市域铁路信号电缆危险影响及防护方案

王国军

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 概述

信号电缆负责信号轨旁设备与室内设备间信息传递及用电供给功能，其自身是否超过外部电磁环境影响容限直接决定信号系统能否正常工作。同时在电缆外壳产生感应电动势超过规定值还会对维护人员人身安全产生威胁，情况严重者可能发生电缆击穿事故，直接导致信号系统功能性缺失。

近年来，随着国内社会经济和新型城镇化发展，城镇居民对于组团间交通快速、便捷的交通日趋青睐，外围组团与中心城区的时空目标进一步缩短；在此背景下，市域铁路获得了较大发展。市域铁路的显著特点之一即为运行速度高，满足快速、高密度、公交化的项目建设需求。要使列车高速运行，市域铁路多采用单相工频交流25 kV牵引供电制式，该制式下接地方案与常规的地铁项目直流供电方式有较大的区别。为此，当列车在盾构区间内运行时，对于信号电缆防护也提出了不同于直流供电项目的客观需求。

2 设计方案

2.1 直流供电方式下信号电缆防护方案

直流供电方式下不产生感应电动势，区间信号电缆原则上不用设置屏蔽性能较好的铝护套信号电缆；设置于地面或高架区间的信号电缆需要考虑雷电防护措施。

地铁项目多采用直流供电方式，车站设置综合接地网，使全线形成统一的高低压兼容、强弱电合一的接地系统。该综合接地系统从车站站台板下引出强电与弱电接地极，信号设置区间接地扁钢与弱电接地极连接，要求综合接地扁钢上各点综合接地电阻不大于1 Ω。

2013版《地铁设计规范》第16.2.10条中“管道和其他地下管线及建筑物间的最小净距（m）”要求信号线缆与电压等级小于35 kV的电力线平行及交叉时，其间距要求为0.5 m；距离电压等级为35 kV及其以上的电力线缆，平行敷设时为2 m，交叉时为0.5 m。在第17.7.6条第4款要求“出入信号设备室的电缆应采用屏蔽电缆，应在室内对电缆屏蔽层一端接地，并应在引入口设金属护套”[1]。

2.2 交流供电方式下信号电缆防护方案

在列车供电方案采用单相工频交流25 kV牵引供电制式下，需要考虑接触网的电压和电流在其周围空间产生连续分布的交变电磁场产生的磁感应电动势对信号电线路产生影响。

2.2.1 磁感应纵电动势危险影响

接触网的电流在信号电线路任意两点间感应的电势差称为磁感应电动势。该电动势可能产生以下影响：

1）使运营、维修人员产生接触危险；

2）使信号设备产生破坏的危险（击穿绝缘、烧毁设备）；

3）使信号设备产生误动作的危险（错误控制、错误表示、错误解锁等）。

2.2.2 磁感应纵电动势的计算

1）接触网正常运行时

磁感应电动势(E)计算如公式（1）所示[2]：

公式（1）中各参数含义如下：

E：磁感应电动势/V；

ω：接触网电流、电压的角频率/（rad/s） ， ω=2πf；

Mi：50 Hz时接触网与信号线路间第i段互感系数/（H/km）；

Lpi：接触网与信号线路间第i段接近段长度/ km；

Id：接触网等效牵引电流/A；

K：接近段内各接地导体的电磁综合屏蔽系数。

2）接触网短路接地时

磁感应电动势(E)计算如公式（2）所示：

公式（2）中各参数含义如下：

ω，Mi，Lpi，K，E： 同公式（1）；

Is： 接触网短路电流/A。

2.2.3 主要技术要求

在国标《电信线路遭受强电线路危险影响的容许值》[3]（GB 6830-1986）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》[4]（DL/T 5033-2006）中强电线路对邻近电信线路的干扰影响和危险影响允许值做出了相应的规定：当电力线路正常运行时，信号线缆上磁感应电动势的允许值为60 V；当电力线路短路故障运行时，信号线缆上的磁感应电动势的允许值为430 V[5]。

而《铁路工程设计技术手册：信号》与此要求类似：接触网正常运行时，信号电线路上产生的磁感应纵电动势允许值为60 V；接触网短路接地故障时，磁感应电动势应小于电缆芯线与接地护套间的直流试验电压的0.6倍或交流试验电压的0.85倍。

2.2.4 工程案例计算

广州地铁18号、22号线采用集中供电方式，其中牵引供电系统采用单相工频AC 25 kV刚性接触网供电，带回流线的直接供电方式。本文以本工程为例，对AC 25 kV接触网在信号线缆产生的磁感应电动势进行了初步计算。

1）基础参数取值[6]

系统规模24对/小时；供电臂最大长度为15.35 km；供电容量按近期列车运行交路要求配置，18号线近期运用列车数为36列车；信号线缆与接触网的接近距离为4.5 m；空气导电率为5×10-14（C.G.S.M）；根据接近距离和空气电导率查得的互感系数为1 135×10-6H/km；电磁综合屏蔽系数为0.15；接触网短路电流为2 000 A。

列车牵引电流计算[7]如表1所示（机车功率取7 200 kW，按0.7为最大功率计算，L4所在区段靠近变电所；一个供电分区内同时运行4列车）。

表1 列车牵引电流Tab.1 Table of train traction current

从表1可以看出，越靠近变电所，接触网等效电流越大，理论计算最大值可达568.89 A。

2）理论计算结果

当信号电缆跨越电力牵引自耦变压器所（AT所）或牵引变电所的两侧，由于同一时刻网上牵引回流方向相对于信号电缆方向相反，对信号电缆的电磁影响相对较小；本次计算主要针对信号电缆在AT所或牵引变电所一侧的极端情况。

根据公式（1），接触网正常工作时，在不同接触网等效电流值下，计算得出不同电缆长度（Lpi）下磁感应纵电动势分别如表2～5所示。

表2 电缆芯线感应纵电动势（I为212.2 A） Tab.2 Induction longitudinal electro-motive force of cable core (I is 212.2 A)

表3 电缆芯线感应纵电动势（I为347.4 A）Tab.3 Induction longitudinal electro-motive force of cable core (I is 347.4 A)

从表2～5可以看出，当信号电缆所敷设位置远离变电所时，为使信号电缆感应纵电动势小于60 V，线缆最大可达7 km；当靠近变电所时，线缆最大长度为2.6 km。超过此值时需要采取其他措施。

表4 电缆芯线感应纵电动势（I为459.95 A）Tab.4 Induction longitudinal electro-motive force of cable core（I is 459.9 5A）

表5 电缆芯线感应纵电动势（I为568.89 A）Tab.5 Induction longitudinal electro-motive force of cable core（I is 568.89A）

根据公式（2），计算得出接触网短路时信号线缆的磁感应纵电动势如表6所示。

表6 接触网短路时电缆芯线感应纵电动势Tab.6 Induction longitudinal electro-motive force of cable core when the overhead contact line is short-circuited

当信号电缆长度超过5.35 km时，有接触网短路时电缆绝缘存在被击穿的风险。

2.2.5 信号线缆防护方案

根据上述初步的计算结果，由于市域线路站间距较大（如广州地铁18号线最大站间距达到10.5 km），考虑到信号系统配置降级且降级系统维持一定程度的区间通过能力，区间设备较多，多数信号电缆均超过第2.2.4节所列的极限控制距离；应该加强防护措施，避免接触网交流电对信号线缆的电磁干扰。

1）信号电缆进行双端接地

在区间设置接地圆钢（或扁钢）的情况下，接地圆钢与车站综合接地网在站台端部用电缆连接，区间接地扁钢上任一点的接地电阻不大于1 Ω。2006版《铁路信号设计规范》第14.2.1条规定“设置贯通地线的地区，铁路沿线及站内的信号设备的各种地线均应就近与贯通地线直接连接”[8]。由于区间接地圆钢（或扁钢）可以认为是等阻线，遇雷击时很难产生接地极间压降差，不会因压降差使电流反窜至室内烧毁信号设备[9]；双端接地可有效消除电缆外皮的感应电动势，根据津秦客运专线信号电缆现场实测结果，在牵引电流1 000 A的情况下，外皮单端接地时，芯线感应纵电动势为20.4 V；而外皮双端接地时，芯线感应纵电动势约为11 V[10]。从减小芯线感应纵电动势角度来说，当电缆长度超过2.6 km时，外皮接地应采用双端接地。

根据津秦客运专线信号电缆现场实测结果预测，当双端接地时可有效减少线缆磁感应电动势至原值的60%。当接触网等效牵引电流为568.89 A时，根据线性拟合结果预测结果如表7所示。

表7 不同接地方式下电缆芯线感应纵电动势Tab.7 Induction longitudinal electro-motive force of cable core under different grounding modes

由表7可知，极限情况下（即线路以最大通过能力运行，且列车靠近变电所）为使信号电缆感应纵电动势小于60 V，线缆最长可达4.35 km。超过此值时可再次增加接地措施，进一步减少磁感应纵电动势值。

2）信号线缆尽可能远离接触网

在工程设计阶段，结合隧道断面布置形式，可选取距离接触网垂直距离最大的位置安装电缆支架，从而使信号线缆尽可能远离接触网。本文计算过程中，接触网距离信号线缆按4.5 m考虑，如果距离增加为5 m，根据查“50 Hz时互感系数M值的计算图表”，则可使互感系数降低为1 100 H/km，在目前的计算前提下，可降低磁感应纵电动势1.5 V左右。

3 结论

本文通过对AC 27.5 kV供电方案下接触网在信号线缆上产生的磁感应电动势进行初步计算分析后，得出在目前单端接地方式下，在线路以最大通过能力运行，且列车靠近变电所附近时，当信号线缆长度超过2.65 km时，信号电缆感应纵电动势可能大于60 V。当信号电缆长度超过5.35 km时，有接触网短路时，电缆绝缘存在被击穿的风险。

为了降低信号电缆磁感应电动势，结合设置区间接地圆钢设置的工程基础条件，建议对信号线缆进行双端接地；采用双端接地后电缆最长可达4.4 km，当电缆长度超过4.4 km时需要进一步增加接地措施来降低磁感应电动势值。同时在工程设计阶段尽可能将信号电缆远离接触网安装。

以上仅针对本工程AC 25 kV接触网供电的电磁干扰环境以及铁路信号设备的电磁兼容要求，根据电磁感应的理论公式相关科研实测数据，定性的分析了本工程电磁感应环境下磁感应纵电动势的大小，并提出了超过一定长度下的减少磁感应纵电动势的方法。期望能为同行技术人员提供参考，能为市域铁路建设提供有益的参考和借鉴。