帶回流線的直接供電方式磁感應(yīng)危險(xiǎn)影響的計(jì)算及防護(hù)

賈澳倫

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院,濟(jì)南 250022)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對鐵路運(yùn)能及環(huán)保提出了更高的要求,鐵路的電氣化發(fā)展是必然的趨勢。在非GSM-R制式的電氣化區(qū)段,長途電纜在區(qū)間通話和應(yīng)急通信等方面仍具有不可替代的作用。由于電氣化鐵路供電回路的不對稱,將對通信電纜造成干擾影響。

交流電氣化鐵路的電纜防護(hù)是一個(gè)事關(guān)人身、行車安全的重要課題。危險(xiǎn)影響的計(jì)算涉及到的可變因素較多,計(jì)算結(jié)果難免與現(xiàn)場實(shí)際情況會(huì)有出入,在設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)對各參數(shù)合理取值,并考慮預(yù)留適當(dāng)?shù)挠嗔俊＝Y(jié)合峰福鐵路峰南段電氣化改造工程,介紹帶回流線的直接供電方式的磁感應(yīng)危險(xiǎn)影響的計(jì)算及防護(hù)。

1 危險(xiǎn)影響分類

危險(xiǎn)影響是指當(dāng)通信線路受到電氣化鐵道的感應(yīng)及入地電流的作用,產(chǎn)生的電壓和電流足以危害通信設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)人員的生命安全,損壞線路、設(shè)備和儀器,引起房屋火災(zāi)等。一般危險(xiǎn)影響分為3類。

(1)磁感應(yīng)影響。接觸網(wǎng)牽引電流產(chǎn)生的交變電磁場,通過通信電纜線路與接觸網(wǎng)之間存在的互感而產(chǎn)生的影響。

(2)電感應(yīng)影響。接觸網(wǎng)牽引電壓的電場,通過接觸網(wǎng)與通信電纜線路之間、通信電纜線路與大地之間存在著耦合電容產(chǎn)生的影響。對地下電纜線路及金屬護(hù)套接地的架空的電纜線路,不考慮電感應(yīng)影響。

(3)地電流影響。接觸網(wǎng)電纜通過鋼軌回流時(shí),通過鋼軌與大地之間的漏導(dǎo)入地,入地點(diǎn)及附件的大地電位升高,鄰近的通信電纜線路或設(shè)備接地裝置的電位隨之升高,從而對通信線路和設(shè)備產(chǎn)生影響。在正常供電狀態(tài)下,該影響較小,一般只考慮接觸網(wǎng)在變電所附近(1～5 km范圍內(nèi))發(fā)生短路故障時(shí),對通信設(shè)施在其接地點(diǎn)處產(chǎn)生的地電流影響。

2 危險(xiǎn)影響容許值

受電氣化鐵路接觸網(wǎng)正常及短路狀態(tài)下的危險(xiǎn)影響,在通信線路上任何兩點(diǎn)間的感應(yīng)縱電動(dòng)勢(有效值)與地電流影響電壓的幾何和,不應(yīng)大于表1的容許值。

表1 危險(xiǎn)影響容許值

注：①條件困難時(shí),最大感應(yīng)縱電動(dòng)勢不得超過150 V。②US為電纜芯線與金屬護(hù)套間的直流試驗(yàn)電壓。

3 磁感應(yīng)危險(xiǎn)影響計(jì)算

當(dāng)通信線路受多個(gè)供電臂影響時(shí),按通信線在各供電臂內(nèi)平行接近長度計(jì)算其感應(yīng)影響,并取各供電臂內(nèi)感應(yīng)影響最大值為該通信線影響計(jì)算值；當(dāng)通信線路小于或等于一個(gè)供電臂長度時(shí)或在某供電臂內(nèi)通信線分段使用時(shí),應(yīng)按通信線路在該供電臂內(nèi)平行接近長度或在該供電臂內(nèi)通信分段使用后的平行接近長度計(jì)算其感應(yīng)影響；在復(fù)線電氣化鐵道區(qū)段,若上、下行接觸網(wǎng)采用同相供電,則對接近的通信電纜線路的影響為上、下行接觸網(wǎng)電纜所產(chǎn)生的感應(yīng)縱電動(dòng)勢的代數(shù)和。

3.1 計(jì)算公式(表2)

表2 磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢計(jì)算公式

注：當(dāng)電氣化鐵道供電系統(tǒng)采用架空回流線、BT或AT供電方式時(shí),應(yīng)考慮綜合屏蔽效果。

表2中,Ed為正常供電時(shí),感應(yīng)縱電動(dòng)勢，V；Es為短路時(shí),感應(yīng)縱電動(dòng)勢，V；Zi為第i個(gè)接近段內(nèi)通信線與接觸網(wǎng)間的互感阻抗，Ω/km；Z為通信線與接觸網(wǎng)間的互感阻抗，Ω/km；lpi為第i個(gè)接近段內(nèi),通信線在接觸網(wǎng)上的平行接近長度，km；Is為接觸網(wǎng)短路狀態(tài)時(shí)的短路電流，A；Id為接觸網(wǎng)正常狀態(tài)時(shí)的等效牽引電流，A；λg為軌道全電流屏蔽系數(shù)；SR為50 Hz時(shí)電纜金屬護(hù)套實(shí)效屏蔽系數(shù)；Sm為50 Hz時(shí)同溝雙纜(或多纜)實(shí)效屏蔽系數(shù)；Sn為50 Hz時(shí)鄰近其他金屬導(dǎo)體的實(shí)效屏蔽系數(shù)；lp為通信線在接觸網(wǎng)上的平行接近長度,km。

3.2 計(jì)算參數(shù)的選擇及說明

以峰福鐵路峰南段電氣化改造工程為例,對計(jì)算中的各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算及說明。

峰福鐵路峰南段為單線電氣化鐵路,牽引供電系統(tǒng)采用單相工頻(50 Hz)交流制、帶回流線的直接供電方式,接觸網(wǎng)額定電壓為25 kV。沿線埋設(shè)有HEYFL237×4×0.9+6×2×0.6長途對稱電纜1條。電纜每4 km接地線(Rd=4 Ω)。其中,永平至陳家寨段LP=9.04 km、Id=653.2 A,建甌至小橋鎮(zhèn)段LP=12.03 km、Id=338.9 A,大地導(dǎo)電率σ均取100×10-3s/m；沿線電纜一般均埋設(shè)在路基邊坡外,按平行接近段計(jì)算,接觸網(wǎng)與通信線路的間距d近似為9 m,鐵路地下電纜至軌中心距離a約為5 m。

(1)互感阻抗(Z)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)用,互感阻抗(Z)的計(jì)算有簡化公式,該簡化公式與通用公式最大相對誤差≤3%,因此本次采用簡化公式。互感阻抗(Z)的簡化計(jì)算公式如表3所示。

表3 互感阻抗Z的簡化計(jì)算公式

注：σ為50 Hz時(shí)大地導(dǎo)電率；σe為800 Hz時(shí)大地導(dǎo)電率；d為接觸網(wǎng)與通信線路的間距。

(2)軌道全電流屏蔽系數(shù)(λg)

軌道全電流屏蔽系數(shù)λg為有軌道時(shí)與無軌道時(shí)通信線感應(yīng)電動(dòng)勢之比。

λm·λh-(1-K)(1-λh)

式中,K為通信線路位置修正系數(shù)；λm為軌道感應(yīng)電流屏蔽系數(shù)；λh為軌道傳導(dǎo)電流屏蔽系數(shù)；Ig為軌道全電流；Ij為接觸網(wǎng)影響電流。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),K與λh的取值,對λg有0.9～1的系數(shù)影響。因此,本次計(jì)算將上式簡化,按照λg≈λm計(jì)算。

根據(jù)σ及a,可查軌道感應(yīng)電流屏蔽系數(shù)λm計(jì)算表[3]得：λg≈λm=0.434 4。

(3)電纜金屬護(hù)套實(shí)效屏蔽系數(shù)(SR)

由鋁皮電纜50 Hz實(shí)效屏蔽系數(shù)計(jì)算表[3],可查知永平至陳家寨段LP=9.04 km,SR=0.365；建甌至小橋鎮(zhèn)段LP=12.03 km,SR=0.243。

(4)同溝雙纜(或多纜)實(shí)效屏蔽系數(shù)(Sm)及鄰近其他金屬導(dǎo)體的實(shí)效屏蔽系數(shù)(Sn)

本線只有一條電纜且鐵路走向多為山區(qū),鄰近金屬屏蔽物較少,因此,多纜實(shí)效屏蔽系統(tǒng)Sm及鄰近其他金屬導(dǎo)體的實(shí)效屏蔽系數(shù)Sn均取值1。

(5)單設(shè)回流線屏蔽系數(shù)

單設(shè)回流線的防護(hù)措施可以對通信帶來屏蔽效果,由電氣化鐵路回流線對通信線路常用屏蔽系數(shù)計(jì)算表[3],可查知單設(shè)回流線可帶來0.667的屏蔽系數(shù)。因此,最終算出磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢Ed應(yīng)乘以單設(shè)回流線屏蔽系數(shù)0.667。

將以上系數(shù)代入公式(3)可得如下結(jié)果。

永平至陳家寨段：

Ed≈ZlpIdλgSRSmSn×0.667=166.7 V

建甌至小橋鎮(zhèn)段：

Ed≈ZlpIdλgSRSmSn×0.667=76.6 V

4 防護(hù)處理措施

交流電氣化鐵路通信電纜可以采用以下防護(hù)措施。

(1)加裝絕緣變壓器：在通信電纜線路受電氣化鐵道危險(xiǎn)影響的區(qū)段,通信站、車站通信機(jī)械室均應(yīng)設(shè)置電化引入架或電化型車站綜合柜,并裝設(shè)絕緣變壓器。音頻回線(除長度較短并通直流信號的線對外)都應(yīng)接入絕緣變壓器。絕緣變壓器次級線圈中心接地,當(dāng)外線進(jìn)入的感應(yīng)電壓超過線圈耐壓時(shí),將線圈擊穿,經(jīng)次級線圈中心接地點(diǎn)入地,以達(dá)到保護(hù)設(shè)備和人身安全的目的。

(2)接地處理：長途電纜護(hù)套接地(電阻不大于4 Ω),地線間距不大于4 km；通信站接地電阻不大于1 Ω；變電所及分區(qū)亭接地電阻不大于2 Ω。地區(qū)(站場)電纜與電氣化鐵道平行接近長度超過2 km時(shí),其主干電纜兩段應(yīng)設(shè)電纜屏蔽地線。在變電所附近的電纜屏蔽地線與變電所接地網(wǎng)之間應(yīng)保持一定的距離。

(3)護(hù)套處理：長途電纜接頭套管與電纜金屬護(hù)套間、分歧電纜與干線電纜金屬護(hù)套間,全部連通并接觸良好；電纜引入中間站或通信站時(shí),須將電纜護(hù)套斷開,斷開處各護(hù)套間用導(dǎo)線連通。

(4)室內(nèi)處理：除了電纜回線終端加裝絕緣變壓器外,電纜引入室內(nèi)時(shí)電纜金屬護(hù)套的室內(nèi)部分與室外部分相互絕緣；與長途電纜芯線直接相連設(shè)備的機(jī)架或機(jī)殼應(yīng)對地絕緣,并鋪設(shè)絕緣墊。

(5)由于接觸網(wǎng)故障點(diǎn)是隨機(jī)變化的,地電流危險(xiǎn)影響的計(jì)算也較難真實(shí)反映現(xiàn)場情況,所以一般在變電所附件的通信電纜增設(shè)熟料絕緣防護(hù)管,以防止接觸網(wǎng)短路對通信電纜的危險(xiǎn)影響。電纜接地應(yīng)遠(yuǎn)離變電所地網(wǎng)。

(6)在電氣化鐵道區(qū)段,新敷設(shè)的長途通信電纜應(yīng)采用鎧裝二級外護(hù)層的高屏蔽直埋電纜。電纜金屬護(hù)套對50 Hz的感應(yīng)縱電動(dòng)勢每公里為30～150 V時(shí),其固有屏蔽系數(shù)(SR)應(yīng)小于0.10。

在采取以上措施后,感應(yīng)縱電動(dòng)勢Ed仍大于100 V(困難條件可放寬至150 V),應(yīng)考慮設(shè)置通信感應(yīng)縱電動(dòng)勢抑制設(shè)備,以保護(hù)人身及設(shè)施的安全。該系統(tǒng)的原理是：將線路上感應(yīng)的縱向電壓取出,經(jīng)跟蹤控制放大后加于轉(zhuǎn)換裝置。轉(zhuǎn)換裝置的繞組是用和電纜參數(shù)相同的電纜芯線繞制成的,并串接在電纜線路中。繞組產(chǎn)生的電壓和線路感應(yīng)的縱向電壓大小相等,相位相反,從而抵消了線路上的感應(yīng)電壓,當(dāng)作用后的線路接入通信設(shè)備后,其感應(yīng)危險(xiǎn)電壓基本上被消除,而由感應(yīng)電壓引起的高次諧波產(chǎn)生的干擾也將被大大減小。

由于永平至陳家寨段Ed=139.7 V>100 V,因此需要于永平站及陳家寨站電纜引入室設(shè)置通信感應(yīng)縱電動(dòng)勢抑制設(shè)備。

5 結(jié)語

通過對電氣化鐵路通信防護(hù)的合理設(shè)計(jì),能夠降低接觸網(wǎng)強(qiáng)電流對通信設(shè)施的不良影響,保證運(yùn)營、維護(hù)的安全可靠。由于現(xiàn)場情況復(fù)雜多樣,為了得出更切合現(xiàn)場實(shí)際情況的參數(shù)取值方法,建議在工程竣工、運(yùn)營后,對實(shí)際防護(hù)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)回訪,分析、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。通過對理論設(shè)計(jì)與實(shí)際情況的比較,修正相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)值,以得出更簡單、更切合實(shí)際的參數(shù)。

[1]TB10006—2005,鐵路運(yùn)輸通信設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]TB2019—88,交流電氣化鐵路對通信電纜線路危險(xiǎn)影響的計(jì)算條件和方法[S].

[3]鐵道部通信信號總公司研究設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊 通信 下冊[M].北京：中國鐵道出版社，1978.

[4]高大綱.電氣化鐵道供電系統(tǒng)對通信電纜線路的影響[J].鐵道通信信號，2006.

[5]鐵道部工程設(shè)計(jì)鑒定中心.通信線路及其他設(shè)施電磁干擾防護(hù)工程設(shè)計(jì)指南[S].北京：中國鐵道出版社，2009.