地铁隧道内敷设高压电缆的工频磁场特性分析*

黄磊李晨陈庭记李雪张瑞永吴述关

地铁隧道内敷设高压电缆的工频磁场特性分析*

黄磊1李晨2陈庭记2李雪2张瑞永3吴述关3

（1.东南大学电气工程学院，210096，南京；2.国网江苏省电力公司南京供电公司，210019，南京；3.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，210036，南京//第一作者，讲师）

分析地铁隧道内敷设的220 V高压电缆对地铁电力、通信与信号等设备的工频磁场影响。首先，采用有限元法建立地铁隧道内敷设的220 V高压电缆及隧道结构的二维仿真模型，分析电缆正常工作和发生故障运行时的磁场分布，以及对通信线路、直流牵引供电线路、钢轨等产生的感应电动势波形及影响；然后，提出相应的工频磁场削弱方法，并进行二维有限元仿真分析。结果表明，采用隧道电缆排列和屏蔽设计可有效地减少工频磁场对公共地铁隧道的干扰。为了验证分析结果的正确性，对实际隧道内220 V电缆的磁场进行了测量，测试结果与仿真结果一致。

地铁隧道；高压电缆；工频磁场；电磁屏蔽；有限元法

First-author′s addressSchool of Electrical Engineering，Southeast University，210096，Nanjing，China

近年来，城市核心区高压输电线路要求以电缆型式敷设，导致城市地下电力通道建设规模迅速增长，使得高压电力电缆建设面临着选线难、成本高、周期长的困难。另外，部分城市存在过江或过海敷设电缆的要求，使得单个通道建设成本高达数亿或者数十亿元人民币，且江、河、湖、海等地质情况复杂，通道建设存在相当多不确定因素，建设风险很高。

因此，利用市政公用隧道敷设高压电缆在世界范围内已经被广泛采用，尤其是随地铁隧道敷设过江、过海高压电缆得到广泛关注［1-2］。随着我国近年来城市轨道交通大规模地规划与建设，利用地铁隧道内富余空间敷设高压电缆已显示出具有广阔的发展前景。

然而，地铁交通与高压输电分属于不同的公共服务领域，地铁隧道内敷设高压电缆除了需满足各自的安全要求外，还需满足两者相互影响带来的其他安全要求。混合敷设隧道的安全要求比专用隧道的安全要求更加苛刻。由于高压电缆敷设在狭小的地铁隧道空间里，当高压电缆正常工作时,会在周围空间产生工频电磁场［3］。尤其是磁场可以在其他物体(包括人体)上产生感应电压,这可能会对地铁设备及乘客造成不同程度的干扰和危害［4-5］。特别是当高压电缆发生短路故障时,短路电流可能达到数万A，如此强的交变电流会产生强度很高的交变磁场,可能会导致各种设备故障的发生。

目前，对于输电架空线路的电磁干扰研究较多，且已经建立了相对完善的评价方法和标准［6-8］，但对地铁隧道内敷设高压电缆可能造成对地铁设备的电磁干扰研究较少。因此，本文针对地铁隧道内敷设高压电缆的工频电磁特性开展研究。以南京某地铁过江隧道为例，分析随地铁隧道敷设的高压电缆对地铁通信线路和供电系统的影响，并通过实际电缆隧道内的电磁场测量，验证分析结果的正确性。根据研究结果，提出随地铁隧道敷设的高压电缆会产生的安全问题及其解决方向，为今后地铁隧道内敷设高压电缆提供理论依据。

1 电磁模型建立

1.1 基本结构

图1为南京某过江双线地铁隧道内敷设高压电缆的基本结构。

图1 地铁隧道内敷设高压电缆结构图

由图1可知，利用双线地铁隧道下部空间敷设高压电缆不仅可实施性强，且可节约大量建设成本。但由于在地铁隧道中存在着地铁交流供电电缆、直流牵引供电系统和通信电缆，他们与高压电缆之间存在电场和磁场的叠加及干扰，因此，需要对随地铁隧道敷设的高压电缆工频电磁特性及其影响进行电磁场分析。

1.2 有限元分析模型

忽略列车及其运动的影响（不存在运动物体），采用二维瞬态有限元建立电磁场模型。根据麦克斯韦公式，二维瞬态有限元计算公式如下：

式中：

▽——矢量微分算子；

式中：

B——磁通密度；

I——导线电流；

r——所分析点距导线的距离。

本文采用二维有限元建立了地铁隧道的电缆电磁仿真模型。模型及剖分情况如图2所示。对于轨道、直流供电线、35 kV电缆、通信线路和交流电缆进行了进一步的细化剖分。

A——磁矢位；

μ——磁导率；

φ——标量电位；

σ——电导率；

JS——等效表面电流密度。

对单独电缆的作用，可采用以下公式直接计算：

图2 混合敷设隧道内部二维有限元模型及剖分

2 仿真及影响分析

2.1 电磁仿真及磁场分布

考虑敷设电缆的最大可行性，隧道内高压交流电缆为220 kV电缆，采用2 500 mm2的电缆（见图3）。其敷设方式采用单回路垂直排列方式，电缆的正常工作电流为1 470 A，严重故障最大短路电流按照15 kA计算。地铁供电线路采用1 500 V直流供电，35 kV交流电缆线的正常工作电流为500 A。

在输电电缆中，发生单相短路是最为常见的，而且带中线点的单相对地短路时，其带故障运行时间允许最长可达到2 h。当离轨道最近的电缆发生单相短路时是最为严重的故障事故，此时对地铁隧道的影响最为严重。为此，对正常和发生单相短路下的磁场分布进行了仿真分析，磁场分布图如图4、图5所示。

图3 隧道内高压电缆结构图

图4 高压电缆正常供电时磁场分布

图5 高压电缆短路故障时的磁场分布

从图4、图5中可以看出,在电缆正常运行时，位于地铁隧道空间内的磁场基本范围在10～200 μT，通信线路处的磁场约为10μT。当离隧道底部距离大于0.8 m以上时，磁场基本小于100μT，站台、轿厢等主要公共空间位置的磁场均小于100 μT，这符合国际非电离辐射防护委员会（I CNIRP）规定的公众暴露限值为100μT的基本限值。

一旦发生电缆短路故障，位于地铁隧道空间内的磁场达到40～800μT，通信线路处的磁场为80 T左右。当距隧道底部0.7 m以上时，磁场小于500 μT，只有当距隧道底部4 m以上时，磁场才减弱到ICNIRP规定的公众暴露限值100μT。

基于以上仿真结果可知，乘客集中的公共空间位于距隧道底部1～3 m的范围内，在发生电缆短路时，磁场强度超出了公共空间内磁场的限定值。因此，根据磁场对人体影响和规定，需要对随地铁敷设高压交流电缆采取低频磁场防护措施。

2.2 感应电动势及其影响分析

除了磁场对直接暴露于磁场中的人体产生影响之外，对于通信线路、直流牵引供电线路及地铁轨道也将产生影响，其主要的影响和危害是高压交变电流产生的交变磁场会在与其平行敷设的通信线路和供电线路及轨道中产生感应电动势。平行线路越长、距离越近，感应电动势越大。当感应电动势达到一定程度时，势必对通信线路和供电线路及轨道电位造成干扰和影响。感应电动势可表示为：

式中：

l——导体长度；

Sf——导体截面积；

Ω——导体截面积。

高压电缆正常带载工作时和发生单相短路故障时的感应电动势如图6和图7所示。

对于通信线路，正常通信导线上的纵向电动势容许值为有效值（60 V）。电缆心线上的纵向电动势容许值为电缆直流试验电压的60%，或交流试验电压的85%。对于市内通信线路的试验耐压值为500 V，因此，其纵向电动势限制为300 V。由图6可知，正常状态时在通信线路上存在有效值8 V/km的感应电动势，在轨道列车供电端和直流供电线上也存在感应电动势。由图7可知，当高压电缆发生单相短路故障时，通信线路上存在有效值100 V/km的感应电动势，因此，随地铁隧道敷设高压电缆，如果共同敷设纵向距离超过2.5 km，其影响不可忽略，必须采取防护措施。

图6 高压电缆正常工作时纵向感应电动势

图7 高压电缆单相短路故障时纵向感应电动势

对于直流供电线路，当高压电缆正常运行时，在直流供电线与轨道间（列车供电端）会产生一个叠加交流电动势，造成±30 V/km的交流电压波动。当高压电缆发生短路故障时，电机直流侧的波动更为明显，波动范围更大。地铁供电系统要求其直流电压波动范围为±300 V，而高压电缆发生短路故障时，其电压波动为±400 V/km。因此，当机车行驶离接地点超出750 m，直流供电电压的波动超出其允许范围。实际运行中列车离接地点最大距离可达3 km以上，因此，直流侧纵向感应电动势超出规定值，必造成列车输出转矩脉动，形成电机的振动，影响电机寿命和列车平稳度，必须采取措施降低直流供电线路的纵向感应电动势。

对于轨道电位，由于高压电缆造成轨道感应电动势，轨道电位将发生变化（尤其是在地铁过江、过海段无法实现隧道内良好接地，只能在端部站点接地），许多和轨道接地连接的弱电设备运行稳定性会受影响，同时也影响人身安全。

3 减少工频磁场干扰的方法

对于隧道内敷设电缆产生的工频磁场问题，最直接的方式是增大通信线路、直流牵引供电线路、走行轨等与电缆线的距离，但这将改变原有隧道的设计结构，这显然是不可行的。可行的方式是改变供电线路的排列方式和增加屏蔽层。

高压电缆有3种主要排列方式:正三角排列、等腰直角三角排列和平行排列。理论上采用正三角排列时周围磁场最小，因为按正三角排列其三相几何对称性最好,使电缆外部场点到三相之间的距离差最小，形成的磁场叠加而趋于平衡。因此，首先对正三角排列的电缆磁场进行仿真分析，图8是按照正三角排列时的磁场仿真分布图。

图8 电缆正三角形排放正常供电时磁场分布

从图8可以看出，在高压电缆正常工作时，位于地铁隧道空间内的磁均大小范围是1.5～40μT，通信线路处的磁场大小约为4μT。采用三角排列可有效降低高压电缆正常工作时的工频磁场影响。

表1 3种高压电缆排列上方沿竖直线的磁场分布μT

此外，为了对比3种电缆排布方式下的磁场分布情况，通过仿真获得3种分布情况下的高压电缆正常和短路故障时上方隧道空间沿同一竖直线的磁场分布，其结果如表1所列。

由表1可以看出，尽管三角形排列方式对高压电缆短路情况下优势不大，但整体来看，无论是在正常工作或者是最严重的单相短路（最靠近地铁隧道位置的电缆单相短路）时，其高压电缆在地铁隧道内产生的磁感应强度均是3种排列方式中最小的。

对于高压电缆短路故障形成的工频磁场最为有效的减少方法是屏蔽。屏蔽方式可采用隧道结构屏蔽或电缆外装屏蔽盒。外装屏蔽盒会降低电缆的散热调节，同时会在屏蔽材料内产生涡流、增大温升，这势必会影响电缆的载流量。对于结构屏蔽，可考虑在隧道电缆沟和地铁轨道间直接敷设金属屏蔽层。金属屏蔽主要方式包括采用导磁性能材料（如钢）改变磁路和采用导电性能材料（如铝）形成涡流来抵消原磁场。

由于屏蔽层靠近磁场源，采用导电材料屏蔽损耗较大，发热严重，效率和稳定性均会降低，因此，本文采用导电性小的不锈钢作为屏蔽层材料。图9、图10为增设3～5 mm不锈钢板后的高压电缆单相短路时磁场分布云图和感应电动势。

图10 增加屏蔽层后高压电缆短路故障纵向感应电动势

由图9、图10可知，由于屏蔽层的作用，隧道空间内的磁感应大大减少，其磁感应强度均小于100 μT的安全规定值，达到了人体安全要求；同时，直流供电线路纵向感应电动势也大为减少，为未加屏蔽层时的10%；若达300 V的波动限定值，需要列车运行离开接地点7 km以上，但目前地铁站间距一般在3 km左右，因此，采用最常用的站点接地情况下，直流供电线路电压波动远小于限定值要求。

4 隧道内实测分析

为验证以上对地铁内敷设高压电缆分析的正确性，在南京市某一敷没有220 kV电缆的地铁隧道进行了磁场测量，并与仿真结果进行了对比分析。该高压电缆为双母线双边垂直布线，相间距为50 cm，具体布线结构和测点分布如图11所示。

图11 隧道内高压电缆排布和测点分布

采用有限元法建立隧道内电缆的电磁场二维模型，设定双向回路电流均为1 470 A时，其磁场分布云图如图12所示。

图12 实测隧道内电磁场分布云图

采用磁场测量仪器PMM8053A完成了隧道内各点工频电磁场测量，其测量结果和仿真结果对比如表2所示。

表2 隧道内工频电磁场实测平均值与仿真值对比

从表2和图12中可以看出，磁场分布与测量值基本吻合，从侧面验证了对于随地铁敷设高压电缆的磁场分布计算结果。在每根高压电缆周围具有屏蔽金属，电缆外部电场很小，几乎接近于零，地铁隧道内的电场主要产出于直流供电线路和地铁轨道，此时电场强度很小，不会对人体造成任何影响，主要影响为工频磁场的影响。

5 结语

采用二维有限元建立了敷设有高压电缆的地铁隧道内电磁场二维模型，对电缆所产生的工频磁场进行了评估，并通过隧道内实际感应磁场强度测量验证了仿真结果的正确性。计算和分析结果显示：

（1）正常工作时，隧道内空间磁场符合公众场合磁场暴露限值要求；当时当高压电缆发生短路故障时，乘客集中的公共空间未满足ICNIRP规定的公众暴露限值小于100μT的要求。

（2）工频磁场在通信线路、直流供电线路和轨道上产生纵向感应电动势。当隧道长度超过一定值后将影响地铁通信，引发牵引电机振动、轨道电位变化等问题，尤其是发生短路故障时，共同敷设的纵向距离一旦超过2.5 km，感应电动势将会超出通信线路相关限定值。当列车离开接地点超过0.75 km时，供电线路感应电压波动超出了相关限定值。

（3）通过改变电缆线的排布方式可减少高压电缆正常工作时的磁感应强度，通过增设屏蔽层可大幅减少正常和故障下的工频磁场干扰。此时，公共空间磁场、通信线路感应电动势、直流供电线路感应电动势均可达到相关规定要求。

［1］迟福建，张建海.公共隧道敷设高压电缆的关键技术研究［J］.天津电力技术，2011（2）：6-10.

［2］葛荣良.从电缆隧道建设看城市地下空间的利用［J］.上海电力，2006，19（3）：243-245.

［3］杨新村.输变电设施的电场、磁场及其环境影响［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［4］邬雄，聂定珍，万保权，等.架空送电线路的电磁环境及其污染影响［J］.高电压技术，2000，26（5）：24-26.

［5］张家利.高压输电线附近电磁场计算及其环境效应［D］.上海：上海交通大学，2002.

［6］刘振亚.特高压交流输电工程电磁环境［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［7］王群，李永卿，陈静，等.110 kV高压输电线路电磁场分析及评价［J］.北京工业大学学报，2005，31（3）：308-312.

［8］国家发展和改革委员会.高压交流架空送电线路、变电站工频电场和磁场测量方法：DL/T 988—2005［S］.北京：中国电力出版社，2006.

［9］中国人民解放军总装备部.电磁辐射暴露限值和测量方法：GJB 5313-2004［S］.北京：中国标准出版社，2005.

华中首条现代有轨电车线路投入运营

7月28日，华中首条现代有轨电车线路——湖北省武汉市有轨电车T1线开通运营。T1线全长17 km，单程用时52 min，预计日均客流量为1.0万～1.2万人次。T1线设站23座，平均站距690 m，车辆车长37 m，每列车为4节编组，最大载客量为360人，票价2元。乘客可使用武汉通、银联卡闪付、现金支付等3种方式购票，其中刷武汉通、银联卡均享9折优惠。据了解，T1线沿线有36个平交路口，目前有一半的路口可以实现通行信号方面的“绝对优先”。对其他路口，武汉公交部门将与公安交管部门沟通，结合3个月的实际运营情况，协调让有轨电车享受“路权优先”。

（摘自2017年8月1日《中国交通报》，记者杨丽芳、方庆报道）

Analysis of High-voltage Cable Power Frequency Magnetic Filed Performance in Subway Tunnel

HUANG Lei，LI Chen，CHEN Tingji，LI Xue，ZHANG Ruiyong，WU Shuguan

The influence of magnetic field caused by 220kV high-voltage cable in subway tunnel over metro power，communications and signaling devices is analyzed.Firstly，a 2D simulation model of 220kV high-voltage cable and the tunnel structure is established by using finite element method(FEM)，the magnetic field distributions under normal condition and fault condition，the influence of 220kV high-voltage cable on communication lines，on DC traction current supply system and subway track are analyzed.Secondly，corresponding methods to weaken the power frequency magnetic field are proposed，a 2D finite element simulation analysis is conducted. All the results show that the power frequency magnetic field disturbances are obviously reduced by using cable array in tunnel and the shielding design methods.Lastly，to verify the correctness of the analytic results，a practical 220kV cable tunnel is measured，the data obtained are consistent with that of the simulation.

subway tunnel；high-voltage cable；power frequency magnetic filed；electro-magnetic shield；finite element method

U228.2：U231

10.16037/j.1007-869x.2017.08.015

2015-10-11）

*国家电网江苏电力公司重点科技项目（J2015053）