铁路漏泄同轴电缆直流隔断器设置方案研究

2018-01-26刘立海

铁道标准设计 2018年3期

刘立海

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

电气化铁路牵引网是单相高压交流电网，在运行过程中，由于静电感应和电磁感应的影响[1-8]，将会对沿铁路线架设的通信线路产生危险影响，严重时破坏设备及其绝缘，甚至危及人员安全。铁路通信漏泄同轴电缆(以下简称为“漏缆”)是挂设在铁路隧道壁等轨旁一定高度处为铁路提供无线覆盖的通信线路，为了防止牵引网导致的直流和低频电流通过漏缆，在目前铁路900 MHz GSM-R数字无线通信系统的漏缆中一般都设置了直流隔断器。由于对直流隔断器的作用和设置方案缺乏统一的认识，早期开通的GSM-R线路中直流隔断器设置方案不统一，根据现场应用反馈，部分铁路的直流隔断器损坏较为频繁，影响无线通信的畅通。因此十分有必要开展铁路漏缆直流隔断器设置方案的研究，避免由于直流隔断器设置不合理引起无线通信故障，同时降低现场故障检修及维护工作量。

本文首先简单介绍感应电压的计算方法，然后分析直流隔断器设置的必要性和设置方案需要考虑的因素，最后提出设置方案建议。

1 感应电压计算

1.1 静电感应电压

(1)

式中，UC为牵引网电压；RC为接触网导线截面半径。从上式可以看出，静电感应电压与牵引网电压同为工频且同相，大小与牵引负荷无关，在同一平行接近段内，通信线上各点静电感应电压大小相同。

根据上述公式计算，接触网导线为截面积100 mm2铜线，等效半径为4.6 mm，接触网导线安装高度为6 300 mm，通信漏缆的高度为4 500 mm，两线水平距离为3 100 mm，在漏缆不接地的情况下，牵引网在漏缆上产生的感应电压为2 832 V。因接触网导线截面、高度、漏缆与接触网导线的间距不同，静电感应电压大小不同，范围在2 500～5 400 V。

图1 接触网导线和通信线相对关系等效结构

1.2 磁感应电势

牵引网由接触网、钢轨网构成，由于接触网-钢轨回路对地不平衡，接触网-钢轨回路与通信线路的相对位置不平衡，且钢轨-地之间的过渡导纳的存在，一部分负荷电流经大地返回牵引变电所，因此，接触网和钢轨网电流所产生的感应电势在通信线上不能抵消，所以在通信线上将产生磁感应电势，又称为纵向电势。设牵引网和通信线平行接近且长度相等，并忽略牵引网的对地分布电导和电容，可以用图2所示的简单电路来描述磁感应，由此不难解得通信线上的纵向感应电势[1-6]如下

Etc=jωMCtlIC

(2)

式中，MCt为接触网与通信线的互感系数；l为接触网与通信线的平行接近长度；ω=2πf，f为电流频率；IC为接触网电流。

图2 接触网和通信线纵向布置示意

当通信线与接触网为复杂接近时，必须分段计算，最后进行合成。式(2)中，接触网与通信线的单位互感系数MCt是一个重要参数，其精度将对感应电势的计算产生很大影响。在实际的牵引网中，除了有接触网-地回路外，还有钢轨网-地回路，钢轨网电流与接触网电流反向。因此，钢轨网电流IT在通信线中产生一个反向的感应电势。换句话说，钢轨网对通信线产生一种屏蔽效果，这种效果可以用屏蔽系数来描述。另外，对于电缆通信线，由于电缆外皮对芯线、相邻芯线之间均要产生屏蔽效果，这些均可以通过等效为屏蔽系数来考虑[3]。

由于实际的牵引网比图2所示的要复杂得多，除了前面提到的钢轨回流，还有回流线、钢轨接地等，对于AT供电系统更复杂得多。在工程计算中，应分段计算，考虑通信线路对地分布参数，将分布参数电路等效成集中参数电路，将牵引网的网络拓扑通过节点方程描述，通过计算机法求解[1]。

不管以哪种方法计算和分析，均可以看出，电磁感应电压大小与牵引电流的大小、平行段长度等成正比，与牵引网电压大小无关[1，3]。

以汉宜铁路带回流线直供方式为例，按照计算机求解法计算感应电压，基本计算条件如下：

设定供电臂长24 km；

电源容量按5 000 MVA；

牵引变压器为单相接线，额定容量40 MVA，阻抗电压百分数为8.4；

牵引变电所地网接地电阻0.5 Ω，分区所和AT所地网接地电阻0.5 Ω；

上下行钢轨每隔1.2 km作横向连接；

钢轨对地漏泄电阻100 Ω·km；

回流线非绝缘安装；

综合地线GW对地漏泄电阻100 Ω·km；

单车牵引电流为500 A；

列车速度为250 km/h。

带回流线直接供电方式牵引网结构和带回流线直接供电方式牵引网系统各种导线分布空间几何图参考设计文件[6，8]。计算机仿真显示，在上述条件下，牵引电流在通信漏缆外导体中产生的感应电压一般在60～90 V/(kA·km)。该结果与文献[3]的结论基本一致。

经过仿真计算，在AT供电条件下，牵引电流在通信漏缆外导体上产生的感应电压一般在40～70 V/(kA·km)。

2 直流隔断器设置的必要性

直流隔断器通常是由电容构成，阻止直流和低频电流通过漏缆内、外导体，但不影响漏缆中有用信号通过。有外导体隔离、内导体隔离和内外导体同时隔离3种形式，通常我们说的是内外导体同时隔离形式的直流隔断器。

从前面分析可知，无论是静电感应还是电磁感应，都是在交流电气化铁路中才出现，因此对于非电气化铁路，不需要安装直流隔断器。

经前面的分析，由于静电感应电压可高达数千伏，每段漏缆外导体必须接地，否则对设备和人身会造成伤害。由于磁感应(纵电动势)的存在，可能导致漏缆中会出现感应电流；同时如果漏缆在不同的区域接地，由于一部分牵引电流经大地返回牵引变电所，而漏缆是良好的金属导体，回流电流也会通过漏缆。下面通过分析漏缆中不加直流隔断器和加直流隔断的优缺点来阐述安装直流隔断器的必要性，并说明直流隔断器的作用。

(1)不加直流隔断器优缺点

对于外导体而言，以一段漏缆两端接地中间不加直流隔断器情况来分析，见图3。在理想情况下，两端接地电阻(R2、R3)均为零，A、B间的大地回路电阻R1为零，A、B点的电位均为零。A、B点的电位均为零(强制接地)，漏缆中静电感应电压和感应电压均为零，接触网回流也不会经过漏缆，但漏缆中存在感应电流[1]。在这种情况下，如果不装直流隔断器，由于没有感应电压，对设备没有影响，但有电流通过漏缆，而且可能还会很大，因此漏缆会因发热而加速老化。

实际情况没有这么理想，A、B点不可能与大地真正等电位，接地电阻不可能为零，R1、R2、R3电阻均非零，R0阻值不大于2 Ω/km。

R0—漏缆外导本电阻；R1—漏缆A、B接地点之间的电阻；R2—漏缆A端接地电阻；R3—漏缆B端接地电阻图3 漏缆两端接地不加直流隔断器的连接和等效电路

当铁路沿线有贯通地线和综合接地时，R2、R3阻值均不大于1 Ω，同样R1也不大于1 Ω。如果在铁路附近有以地为回路的通信电路，则将由于通信线路两个接地点之间的电位差而出现干扰电流。由于A、B点不是真正的大地，当有动车或机车通过时，A、B之间可能会出现感应电动势及感应电流；而且由于A、B点在同一时间回流大小不一样，A、B点的电位也不等了，因此A、B间的漏缆就会承载电流。

当铁路沿线没有贯通地线和综合接地时，R1、R2、R3的阻值可能差异较大，电阻甚至达10 Ω，大大超过漏缆电阻，这样A、B点间的电压和电流可能更大。如果增加漏缆中的接地点，缩短A、B间距离可以减小感应电压和电流大小，但是接触网电流回流还是不能避免，还是可能通过漏缆。

不加直流隔断器主要不足是漏缆中可能承载低频大电流，长期承载电流对漏缆的寿命有一定的影响。不加直流隔断器的好处是由于漏缆多点接地，多处等电位，不容易出现电荷累积，可以保证人员操作安全。

对于内导体而言，由于外导体存在开孔，不能对内导体实现完全屏蔽[3，9]，内导体上还可能产生部分静电感应电压[9]和电磁感应电压[3]。内导体无法直接接地，也可能产生感应电动势，可能会损坏所连接的设备。感应电动势的大小与平行导线的长度有直接关系，如果中间没有直流隔断器，漏缆越长，内导体上感应电压越大，对设备越不利。感应电压的大小跟牵引供电类型有一定的关系，AT供电和直供也是有差别的。因此对于内导体而言，长距离不加直流隔断，产生的感应电压越大，对设备不利。

(2)加直流隔断器优缺点

对于外导体而言，增加直流隔断器，一个直接的好处是可以阻止低频电流通过漏缆，避免由于地电位不同，接触网回流通过，避免漏缆及外皮因发热而加速老化，避免干扰电流对有用信号的影响。特别是在没有贯通地线的场合或接地电阻差别大的场合。

增加直流隔断器后，在阻断低频电流的同时，隔离了接地，漏缆就出现了一端接地，另一端悬浮，这样就出现感应电压，可能导致人员操作的不安全。而且，直流隔断器增加损耗，对信号传输有一定的影响，增加了接口，可能产生故障点。

对于内导体而言，合理的安装直流隔断器，配合接地设置，可以有效降低感应电压。

根据实际应用反馈可知，如果直流隔断器设置不当，可能导致直流隔断器本身损坏。

是否需要设置直流隔断器，与线路接地、牵引供电类型有关。总的来说，是否需要设置直流隔断器，可以根据以下原则来判断。

在具有贯通地线，接地良好，各地接地电阻小(如小于1 Ω)，且差异小，各接地点之间地电位差别小，设备端口有直流隔断器或过压保护器的情况下，在一定距离长度内可以不设置直流隔断器，但在外导体上应多处接地。其他情况下，超过一定长度的漏缆均建议合理设置直流隔断器。实际工程中，由于各接地点电阻和地电位难以保证一致，建议电气化铁路中超过一定长度(如500 m)的漏缆均设置直流隔断器。

因此，合理地设置直流隔断器，可以避免低频电流通过外导体，可以降低内导体上的感应电压[10-13]。不足的是设置不当，或接地不好，可能会导致内导体或外导体感应电压过大。

3 直流隔断器设置方案

3.1 考虑的因素

在设置直流隔断器时，需要考虑以下几个方面的因素。

(1)直流隔断器的间距

直流隔断器的设置间距主要关系到感应电压的大小，感应电压的大小与接触网的供电类型、牵引供电电流大小、回流接地方案等有直接关系。直流隔断器的间距还与漏缆最大盘长、射频发射设备间距等因素有关。

允许的感应电压大小受到国家和铁路有关安全电压和危险电压的标准值的限制。根据国家标准[14]和铁路通信设计规范[15]的规定，通常在正常情况，感应纵电动势电压不能超过60 V(有效值)，在短路条件下不能超过430 V(有效值)。

根据1.2节的分析和计算机仿真计算表明，AT供电和带回流线直接供电方式下，牵引电流在通信漏缆外导体中产生的感应电压一般分别为40～70 V/(kA·km)和60～90 V/(kA·km)。一般机车牵引电流最大可达1 000 A，按1 000 A牵引电流、60 V的感应纵电动势计算对应的长度分别为850～1 500 m和667～1 000 m，结合高铁隧道内洞室左右侧交错间隔250 m、同侧间隔500 m 1处，因此，一般建议不超过750 m设置1处直流隔断器。

根据铁路通常隧道洞室间距、射频发射设备功率、链路预算，建议漏缆每隔500～750 m设置1处直流隔断器。对于特殊线路或特殊应用，应进行核算确定直流隔断器的间距。

(2)直流隔断器的安装位置

直流隔断器的安装位置是选择靠近射频设备还是远离射频设备，需要结合接地进行选择。这也是不同的工程最容易出现差别的地方。

(3)直流隔断器与避雷器、接地之间的关系

部分人员由于对直流隔断器的功能和作用认识有偏差，认为漏缆由隧道外转入隧道内需要加装直流隔断器。为了保证安全，需要选择合适的接地，同时接地又要避免使直流隔断器失去作用。同时接地又是保证消除静电感应电压的有效方式。

3.2 设置方案比选

综合3.1节的分析，为避免直流隔断器数量过多增加插入损耗，直流隔断器按500～750 m增加1处为宜。下面以设备间距为1 000～1 500 m为例，说明3种常见的直流隔断器连接方案，分别如图4～图6所示。

图4 直流隔断器设置方案1示意

图5 直流隔断器设置方案2示意

图6 直流隔断器设置方案3示意

方案1：直流隔断器设置在中间，每段漏缆长度500～750 m，漏缆靠近设备侧接地。

方案2：在漏缆两端靠近设备处各设置1处直流隔断器，漏缆中间接地。

方案3：沿着铁路方向每隔500～750 m在漏缆一端设置1处直流隔断器，漏缆另一端接地，依次进行。

下面分析这3种连接方式的优缺点。

方案1：优点是方案简洁，直流隔断器数量少，施工简单，不容易出现误连接，而且由于直流隔断器位于漏缆中间，即使直流隔断器出现故障，对无线信号的传输影响最小。缺点是不能避免内导体上的感应电压影响设备射频端口；在直流隔断器附近没有接地点，施工检修时需要临时找接地点。

方案2：优点是方案具有一致性，施工不容易出现误连接，对射频设备具有一定保护作用。缺点是需要在长达1 000 m或15 000 m的漏缆中间接地，而且仅有一处接地，如果接地不良或接地电阻较大，外、内导体由于距离长而导致感应电压较大；直流隔断器数量多，插入损耗大；直流隔断器损坏后，对无线信号影响最大。

方案3：优点是方案具有对称性，每段漏缆一端连接直流隔断器，另一端接地，保证了直流隔断器一端接地，维护操作安全，检修中容易就近找到地线。缺点是如果中间接地不良或接地电阻较大，容易由于漏缆悬空而导致感应电压积累，不能及时通过接地泄流；直流隔断器数量多，插入损耗大；与设备连接端的直流隔断器损坏后，会影响无线信号的传输。

通过上面的比较可以看出，在上述3种方案中，方案1是最佳的方案，方案2是最差的方案。实际应用中，方案1应用较多，武广客专、郑西客专、广深港客专等都是这种连接方式，极少出现直流隔断器损坏的情况。调研中频繁出现直流隔断器损坏故障的铁路基本都是采用了方案2，如甬台温铁路、龙厦铁路等。因此，推荐采用方案1，也可采用方案3，不推荐采用方案2。

确定了设置方案后，还需选用合适的直流隔断器器件，对其直流工作电压、插入损耗、内外导体电容、频率范围、射频功率等主要参数进行限定。建议直流工作电压高于交流电气化铁路危险电压最大允许值430 V的2倍以上，即1 000 V；插入损耗越小越好，建议不大于0.3 dB，电容应越大越好，阻抗应该远小于1 Ω，通常的器件选择在nF级别是合适的；频率范围满足所应用需要即可，考虑多信号合路的可能，包括2.6 GHz的无线信号，建议大于3 GHz；射频功率建议不小于200 W。

4 结语

综合前面的分析，为消除静电感应，每段漏缆外导体至少有一处接地，保证人身和设备安全。直流隔断器的作用是阻止直流和低频电流通过，防止漏缆内、外导体上应距离过长导致电磁感应电压过大，一般电气化铁路中，直流隔断器间距为500～750 m，具体工程设置需根据供电类型、牵引电流大小、与接触网的距离来核算。设置直流隔断器时，应保持漏缆一端连接直流隔断器，另一端接地，防止漏缆两端均接地或直流隔断器两端均接地。在实际工程中，应注意直流隔断器不能做避雷器使用，与漏缆连接的设备应有必要的端口过压防护能力。虽然本文关于直流隔断器设置方案的分析以隧道内漏泄同轴电缆为例，其方法同样适用于隧道外漏泄同轴电缆。

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