试析电气化铁路电力电缆故障电流对信号电缆的电磁影响

韩晓宇

中国铁建国际集团有限公司，北京 100855

在发展建设电气化铁路的过程中发现配套的电力电缆在发生故障时，其故障电流会产生严重的电磁干扰，影响信号电缆的正常运行。这一问题将直接关系到列车运行的安全性，因此，引起了铁路运营部门以及设计建设部门的高度关注。为了有效地解决这一问题，提高电气化铁路系统之间信号传输的稳定性，需要对故障状态下电力电缆的电流对电气化铁路的信号电缆产生电磁影响的成因进行深入分析，采取有效的措施对铁路系统中的控制装置、信号电缆和相关设备进行优化，并通过在铁路沿线两侧的高架桥上分别设置电缆槽来进行信号电缆以及电力的铺设等措施来减少故障电流对电气化铁路的信号电缆所产生的电磁影响，以保证电子化铁路运行的安全。

1 电磁影响的主要形式以及产生原因分析

电气化铁路由于在牵引供电系统中主要采用的是单相非对称的交流方式，因此，根据电力设备受电磁影响与电缆线路的耦合机制，铁路沿线的设备和电路会受到传导耦合的影响。此外，列车在运行过程中，接触导线以及电弓离线会产生放电火花，这也会对铁路沿线地区弱电设备的运行状态产生一定的干扰。电气化铁路所产生的电磁影响主要表现为阻性耦合、静电耦合以及感应耦合这3种重要形式。

1.1 产生静电耦合的主要原因分析

静电耦合主要体现耦合电容对电气设备和相关电路的电磁干扰。产生耦合电容的原因主要是电气化铁路系统的接触网所形成的牵引电压电场。在电气化铁路供电网络的弱电路和地面间有电流源存在，而当将电压施加在接触网两端时，该电流源就会产生对地分布电容以及感应电压。该弱电路的分布冗余值主要与架设接触网电网的实际高度以及电路距离密切相关。静电耦合对未设置保护装置的电缆和架空电缆的电磁影响十分明显。

1.2 产生感应耦合的主要原因分析

感应耦合对弱电路以及电力设备的影响程度主要取决于电气化铁路供电系统的具体构架。电气化铁路接触网中的牵引电流能够产生交变电磁场，从而形成感应电动势，而感应耦合也就是感应电动势，其能够使电压根据弱电线的实际长度变化而产生相应的改变，二者之间成正比例关系，并分布在弱电线的纵向方向上。由于接触网中的电流与感应电动势的屏蔽系数呈现出相位相反的特征，因此，二者的相互抵制是感应耦合产生的重要因素。

1.3 产生阻性耦合的主要原因分析

所谓阻性耦合也就是电位影响，其主要是由于电气化铁路系统接触网中的牵引电流在回流过程中，将铁路的钢轨作为了回流的载体，造成其周边的接地设备以及弱电路随着大地电位的增加而不断升高，对弱电路以及相关电气设备产生电磁影响。

2 电力电缆在故障状态下的电流对电气化铁路信号电流产生的电磁影响

2.1 电气化铁路电力电缆发生单相接地时的故障电流

电气化铁路的供电系统主要包括外部电源、变配电站、贯通线路以及箱式区间变电站等部分。在贯通线路中目前使用比较广泛的电缆主要是单芯三相对称电缆。而在电力电缆的故障因素中比较常见的是单向相接地故障。这主要是由于一旦发生单相接地故障，电力电缆在故障状态下的电流值可以达到70～400A这一范围，会影响信号电缆的正常运行状态。

电气化铁路电力电缆的故障电流会对信号电缆产生比较明显的电磁影响，其影响主要包括干扰影响以及危险影响这两类。干扰影响主要是电缆故障影响了电气设备运行的状态，而危险影响则是电缆故障不仅对电力设备的运行造成了影响，还威胁到了人员的人身安全。

2.2 电气化铁路信号电缆受故障电流的电磁影响

2.2.1 故障电流对信号电缆的电磁影响

电力电缆发生单相接地故障时，其电流对信号电缆的影响主要表现为外皮回流以及地电流的影响。故障电流受外皮回流的影响，通过电缆外皮会地线回流形成贯通，同时，由于采取的双端接地，信号电缆外皮会拾取部分电流。因此，在电磁耦合作用的影响下，信号电缆外皮以及贯通地线回流就会产生纵向的感应电动势，对信号电缆的运行状态产生明显干扰。在电气化铁路系统中，由于信号电缆与电力电缆相互隔离，所以电力电缆所产生的外皮回流对信号电缆的影响相对比较小。此外，也可以忽略电气化铁路轨道所产生的屏蔽效应影响。

2.2.2 纵向感应电动势分析

信号电缆在外皮回流作用下会形成感应电动势，同时贯通地线回流也会促使感应电动势生成，而此二者总和也就是信号电缆芯线所产生的纵向感应电动势。因此，干扰电流角频率因素、干扰回路因素、信号电缆单线回路间的互感系数因素，以及故障电流因素等都与纵向感应电动势的产生密切相关。

2.2.3 互阻抗分析

在故障电流对信号电缆所产生的影响中，互阻抗也是其中的重要因素。在电气化铁路系统中的互阻抗大多来自信号电缆芯线与其外皮或者贯通地线之间所形成的互阻抗。信号电缆和贯通地线形成互阻抗的主要因素包括电流角的干扰频率、大地的导线率及磁导率、信号电缆与贯通地线在垂直方向上的间距德国因素。信号电缆与贯通地线间的互感系数主要呈指数化变化，其互感系数将随着二者间距的增加而减缓变化幅度。

而信号电缆芯线及其外皮间所形成的互阻抗则主要与缆皮半径因素以及由钢带而产生的附加阻抗因素紧密相关。由于四芯星形信号电缆由铝护套、外护套、内衬层以及铠装钢带所构成，因此，钢带长度是产生附加阻抗的重要因素之一。以长15km的信号电缆为例，其芯线与外皮的互阻抗值为0.77+j33；当信号电缆长度减少到2km时，该阻抗值则为0.1026+j444。信号电缆外皮以及贯通地线在低频条件下的直流电阻是使故障电流发生分流的主要原因，而信号电缆以及贯通地线中的电流值则是影响分流系数的主要因素。经分析计算可知，芯线与贯通地线间所形成的互阻抗要比其与电缆外皮间所形成的互阻抗值小。

2.3 通过现场实测试验分析电缆故障电缆所产生的电磁影响

通过现场实测的方式可以进一步对电力电缆故障对信号电缆的电磁影响进行验证分析。在现场实测中，主要包括2个步骤的操作：第一步，测试人员应对信号电缆外皮采用双端接地方式进行设置，将信号电缆芯的其中一段与贯通地线相连接，而另一端则与测试仪保持连接，可以对信号电缆芯线在信号电缆外皮以及贯通地线中电流的共同作用下所产生的感应纵向电动势进行测量。第二步，测试人员应对信号电缆外皮采用单端接地的方式进行设置，同样将信号电缆芯的其中一段与贯通地线相连接，而另一端则与测试仪保持连接，这样就可以对信号电缆芯线在贯通地线中的电流作用下所产生的感应纵向电动势进行测量。

在第一步操作测量中所获得的信号电缆芯线在信号电缆外皮以及贯通地线中电流的共同作用下所产生的感应纵向电动势值，与在第二步操作测量中所获得的信号电缆芯线在贯通地线中的电流作用下所产生的感应纵向电动势值相减，就可以计算出信号电缆芯线在其外皮电流的电磁影响下所产生的感应纵向电动势的具体数值。

在本次现场测试试验中，将信号电缆外皮的电流值设置为2.8A，而测得的信号电缆芯线所产生的感应纵向电动势为4.3V。而根据芯线感应纵向电动势的计算公式计算所得的数值则为6.2V，二者之间存在一定的差异。产生这种实测值与计算值不一致现象的主要原因是在现场实测过程中会受到多缆敷设、信号电缆同沟等屏蔽系数的干扰，造成计算结果要大于实测结果。此外，通过现场实测测得信号电缆外皮与芯线之间的互阻抗值为1.53Ω/km，根据计算公式计算所得的信号电缆芯线与外皮间的理论互阻抗值则为2.22Ω/km，二者的差异不大。

3 结语

在我国电气化铁路的供电系统中，单相接地故障是电力电缆主要故障形式之一，而且当故障发生时，其电流的瞬时值能够达到70～400A之间，因此，所产生电磁影响会严重干扰电气化铁路信号电缆的正常运行。同时由于电气化铁路系统信号电缆主要采用的是外皮双端接地，其芯线与外皮间互阻抗超过了其与贯通地线之间形成的互阻抗值，从而信号电缆外皮流经的电流值比较小，从而产生了对信号电流的电磁影响。所以，在电气化铁路的供电系统以及信号电缆建设中应积极采用能够减少互感系数以及互阻抗的新型技术设备，从而为列车运行安全提供可靠保证，推动我国铁路交通现代化发展。