重載橋梁區段信號電纜防護牽引電流影響的改造措施

馬滄海 楊世武 劉 倉 劉彥堂

（1．中國鐵路總公司運輸局電務部，北京 100844；2．北京交通大學電子信息工程學院，北京 100044；3．太原鐵路局電務處，太原 030013；4．太原鐵路局大同電務段，山西大同 037005）

根據鐵道部科技開發項目要求[1]，課題組對大同—秦皇島(簡稱大秦)等重載線路橋梁區段信號電纜感應電壓、牽引電纜回流數值以及形成電弧條件等方面開展了全面的理論分析和測試，主要數據和推導已在研究報告中詳細描述，本文僅對可用于工程的改造方案和措施進行簡要總結。

1 大秦線接地方案特點概述

目前，重載鐵路采用自耦變壓器（AT）供電方式，接地采用ZPW-2000軌道電路的貫通地線。每隔一定距離，信號電纜外皮將接入貫通地線；軌道電路中空心線圈或扼流變壓器中點通過橫向連接與貫通地線相連；另外，空扼流中點還會與保護線連接。可見，強電系統盡管不會直接接入貫通地線，但二者依然存在不可分割的傳導耦合關系。下面對重載線路（大秦線）的接地方式進行簡要總結，如表1所示。

通過表1所示內容并結合測試和現場調研可知：1）雖然重載鐵路的接地方案不同于高鐵的綜合接地系統，但在本質上，牽引供電系統與信號設備之間依然存在直接關聯，差異之處主要體現在電纜接地方式、道床電阻以及貫通地線材料具體參數等方面。2）電纜槽與貫通地線均為金屬材料，但未有效低阻抗互連，因而二者可能存在電位差。3）信號電纜與貫通地線等沒有有效的隔離。4）橋梁處貫通地線接地電阻難以滿足1 Ω要求。5）貫通地線存在被盜現象，且難以及時發現。

表1 重載接地方案

2 信號電纜防護牽引電流干擾主要措施

根據課題組測試和計算等相關研究，在正常條件下，牽引供電在電纜中形成的電位差和電纜外皮中產生的傳導電流，均不會導致電纜擊穿和燒損。除人為因素外，電纜燒損均是在故障或某些特定條件下引起的。因此，課題組提出的改造方案并非純粹等同于為了防止電纜燒損，同時，也有利于保證信號設備安全和減小電磁干擾。另外，信號設備防護干擾效果不僅體現在設計環節，還與施工質量以及運營維護密切相關。

綜合研究結果，改造方案主要包括以下8項措施。

2.1 消除可能引起放電的電位差

貫通地線通過低阻抗接地，其重要作用是保持所連接設備的等電位。大秦線采用金屬電纜槽，在橋梁區段，電纜槽本身導電連續性很差。根據課題組現場測試和室內模擬測試，貫通地線與電纜槽之間可能出現電位差；當達到20 V以上時，會造成放電或打火，從而使貫通地線的外護層加速老化甚至引燃燒損。

從工程的角度，考慮到全部更換金屬電纜槽的改造成本過高，因此，建議改善電纜槽的導電連續性，并增強對電纜的屏蔽效果；同時，將貫通地線每隔100 m左右與電纜槽栓接，以消除二者間的電位差，避免導致放電甚至拉弧。

2.2 對信號電纜和貫通地線進行物理隔離

牽引電流可能進入貫通地線，本質上屬于強電范疇，因而不同于信號電纜。但在實際工程施工中，信號電纜不僅與貫通地線同槽鋪設，而且經常扭絞在一起，不僅加大了對信號電纜的電磁干擾，還增大了信號電纜引入強電甚至被燒損的機率，類似于引火燒身。因此，參照實際條件，應盡量把同槽敷設的（通信）信號電纜與貫通地線實施物理隔離。鑒于電纜槽空間存在局限，更便于操作的實際方法是在電纜槽內通過絕緣阻燃膠皮將電纜與貫通地線隔開：即將絕緣阻燃膠皮置于貫通地線與電纜之間，并盡量減小電纜與鋼槽接觸。

通過物理空間或絕緣材料隔離信號電纜與電纜槽、貫通地線，既減小了信號電纜芯線的干擾，又提高了二者間絕緣及阻燃等級，同時還在一定程度上消除了由于其他外界因素（如外界火源等）造成電纜燒損的隱患。

2.3 必要時加設地網

貫通地線接地電阻應不大于1 Ω。由于相當數量的橋梁和隧道地處山區，土壤電阻率普遍較大，達不到接地電阻的指標要求。因此，在橋梁或隧道區段，必要時可增設專用地網，當其連接貫通地線后，強電流經過貫通地線迅速泄流，降低瞬態電壓，防止信號電纜絕緣損壞。當然，對于接地電阻率較低的地區，橋梁接地電阻已達到規定要求，形成良好的泄流通道，則無需增設地網。

具體實施時，對于長度小于1.5 km的橋梁和隧道，必要時可在一端橋頭處敷設地網；對于長度大于1.5 km的橋梁和隧道，可在橋梁的兩端處分別設置地網。另外，可根據現場環境適當采取其他降阻措施。

需要注意，地網可根據橋梁的差異而采用不同規格（大小），接地體應確保接地效果良好，建議采用接地銅纜與貫通地線連接；貫通地線引出端宜與橋梁上接觸網桿塔保持一定距離（最好不小于15 m）。

2.4 貫通地線材料的選型

兼顧接地效果及阻燃特性等因素，在橋梁和隧道區段宜采用外護套為合金護套或是環保金屬的貫通地線。

目前，大秦鐵路大量采用外護套為環保塑料的貫通地線。考慮到實施的可操作性及工程投資及防盜等因素，當前可僅在橋梁和隧道區段更換成合金護套的貫通地線。

在更換過程中，在兩種材質的貫通地線的連接處可采用直通型連接方式，在連接前應將貫通地線端部的外護套剝離。另外，建議將兩種地線壓接頭放置在橋頭的路基處，防止橋梁在震動時，損傷電纜。更換貫通地線時，建議由工務部門配合完成。

2.5 對貫通地線進行斷線檢測及過程監測

從維護方面來看，貫通地線在現場經常出現丟失的現象，且難以及時發現。這樣會減弱等電位的效果，持續較長時間后也增加了危害電纜的概率。因此，有必要通過技術手段，實施對貫通地線的斷線和狀態檢測，有條件時，可納入微機監測和故障診斷系統中，及時發現并通知修復，保證列車運行的安全。課題組開發了一種基于低功耗微處理器和短消息的橋梁貫通地線監測裝置（授權專利）。

另外，結合項目的前期調研，在信號電纜燒損后，由于需要迅速修復，對現場相關數據和狀態記錄很難完全保留并準確存檔，因而對事后信號電纜燒損原因分析帶來相當大的困難。這一方面，現場維護中有待改善。

2.6 信號電纜雙端接地宜改為單端接地

經過課題組理論計算和室內模擬測試，得到結論，在目前接地條件下，同時考慮傳導干擾和感應干擾的影響后，對于降低電纜芯線縱向感應電動勢來說，單端接地要優于雙端接地。特別是針對橋隧區段，單端接地具備而雙端接地不具備的優點是：可防止由于雙端接地的電位差形成傳導電流環路、以及貫通地線斷線時牽引電流通過電纜外皮回流。

因此，建議在橋梁和隧道區段，將信號電纜的接地方式改為單端接地，單端接地的電纜長度不宜超過1.5 km。考慮到本工程是為在已開通運營的繁忙區段實施信號電纜接地工程，為盡量減少對行車的干擾，可暫采用接續盒方式（在不切割既有使用電纜芯線條件下）實現單端接地，盡量減小對電纜屏蔽效果的影響。另外，在橋上（電纜槽內）敷設的電纜切割后實施單端接地，施工時易造成電纜受損，影響行車；再加上橋梁及電纜槽空間狹窄，不利于施工，故單端接地實施地點宜選擇在橋梁兩端的路基處。如圖1、2所示。

在電纜單端接地時，電纜的鎧裝和鋁護套應同時接地。對于長度小于1.5 km的橋梁和隧道，單端接地的實施方法如圖1所示；對于長度大于1.5 km的橋梁和隧道，單端接地如圖2所示。其中，將電纜的鋁護套和鎧裝斷開，并用接續盒連接，主要是對電纜芯線進行保護。

考慮到大秦鐵路目前主要采用雙端接地的方式，因此，在橋梁和隧道區段建議改為單端接地，而在路基區段可維持原狀（即雙端接地）。

2.7 加強與牽引供電部門協調和配合

根據課題組現場調研，大秦線等重載線牽引供電現場出現故障現象較為頻繁，而且與信號之間的協調不夠及時和充分。統計顯示，強電造成的信號故障（包括電纜）也占了較大比例。顯然，信號防干擾不能忽視干擾的源頭，應綜合防治，需多方面配合進行協同預防。

建議加強與牽引供電專業溝通，有效防止接觸網故障及閃絡等現象；同時應加強信息互通和共享，信號部門有必要及時掌握牽引供電的狀態和關鍵參數。

2.8 規范工程施工及測試

1）施工注意

項目研究中發現，由于電纜接頭等薄弱處破損后，可能具備電弧形成條件，引起放電和高溫過熱，最終有可能導致電纜燒損。因此，在新建及改造過程中，應完善施工規范和提高質量，防止電纜磨損及過度彎折、從而在破損后引入強電或外界大能量。

2）完善維護手段及技術

對橋梁區段牽引電流等數據，完善常規巡視和測試規范。在朔（州）—黃（驊港）重載線等現場測試中，課題組發現缺乏必要的基本測試工具，現場技術力量還有待于加強；另外，對于接地電阻測試等技術含量高的工作，存在不規范的操作方法。

3 結語

本課題提出的部分措施已在大秦線、朔黃重載線實施（如圖3所示），達到了預期效果。需要說明，朔黃線采用UM71軌道電路，但僅在橋梁區段敷設（局部）貫通地線，二者接地等配置有所不同。

上述內容中涉及到的相關數據和依據內容詳見文獻[1]。具體的改造方案和維護細則應由設計單位結合原有規范，進行綜合分析和系統規劃。以上內容是課題組在本項目研究中總結的主要措施，供現場單位參考；在實踐中不斷完善后，最終由設計部門形成規范。

致謝：中國鐵路總公司運輸局電務部李文濤處長、北京全路通信信號研究設計院有限公司潘繼軍高工、中鐵工程設計咨詢集團有限公司梁伊模高工對本項目提供了很有價值的參考意見。

[1]北京交通大學，太原鐵路局.既有線重載鐵路運輸研究—重載橋隧特殊區段信號電纜防護大牽引電流技術研究.2013.

[2]鐵道部工程設計鑒定中心.鐵路綜合接地和信號設備防雷系統工程設計指南[M]. 北京:中國鐵道出版社，2009.