市政电网对城市轨道交通信号系统的影响及其防护

王啸波　郑生全

(1.浙江众合科技股份有限公司　杭州　310051；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司通号处　武汉　430000)



市政电网对城市轨道交通信号系统的影响及其防护

王啸波1郑生全2

(1.浙江众合科技股份有限公司杭州310051；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司通号处武汉430000)

摘要针对市政电网线路的电磁干扰环境以及城市轨道交通信号设备的电磁兼容要求，根据电磁感应的理论公式和相关工程建设经验，定性地分析市政电网线路在正常和故障工作状态下对信号系统的电缆、轨道电路、信号室内设备的电磁干扰影响，提出电网和轨道交通等市政基础设施建设的综合规划和设计理念。为确保轨道交通运营的安全，结合理论计算和经验数据，提出电力线路对信号系统电磁干扰影响的距离要求和防护方案。结论为：当轨道交通信号系统设备的干线电缆与市政电力供电线路的平行长度大于1 km时，间距应不小于20 m，否则考虑采用屏蔽电缆；车辆段/停车场与市政电网架空线路的平行长度大于1 km时，间距应不小于50 m，否则车辆段/停车场的轨道电路不能采用单轨条50 Hz相敏轨道电路；轨道交通正线的信号设备室/控制中心与市政电网的间距大于或等于20 m；车辆段/停车场信号楼与市政电网的架空线路的间距宜大于或等于50 m。

关键词城市轨道交通; 市政电网; 供电线路; 信号系统; 电磁兼容; 保护设计

1研究背景

城市轨道交通信号系统设备的电磁兼容及设备保护设计往往只考虑了轨道交通内部的电磁环境[1]，容易忽略市政电网的供电线路对轨道交通设备系统的电磁干扰和影响，主要因为信号系统供货商未针对市政电网的影响进行分析，同时轨道交通与电力系统又是由不同行业的设计院进行工程设计的，不能做到城市公共基础设施整体规划和设计的管理。

随着我国轨道交通和城市基础设施的大规模建设，城市轨道交通线网越来越密，市政电网的电力供电线路及管网也越来越多，城市地下空间有限，不可避免地造成城市轨道交通线路与电力供电线路及管网相距较近[2]，导致城市轨道交通的电磁环境也越来越复杂。

目前城市轨道交通和市政电网的工程设计尚无统一的协调机构，即便有了统一的协调部门，也没有电力线路与轨道交通线路间安全距离的设计依据及规范。

笔者通过对电力高压输送线路的电磁环境分析，旨在提出城市轨道交通信号系统设备的设计已经不只是轨道交通内部的电磁兼容及防护，还应考虑市政电网的电力基础设施强大的电磁干扰环境；分析在电力供电线路与轨道交通线路相距较近时，如何考虑电力供电线路对信号系统及设备的安全防护。

2电磁干扰分析

2.1市政电力供电线路的电磁干扰分析

目前110 kV及以上三相电力电缆或高架电线供电回路一般选用3根单芯电缆或多股电线，当电力线路不对称运行时会对信号电缆产生较强的电磁感应影响。

当电力线路正常运行时，理想状态下流经三相电缆(或电线)的电流相位依次相差120°，电流的矢量和为零，但由于每根电力电缆(或电线)与信号电缆(或轨道电路)所处的几何位置不对称，三相电力电缆(或电线)的正常工作电流就会在信号电缆芯线(或轨道电路)上产生纵向感应电动势。

电力线路发生故障主要有以下3种形式：

1) 电力线路相线断线。当三相电力线路的相线发生单相断线时，非故障相流过的电流大小相等、方向相反，对外界产生的交变磁场相互抵消，故在信号设备上产生的纵向感应电动势较小；当三相电力电缆(或电线)的相线发生两相断线时，非故障相电力电缆(或电线)中的电流无法流通，不会对信号设备产生影响；

2) 电力电缆单相对屏蔽层短路或电线对地短路。在电力系统中，单相对地短路是最常见的故障形式。电力线路发生单相短路，是指电缆单相芯线对屏蔽层的短路或电线直接接地，流经电力电缆屏蔽层或大地的短路电流会在信号设备上产生较大的感应电动势；

3) 电力电缆两相对屏蔽层短路或电线两相接地。两故障相流过的电流大小相等、方向相反，对外界产生的交变磁场相互抵消，故在信号设备上产生的纵向感应电动势较小。

因此，分析市政电网供电线路对城市轨道交通信号系统的影响主要是分析供电线路正常工作时相对于信号设备的不对称和单相故障两种情况。

2.2电磁感应原理

当一条导线有电流通过时，在导线的周围就会产生磁场。如果导线通过时的电流不是恒定电流，而是随时间变化的交变电流，那么在导线的周围就会产生随时间变化的交变磁场，其磁力线耦合邻近导体，在邻近的导体上产生感应电动势，这就是电磁感应现象，或者说由于通过交变电流的导线与邻近导体间存在互感，两者通过这种感性耦合在邻近的导体上感应出电动势。由于邻近的导体上因电磁感应而产生的电动势是沿着芯线轴向分布的，所以称为磁感应纵电动势。

电磁感应定律及互感公式[3]为：

(1)

Φ=kI

(2)

Φ=BS

(3)

式中，e为感应电动势，Φ为通过导体的磁通量，t为磁感应时间，B为磁感应强度，S为面积，I为电力线路中的电流，k为电力电缆(或电线)及信号电缆(或轨旁设备)的感应系数。k值与电力线路及信号设备的特性、屏蔽性能、相对位置、间距、现场周围环境及介质等有关，当其他条件不变时，电力线路与信号设备的距离越大，k值越小；当其他条件一定时，电力线路电流的变化率越大,感应电动势的值就越大。

由于k值的不确定性，电力供电线路对信号设备的影响很难通过理论公式直接计算，在实际应用中通过反复的试验数据确定k值，然后通过公式计算、分析找出最不利因素，在工程中确定信号设备对电力供电线路电磁干扰的防护。

在电力线路对电信线路电磁影响的理论公式计算方面，国际电信联盟远程通信标准化组织(ITU-T)的“防护导则”给出工频条件下忽略架设高度和地埋深度时，无限长和有限长导线电感参数的计算表达式和计算数表[4]，但很难直接应用公式计算电磁干扰数值，因此弱电系统对强电设备的电磁干扰都是根据经验数据,通过定性分析确定防护方案，而不能通过定量计算确定电磁干扰的程度后，再确定电磁干扰的防护方案。

3电力线路对信号系统的电磁影响

市政电网电力线路的电磁场主要影响信号系统的信号电缆、轨道电路和信号室内设备。电力线路对信号系统的电磁感应影响分为两类：

1) 干扰影响。干扰影响是指当电力线路正常运行时，在信号设备上所感应的电压已足以影响信号设备的正常工作，如电缆数据传输误码、计算机输入输出信息产生错误、破坏计算机的正常工作、轨旁设备的异常动作和危险动作等；

2) 危险影响。危险影响是指当电力线路故障时，在信号设备上所感应的电压已足以造成对人身的危害或毁坏信号设备，如击穿信号电缆芯线与护套间的绝缘、威胁信号设备施工及维护人员的生命安全、损坏信号设备及仪表甚至引起信号设备室的火灾等。

3.1信号电缆的防护

在国家标准《电信线路遭受强电线路危险影响的容许值》GB 6830—1986[5]与电力工业标准《输电线路对电信线路危险和干扰影响防护设计规程》DL/T 5033—2006[6]中均规定了强电线路对临近电信线路的干扰影响与危险影响允许值，即：当电力线路处于正常运行状态时，信号电缆芯线上的磁感应电压的允许值为60 V；当电力线路处于故障运行状态时，信号电缆芯线上的磁感应电压的允许值为430 V。电力电缆正常工作时在信号电缆上产生的感应电动势不大于60 V，主要是保护信号维护人员的人身安全；电力线路故障状态下，在信号电缆上产生的感应电动势不大于430 V，这是为了保护电缆终端设备的安全。

虽然上述两个标准对弱电电缆的防护要求已做明确规定，但对电力供电线路与信号电缆的距离并未做出规定。城市轨道交通内部采用35 kV或10 kV的供电线路，由于轨道交通设计中尚无明确的电力电缆与信号及弱电电缆的安全距离要求。在轨道交通信号系统工程设计中，地下隧道有条件时将强电电缆和弱电电缆沿隧道两边分设；在高架线路上，对采用10 kV供电的轨道交通线路，电力电缆与弱电电缆可在同侧相距1 m以上敷设，对采用35 kV供电的轨道交通线路，电力电缆与弱电电缆要求敷设于轨道的两侧，直线距离大于3 m。这些数据都是地铁信号系统设计的经验数据，按照这一经验数据，当电力电缆正常工作时，信号电缆芯线上的磁感应电压不会超过60 V；当电力电缆处于故障运行状态时，信号电缆芯线上的磁感应电压不会超过430 V的危险值。

3.1.1隧道内信号电缆的防护

城市轨道交通隧道内的电力电缆与信号电缆在隧道两侧挂设[7]，当市政电缆隧道与轨道交通电缆隧道平行且距离较近时，信号电缆处在电力电缆电流产生的磁场内。由于电力电缆在正常运行状态下的电流为1 kA左右，加上三相电流产生的磁场在信号电缆区域相互抵消一部分，且电力电缆为屏蔽电缆，考虑到轨道交通隧道和市政隧道的屏蔽系数，即便是两个隧道距离较近，平行长度较长，正常运行时在信号电缆上产生的纵向电动势也远小于60 V。

当电力电缆为高架线路时，与地下电力电缆相比，只少了电缆的屏蔽系数，但空气介质的电导率低于大地介质的电导率，相距20 m时信号电缆上的感应电动势也不会超过60 V[8]。

当电力电缆单相对屏蔽层短路时，瞬间短路电流较大，当电阻一定时，电流与电压成正比，220 kV电缆的最大电流为10 kV电缆的22倍。

根据电磁学可知，真空中长载流导线附近的磁场强度为

(4)

式中：k为常数,由电流频率及试验检验值确定；i为电流的有效值；r为感应电流与被感应导体间的距离。式(4)中的其他条件一定时，磁场强度与被感应点到电流的垂直距离成反比例关系，随着感应导体与被感应导体间距的增大，磁场强度逐渐减小。因此考虑到两个电缆隧道的屏蔽作用，在最不利的情况下，要求电力电缆与信号电缆相距20 m，这是为保证电力电缆在故障状态下，信号电缆上产生的最大纵向感应电动势不会超过430 V。

3.1.2高架线路信号电缆的防护

当高架线路的信号电缆与地下电力电缆相距较近时，同样要考虑电力电缆对信号电缆的电磁干扰影响。根据以上分析，与地下隧道的信号电缆相比，在20 m的距离时，少了信号电缆隧道的屏蔽作用，但在电力电缆正常工作状态下，信号电缆上产生的感应电动势不会超过60 V；当电力电缆出现故障时，在信号电缆上感应的最大纵向感应电动势小于430 V。

当高架线路的信号电缆与电力架空线路相距较近时，类比地下电力电缆与高架信号电缆的情况，少了电力电缆通道的屏蔽作用以及供电线三相因较大距离而引起的不对称作用，电力电缆在正常工作状态下，按20 m的间隔距离，当电力电缆正常运行时，信号电缆上产生的感应电动势不会超过60 V；当电力电缆出现故障时，信号电缆上产生的最大纵向感应电动势小于430 V。

3.1.3车辆段/停车场信号电缆的防护

车辆段/停车场一般在郊外地面，市政供电线路一般都是架空线路，由于电力供电线路都在车辆段/停车场的红线以外，干线信号电缆与架空线路相距较近的平行距离较短，信号干线电缆一般敷设于车辆段/停车场内的电缆槽内，根据以上分析，当电力电缆与干线电缆相距为20 m时，不会超过信号电缆允许的感应电动势。

3.2轨道电路的防护

城市轨道交通正线信号CBTC系统多采用计轴轨道电路，车辆段/停车场大多采用50 Hz交流相敏微电子单轨条轨道电路[9]。车辆段/停车场大多在郊外，市政供电线路也大多采用架空线路，虽然架空线路在车辆段/停车场的红线以外，但由于轨道电路为工频电流，与高架线路三相电线的距离较长，在轨道电路处产生的感应电动势不对称，会对车辆段/停车场的轨道电路产生一定的电磁干扰影响。轨道电路原理如图1所示。

图1　轨道电路原理

当轨道区段内有列车占用，即轨道电路处于分路状态时，附近的高架电力供电电线产生的磁场会使钢轨产生感应电动势，增大轨道继电器线圈接收到的电压值，有可能使继电器变为吸起状态，将该轨道区段的状态信息由有车占用变为无车占用，造成严重的安全事故。因此，当架空电力电线正常运行及发生单相短路故障时，需对车辆段/停车场轨道电路的影响进行定性分析。根据《单轨条50 Hz相敏轨道电路设计资料》，已知50 Hz相敏轨道电路的基本数据和参数为最大长度300 m、送电端二次侧电压有效值8.4 V、轨道继电器端电压12.5 V、最大轨道电路长度的钢轨阻抗1.2∠43° Ω/km，受电端中继变压器变比为1 ∶20、道砟电阻率为0.6 Ω·km、轨道电路的分路电阻为0.15 Ω。在电力电缆正常工作状态下，电力电线的工作电流为1 kA左右，考虑到与300 m的轨道电路平行，当列车完全占用在轨道电路内时的等效电路如图2所示。

图2　等效电路

图2中电路由道床电阻、变压器线圈的电感和电阻、钢轨的非线性阻抗、列车的轮对构成闭合回路，回路的最大面积为258 m2。根据电磁感应公式(1)和公式(3)可知，只要变压器的一次侧感应出大于0.65 V的电压，就可能引起轨道继电器的错误励磁，导致丢车的不安全状态。

当架空线路单相出现故障时，最大的入地暂态电流可达到50 kA，在其他条件不变的情况下，对轨道电路的电磁感应是电力线路正常工作状态下的50倍。同时还要考虑瞬间电流可能通过信号电缆进入室内后毁坏室内设备的可能。

由于电磁场对轨道电路的干扰，没有权威机构给出防护数据，也没有理论计算公式可用。实际测量受诸多因素的影响，模拟故障状态困难，因此，根据国铁电气化牵引区段的电力贯通线和2.5 kV AC接触网对信号设备的电磁干扰防护策略，即电气化区段采用避开工频的25 Hz轨道电路及采用屏蔽电缆的做法，为保证车辆段/停车场信号设备的安全运行，提出以下防护方案：市政电力架空线路与车辆段/停车场轨道区域的边缘距离大于或等于50 m；市政电力架空线路与车辆段/停车场轨道区域的边缘距离小于50 m时，采用计轴轨道电路。

3.3室内设备的防护

轨道交通信号设备用房包括控制中心、车站设备室、车辆段/停车场设备室等。由于信号设备是行车安全的重要设施，因此有必要分析市政电网的供电线路对信号室内设备的电磁干扰影响。

根据英国标准EN 50121—4:2006Railwayapplications-Electromagneticcompatibility[10]中的相关规定，当信号设备室内信号设备的输入端口由交流电源提供时，信号设备的最大抗电磁干扰能力为100 A/m。为保证信号设备的稳定运行，市政供电线路对信号设备室的最大电磁干扰允许值为100 A/m，同时还要考虑轨道交通内部供电线路和设备工作时对信号设备电磁干扰的叠加。

根据公式(3)，在实际情况中，考虑到地下电力电缆所在隧道、地铁隧道及设备房屋的屏蔽系数，当地下电力电缆或架空电线正常运行时，3根电缆或电线均会对地铁信号设备室产生电磁干扰，而三相电缆或电线所通过的电流幅值相等，相位依次滞后120°。当电力线路距信号设备室20 m以上时，3根电力电缆或电线与地铁信号设备室的距离基本相等，于是3根电缆或电线对地铁信号设备室产生的电磁干扰叠加后将很小，不会影响信号设备室中各信号设备的正常运行。当电力电缆或电线发生单相接地故障时，三相电流不对称，故障相电流很大并起主要作用，根据工程建设经验，在相距20 m以外，也不会对地铁信号设备室内的信号设备产生较大的电磁干扰。在今后的工程中根据新信号设备防雷要求，地面信号设备用房设置法拉第笼，因此对地面信号室内设备的影响会很小。

车辆段/停车场的信号楼要求与电力架空线路的距离大于或等于50 m，而且信号楼设置综合防雷结构，电力线路对车辆段/停车场信号室内设备的影响就很小，同时由于间距较大，当电力线路对地短路时，流经信号电缆或大地进入设备室的电流也就不会烧坏信号设备。

4结论

市政电网供电线路对信号系统的电磁干扰主要取决于供电线路正常工作的不对称影响和故障暂态电流影响，都与环境条件等因素相关，目前没有直接的计算公式来定量计算，现场测试也不能详尽所有工况，而且测试点的通用性和普遍性不够，也没有权威部门发布的干扰防护标准，因此本文首先提出，轨道交通信号系统工程设计应考虑市政电网供电线路对信号设备的电磁干扰影响，其次根据电磁学公式和建设经验定性分析，总结市政电网供电线路对信号系统电磁干扰的保护方案。

1) 信号电缆的防护。轨道交通信号系统设备的干线电缆与市政电力供电线路的平行长度大于1 km时，间距应大于或等于20 m，否则考虑采用屏蔽电缆。

2) 轨道电路的防护。车辆段/停车场与市政电网架空线路的平行长度大于1 km时，间距应大于或等于50 m，否则车辆段/停车场的轨道电路不能采用50 Hz单轨条相敏轨道电路。

3) 信号室内设备的防护。轨道交通正线的信号设备室和控制中心与市政电网的间距宜大于或等于20 m，车辆段/停车场的信号楼与市政电网的架空线路的间距宜大 于 或 等 于50 m。间距不满足要求时，

正线地面或高架信号设备室以及车辆段/停车场的信号楼应采用法拉第笼设计。

参考文献

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[8] 王建国，刘洋，孙建明，等.铁路10 kV三相电力电缆接地短路电流对通信信号电缆的电磁影响[J].中国铁道科学，2008，29(4):109-115.

[9] 安海君.单轨条50 Hz相敏轨道电路设计资料[A].北京：北京全路通信信号研究设计院，2002.

[10] BS EN50121-4: 2006 Railway Applications-Electromagnetic Compatibility[S].BSI,2006.

(编辑：王艳菊)

Influence and Protection of Municipal Power Grid on Urban Rail Transit Signal System

Wang Xiaobo1Zheng Shengquan2

(1. Zhejiang United Technology & Science Co., Ltd., Hangzhou 310051;2. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Comm & Signal Dep., Wuhan 430000)

Abstract:In view of compatibility requirements on electromagnetic environment of the power supply lines of municipal power grid and the EMC requirements on urban rail transit signaling system, the EMI impacts on the cable, tract circuit, and equipment in SER of signaling system are analyzed qualitatively when the municipal power grid is in normal and fault working status respectively by using the theoretical equations and the related project construction experience. The integrated plan and design concept of municipal infrastructure construction such as power grid and rail transit, etc. is proposed. To ensure the safety of rail transit operation, theoretical calculation and empirical data are used to find out the distance requirements to avoid the EMI impacts from the power supply lines on the signaling system and EMC protection solutions. When the main cable of rail transit signaling system parallels with power supply lines of more than 1km long, the separation distance must be more than 20m wide; otherwise, the shielding cable should be used; when the depot/yard parallels with municipal power aerial line of more than 1km long, the separation distance must be more than 50m wide; otherwise, the monorail 50Hz phase-sensitive track circuit cannot be adopted; the separation distance between the main line SER/OCC and municipal power aerial line must be more than 20m wide, and the separation distance between the SER of depot/yard and municipal power aerial line should be more than 50m wide.

Key words:urban rail transit; municipal power grid; power supply line; signaling system; EMC; protection design

doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2016.03.026

收稿日期:2015-11-24修回日期: 2016-01-30

作者简介:王啸波，男，硕士研究生，工程师，从事轨道交通信号系统总承包工作，wangxiaobo@unitedmne.com

中图分类号U231.7

文献标志码A

文章编号1672-6073(2016)03-0114-05