50）代入上述公式可得：当信号电缆长度为15km时，信号电缆外皮和芯线之间的互阻抗为0.77+j33.3，当信号电缆2km长时，两者之间的互阻抗为0.1026+j4.44。通常情况下，电气化铁路电力供电电流频率为50赫兹，在频率较低的情况下，电流在两者中的分流主要由两者的直流电阻决定。通过计算可以得到信号线缆外皮直流电阻为2.25Ω.km-1，贯通地线直流电阻为0.255Ω.km-1，分流系数η为0.9。

3.3 计算结果 电气化铁路信号线缆主要由各种控制其电缆和模块化操作元件的电缆组成，控制器电缆最大长度不得超过2km，模块化连接操作元件电缆最大长度不得超过15km。取信号电缆为2km和15km计算产生的感应电动势，探析信号电缆芯线受电磁的影响。实验得出贯通地线、信号电缆外皮和信号电缆芯线电流在15km信号电缆产生电动势为110.4V、238V和348.4V，可以看出信号电缆外皮在很小的电流环境下会产生较大的电动势。对2km的信号电缆进行计算，得出了同样的结果。

4 总结

在我国，为了保护电气化铁路信号电缆感应，通常会采用双端接地的方式，加上信号线缆外皮和芯线间互阻抗大于贯通地线和芯线间的互阻抗，使得流经信号线缆外皮的电流过小，这是信号电缆受电磁影响最主要的一个原因。因此为了减小电流对信号电缆的影响，应该不断的创新技术，减小其互阻抗和互感系数，使得列车能安全有序的运行，促进我国铁路事业的蓬勃发展。

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