高速铁路对邻近普速铁路电力电缆的干扰机理

2021-02-01解绍锋孙镜堤骆冰祥李静雯

西南交通大学学报 2021年1期

解绍锋，孙镜堤，骆冰祥，苏鹏，李静雯

（西南交通大学电气工程学院，四川成都 611756）

高速铁路是当代高新技术的融合，以其快速、安全、环保的优势在世界范围内迅猛发展. 截止2019年底，中国高速铁路运营里程达到3.5万km以上，成为世界上高铁里程最长、运输密度最高、成网运营场景最复杂的国家[1]. 同时，中国普速铁路电气化里程不断增加，使得电气化铁路路网密度不断增加，特别是在经济发达地区出现了部分高速铁路与普速铁路并行的情况.

中国高速铁路采用AT （auto transformer）供电方式，是工频单相27.5 kV交流制高压输电线路[2-3]，在其周围会产生电磁场，若高速铁路与普速铁路距离较近且处于平行状态，高速铁路牵引供电系统通过电磁耦合会对邻近普速电气化铁路沿线敷设的电力电缆产生电磁干扰，降低电力电缆使用寿命. 同时，电力电缆感应电也对检修人员的人身安全造成威胁.

目前国内外有关电气化铁路电磁干扰的理论研究较多. 1926年，国外学者Carson[4]将Carson公式应用于导线-地回路之间的互阻抗计算. 中国学者高攸纲[5]提出了利用Stloff函数与Lehmann函数计算线路间的互感系数.

在电力系统方面，在交流特高压同塔双回输电线路中，当一个回路停电检修时，运行回路对检修回路和地线存在感应电压和感应电流的影响[6-7]. 如果高压输电线路下方存在平行油气管道，静电感应和电磁耦合产生的感应电压和感应电流会加速管道的腐蚀[8]. 也有学者对交流和直流输电线共用走廊的电磁感应进行了研究[9-10]，在铁路供电方面也存在交流电气化铁路对直流地铁供电线路的电磁干扰影响.

在牵引供电系统方面，文献[11]提出了交流电气化铁路引起的地电位的计算方法，并针对地电位危害提出防护措施. 文献[12]对电气化铁路在邻近贯通线路上产生的电磁影响的机理进行分析，并编写软件计算检修的电力贯通线上的感应电压与感应电流. 文献[13]考虑电缆线芯尺寸的影响，提出了交流电气化铁路对单芯电缆金属护层感应电压的修正计算公式. 文献[14-16]分析牵引供电系统对沿线铺设的信号电缆的电磁影响. 文献[17]将牵引供电系统和电力电缆利用统一链式网络模型对其整体建立仿真模型，仿真计算牵引供电系统在不同工作电流下对电力电缆感应电压的影响情况. 文献[18]分析了交流电气化铁路对直流牵引供电系统的电磁干扰影响.文献[19]分析了交流电气化铁路对沿线埋地管道的交流干扰影响，并对管道交流接地提出优化.

上述研究关于高速铁路对邻近普速铁路电力电缆的电磁干扰特性及分布规律没有深入分析，很少考虑牵引负荷、电力电缆、土壤结构参数以及短路故障对电力电缆的电磁干扰. 因此，本文构建高速铁路与电力电缆之间的电磁干扰仿真模型，运用电磁耦合理论计算电力电缆电磁干扰电压，分析牵引负荷、电力电缆、土壤结构参数以及短路故障对电力电缆的电磁干扰，研究电力电缆沿线感应电压与感应电流分布规律和工程防护措施，为电气化铁路的工程设计与运营维护提供理论支撑.

1 理论分析

在高速铁路牵引网中，牵引电流从变电所经馈线，沿接触网送给电力机车，然后经过轨道、大地和回流线流回牵引变电所. 高速铁路牵引供电系统对邻近普速铁路电力电缆电磁干扰示意如图1所示.普速铁路采用三芯电力电缆，直埋敷设于地下，高速铁路对其电磁干扰分为容性耦合、感性耦合和阻性耦合. 电力电缆金属护层接地时，其静电感应电荷会通过金属护层释放到大地，故本文不考虑容性耦合.

图1 高速铁路对邻近普速铁路电力电缆电磁干扰示意Fig. 1 Schematic diagram of interference from high-speed railways on power cable of adjacent normal-speed railways

1.1 感性耦合电压计算模型

因高速铁路接触网中交流电流未被平衡的交变磁场电磁感应影响，在邻近普速铁路的电力电缆金属护层产生沿电力电缆纵向分布的感应电动势，对人身和设备产生危害的是对地电压和电流.

根据分布参数电路理论[20]，电力电缆对地分布参数模型如图2所示. 图中：、为电力电缆上距首段距离为l的任一点电磁感应对地电压和电流；为单位长度电力电缆纵向感应电动势；为电力电缆单位自阻抗；为电力电缆的单位导纳；、分别为电力电缆首、末端对地阻抗；为电力电缆长度.

图2 电力电缆对地分布参数模型Fig. 2 Distribution parameter model of power cable to ground

由图2得，受高速铁路影响的电力电缆电磁感应方程为

由于普速铁路三芯电力电缆线路运行过程中流过3个线芯的电流矢量和为0，线芯在电缆金属护层上基本没有感应电动势产生. 因此，三芯电缆金属护层多采用双端接地的形式. 则，. 代入式（2）可得：当普速铁路三芯电力电缆双端接地时，其上任一点的电磁感应对地电压均为0.

1.2 阻性耦合电压计算模型

钢轨和大地作为高速铁路的回流路径，存在泄漏电阻，会有一部分牵引回流泄漏到大地中，称为杂散电流[3]. 杂散电流通过阻性耦合在埋地电力电缆金属护层产生感应电压. 高速铁路对邻近普速铁路电力电缆阻性耦合示意图如图3所示. 图中：以高速列车对钢轨泄流点为坐标原点，钢轨为x轴，与大地平行方向且与x轴垂直方向为y轴建立坐标系；为负荷电流；为钢轨回流；N(xN,yN,zN)为无限长电力电缆金属护层上任意点.

图3 电力电缆阻性耦合示意Fig. 3 Schematic diagram of resistive coupling of power cables

2 仿真分析

2.1 高速铁路牵引供电系统模型

目前我国己投入运营及在建的高速铁路牵引网供电方式普遍采用AT供电方式，其与三芯电力电缆空间布置如图4所示.

CDEGS软件是加拿大SES公司推出的，具有土壤分析，接地系统设计，电磁场和电磁干扰计算等功能的集成软件包[21]. 本文运用CDEGS软件进行牵引供电系统与三芯电力电缆的建模与仿真分析.建立高速铁路牵引供电系统与普速铁路三芯电力电缆电磁仿真模型立体图如图5所示.

图4 高速铁路与三芯电力电缆布置Fig. 4 High-speed railway and three-core power cable layout

图5 CDEGS模型立体图Fig. 5 CDEGS model stereogram

根据AT供电方式牵引网各导线的悬挂位置，选取接触线型号为 CTMH-150，承力索型号为JTMH-120，负馈线型号为LGJ-300/50，保护线型号LGJ-120/20，贯通地线型号为TJ-95，各导线具体电气参数如表1所示.

表1 导线模型电气参数Tab. 1 Wire model electrical parameters

2.2 三芯电力电缆模型

选取铜芯交联聚乙烯绝缘双层钢带铠装聚氯乙烯护套三芯电力电缆，额定工作电压为8.7/10.0 kV，单根导体截面积为70 mm2，型号为YJV22-8.7/10 kV-3 ×70，根据此型号电缆的规格在HIFREQ中定义电缆参数，具体参数如表2所示.

表2 三芯电力电缆模型参数Tab. 2 Three-core power cable model parameters

2.3 模型有效性验证

为评估仿真模型的有效性，运用数学模型和仿真模型分别计算正对泄流点不同距离处的地电位.数学模型计算地电位分布如图6所示. 计算值与仿真值比较如表3所示.

图6 泄流点周围大地电位分布Fig. 6 Earth potential distribution around discharge point

表3 地电位比较值Tab. 3 Ground potential comparison value

由表3得，仿真结果与理论计算结果相近，误差在4%以内. 运用CDEGS建立高速铁路与电力电缆电磁干扰仿真模型具有较高的计算精度，可用于对其电磁干扰特性的研究.

3 电力电缆电磁干扰影响因素

为研究高速铁路对邻近普速铁路电力电缆感应电压的影响因素，设置高速铁路牵引负荷电流为400 A，土壤电阻率为100 Ω·m，电力电缆与高速铁路邻近侧钢轨距离为5 m，电力电缆与高速铁路平行长度为2 km，AT所之间距离为10 km，牵引负荷在12 km处. 高速铁路与电力电缆相对位置如图7所示.

图7 高速铁路与电力电缆相对位置（单位：m）Fig. 7 Relative location of high-speed railway and power cable (unit: m)

3.1 平行长度

根据电磁耦合原理，电力电缆与高速铁路的平行长度和并行间距对电力电缆的感应电压分布有显著影响. 选取电力电缆与高速铁路平行长度在2～10 km变化，研究高速铁路对电力电缆的感应电压，得到其沿长度方向的分布规律如图8所示.

图8 平行长度对电力电缆感应电压的影响Fig. 8 Effect of parallel length on induced voltage

由图8得，随着普速铁路电力电缆与高速铁路平行长度的增大，电力电缆金属护层感应电压逐渐升高，电缆各处电压分布差异越大. 普速铁路电力电缆的长度由2 km增大到10 km时，其感应电压最大值由11.17 V增大到31.18 V，增幅为179.14%.

3.2 并行间距

选取三芯电缆与高速铁路并行间距在5～25 m范围变化，得到电力电缆沿长度方向的感应电压分布规律如图9所示.

由图9可知，随着普速铁路电力电缆与高速铁路并行间距的增大，感应电压在逐渐减小. 并行间距由5 m增大到25 m时，其感应电压最大值由11.17 V减小到9.97 V，降幅为10.74%. 可得，高速铁路对并行间距在5～25 m范围内的普速铁路电力电缆的感应电压变化较小.

图9 并行距离对电力电缆感应电压的影响Fig. 9 Effect of parallel distance on induced voltage

3.3 机车负荷电流

高速铁路牵引网电流随着列车的运行在不断地变化，且不同型号列车的负荷电流不同，会引起电缆金属护层感应电压的变化. 本文设置高速铁路负荷电流在200～1 000 A范围变化，得到电力电缆沿长度方向的感应电压分布规律如图10所示.

由图10得，随着机车负荷电流的增大，电力电缆感应电压逐渐增大，电缆各处电压分布差异越大.当负荷电流由200 A增大到1 000 A时，其感应电压最大值由5.62 V增大到27.37 V，增幅为387.01%.机车负荷电流的增大使得地中泄漏电流增大，从而导致电力电缆感应电压升高.

3.4 土壤电阻率

中国高速铁路跨设在大漠戈壁、草原风沙、崇山峻岭、松软湿地以及高盐临海等复杂的地质环境中，土壤条件对电力电缆干扰电压产生影响. 设置土壤电阻率在200～1 000 Ω·m范围变化，得到电力电缆沿长度方向的感应电压分布规律如图11所示.

图11 土壤电阻率对电力电缆感应电压的影响Fig. 11 Effect of soil resistivity on induced voltage

由图11得，随着土壤电阻率的增大，电力电缆感应电压在逐渐减小，其沿长度方向呈倒“V”型分布. 当土壤电阻率由 200 Ω·m增大到 1 000 Ω·m时，其感应电压幅值由12.98 V增大到23.12 V，增幅为78.12%. 随着土壤电阻率的增大，电力电缆电阻率相对减小，地中电流更多地集中在电力电缆上，导致电力电缆的感应电压升高.

3.5 短路电流

接触网短路故障多指对地短路、绝缘部分闪络、击穿等情况. 接触网短路时在电力电缆上产生的感应电压和感应电流会急剧升高，可能发生电缆铠装层绝缘击穿，或电缆接头处绝缘击穿，对电缆的安全运行造成重大隐患.

为了研究接触网短路情况下电力电缆的感应电压和感应电流，本文设置短路点入地电流为5～25 kA变化，得到电力电缆感应电压如图12所示，感应电流如表4所示.

图12 短路电流对电力电缆感应电压的影响Fig. 12 Effect of short circuit current on induced voltage

表4 短路电流对电力电缆感应电流的影响Tab. 4 Effect of short circuit current on induced current

由图12得，随着短路电流的增大，电力电缆感应电压逐渐增大. 当短路电流由5 kA增大到25 kA时，其感应电压最大值由75.33 V增大到209.44 V，增幅为178.03%. 短路电流25 kA下感应电压最大值是正常情况下的18.75倍. 急剧升高的感应电压可能会引起电缆绝缘层击穿，威胁电缆的安全运行.

由表4得，牵引网短路时，电力电缆金属护层感应电流处于4.500 A以下. 由《GB 13870—2008电流通过人体的效应》[22]，当通过人体的电流达到50 mA就会产生心室纤维性颤动症状，当达到100 mA时将迅速危及生命. 若此时电力电缆上有人员作业，会存在极大的安全隐患.

4 电力电缆防护措施

4.1 高速铁路与普速铁路防护距离

《TB 10008—2015铁路电力设计规范》[23]中规定：电缆金属层上任一点非直接接地处的正常感应电势最大值在，未采取有效防止人员任意接触金属层的安全措施时，感应电压瞬时值不得大于60 V；除上述情况外不得大于300 V. 由以上分析得在高速铁路牵引供电系统正常运行时，其感应电压均符合标准.

为避免在牵引网短路故障下，电缆金属护层感应电压可能引起的电缆铠装层击穿或金属接头处击穿问题. 由于电缆连续长度不超过3 km，对不同电缆长度下，高速铁路和普速铁路在不同防护距离时，电力电缆的感应电压进行比较. 设置牵引网短路电流为25 kA，土壤电阻率为100 Ω·m，不同防护距离时三芯电缆感应电压最大值如表5所示.

由表5得，随着高速铁路和普速铁路之间距离的增大，普速铁路电力电缆金属护层的感应电压随之减小. 在普速铁路电力电缆长度分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 km时，高速铁路与普速铁路的安全防护距离分别为 100、150、200、300、450、550 m，此时普速铁路电力电缆感应电压最大值降到60 V以下，符合《TB 10008—2015铁路电力设计规范》[23]规定. 建议工程设计时，根据平行电缆连续长度不同设置不同的安全防护距离.

表5 不同防护距离时电缆的感应电压Tab. 5 Induced voltage at different protective distances V

4.2 电力电缆接地方式选择

为降低感应电流对电力电缆的损耗以及避免牵引网发生短路故障时电力电缆感应电流对维修人员构成威胁，将电缆金属护层接地方式设为双端接地、单端接地和中间接地3种方式，对比其感应电流大小. 在牵引网短路状态下，沿电缆方向分为50个小段，每小段作为一个电缆采样点读取3种接地方式的金属护层感应电流数据，如图13所示.

图13 3种接地方式下电力电缆感应电流Fig. 13 Induced current in three grounding types

由图13得，电力电缆单端接地时，感应电流从接地端到另一端由大到小分布，这是由于接地端地中电流更易侵入金属护层；电力电缆中点接地时，感应电流呈中间高两端低的趋势，中点由于接地使地中电流流入电缆部分较多，中点以左部分牵引网连接牵引变电所取流大，导致电缆感应电流中点出现拐点. 因此，中点接地和单端接地能较好地降低电力电缆感应电流，电力电缆感应电流从小到大的接地方式依次为中点接地、单端接地和双端接地.