試析電氣化鐵路電力電纜故障電流對信號電纜的電磁影響

韓曉宇

中國鐵建國際集團有限公司，北京 100855

在發展建設電氣化鐵路的過程中發現配套的電力電纜在發生故障時，其故障電流會產生嚴重的電磁干擾，影響信號電纜的正常運行。這一問題將直接關系到列車運行的安全性，因此，引起了鐵路運營部門以及設計建設部門的高度關注。為了有效地解決這一問題，提高電氣化鐵路系統之間信號傳輸的穩定性，需要對故障狀態下電力電纜的電流對電氣化鐵路的信號電纜產生電磁影響的成因進行深入分析，采取有效的措施對鐵路系統中的控制裝置、信號電纜和相關設備進行優化，并通過在鐵路沿線兩側的高架橋上分別設置電纜槽來進行信號電纜以及電力的鋪設等措施來減少故障電流對電氣化鐵路的信號電纜所產生的電磁影響，以保證電子化鐵路運行的安全。

1 電磁影響的主要形式以及產生原因分析

電氣化鐵路由于在牽引供電系統中主要采用的是單相非對稱的交流方式，因此，根據電力設備受電磁影響與電纜線路的耦合機制，鐵路沿線的設備和電路會受到傳導耦合的影響。此外，列車在運行過程中，接觸導線以及電弓離線會產生放電火花，這也會對鐵路沿線地區弱電設備的運行狀態產生一定的干擾。電氣化鐵路所產生的電磁影響主要表現為阻性耦合、靜電耦合以及感應耦合這3種重要形式。

1.1 產生靜電耦合的主要原因分析

靜電耦合主要體現耦合電容對電氣設備和相關電路的電磁干擾。產生耦合電容的原因主要是電氣化鐵路系統的接觸網所形成的牽引電壓電場。在電氣化鐵路供電網絡的弱電路和地面間有電流源存在，而當將電壓施加在接觸網兩端時，該電流源就會產生對地分布電容以及感應電壓。該弱電路的分布冗余值主要與架設接觸網電網的實際高度以及電路距離密切相關。靜電耦合對未設置保護裝置的電纜和架空電纜的電磁影響十分明顯。

1.2 產生感應耦合的主要原因分析

感應耦合對弱電路以及電力設備的影響程度主要取決于電氣化鐵路供電系統的具體構架。電氣化鐵路接觸網中的牽引電流能夠產生交變電磁場，從而形成感應電動勢，而感應耦合也就是感應電動勢，其能夠使電壓根據弱電線的實際長度變化而產生相應的改變，二者之間成正比例關系，并分布在弱電線的縱向方向上。由于接觸網中的電流與感應電動勢的屏蔽系數呈現出相位相反的特征，因此，二者的相互抵制是感應耦合產生的重要因素。

1.3 產生阻性耦合的主要原因分析

所謂阻性耦合也就是電位影響，其主要是由于電氣化鐵路系統接觸網中的牽引電流在回流過程中，將鐵路的鋼軌作為了回流的載體，造成其周邊的接地設備以及弱電路隨著大地電位的增加而不斷升高，對弱電路以及相關電氣設備產生電磁影響。

2 電力電纜在故障狀態下的電流對電氣化鐵路信號電流產生的電磁影響

2.1 電氣化鐵路電力電纜發生單相接地時的故障電流

電氣化鐵路的供電系統主要包括外部電源、變配電站、貫通線路以及箱式區間變電站等部分。在貫通線路中目前使用比較廣泛的電纜主要是單芯三相對稱電纜。而在電力電纜的故障因素中比較常見的是單向相接地故障。這主要是由于一旦發生單相接地故障，電力電纜在故障狀態下的電流值可以達到70～400A這一范圍，會影響信號電纜的正常運行狀態。

電氣化鐵路電力電纜的故障電流會對信號電纜產生比較明顯的電磁影響，其影響主要包括干擾影響以及危險影響這兩類。干擾影響主要是電纜故障影響了電氣設備運行的狀態，而危險影響則是電纜故障不僅對電力設備的運行造成了影響，還威脅到了人員的人身安全。

2.2 電氣化鐵路信號電纜受故障電流的電磁影響

2.2.1 故障電流對信號電纜的電磁影響

電力電纜發生單相接地故障時，其電流對信號電纜的影響主要表現為外皮回流以及地電流的影響。故障電流受外皮回流的影響，通過電纜外皮會地線回流形成貫通，同時，由于采取的雙端接地，信號電纜外皮會拾取部分電流。因此，在電磁耦合作用的影響下，信號電纜外皮以及貫通地線回流就會產生縱向的感應電動勢，對信號電纜的運行狀態產生明顯干擾。在電氣化鐵路系統中，由于信號電纜與電力電纜相互隔離，所以電力電纜所產生的外皮回流對信號電纜的影響相對比較小。此外，也可以忽略電氣化鐵路軌道所產生的屏蔽效應影響。

2.2.2 縱向感應電動勢分析

信號電纜在外皮回流作用下會形成感應電動勢，同時貫通地線回流也會促使感應電動勢生成，而此二者總和也就是信號電纜芯線所產生的縱向感應電動勢。因此，干擾電流角頻率因素、干擾回路因素、信號電纜單線回路間的互感系數因素，以及故障電流因素等都與縱向感應電動勢的產生密切相關。

2.2.3 互阻抗分析

在故障電流對信號電纜所產生的影響中，互阻抗也是其中的重要因素。在電氣化鐵路系統中的互阻抗大多來自信號電纜芯線與其外皮或者貫通地線之間所形成的互阻抗。信號電纜和貫通地線形成互阻抗的主要因素包括電流角的干擾頻率、大地的導線率及磁導率、信號電纜與貫通地線在垂直方向上的間距德國因素。信號電纜與貫通地線間的互感系數主要呈指數化變化，其互感系數將隨著二者間距的增加而減緩變化幅度。

而信號電纜芯線及其外皮間所形成的互阻抗則主要與纜皮半徑因素以及由鋼帶而產生的附加阻抗因素緊密相關。由于四芯星形信號電纜由鋁護套、外護套、內襯層以及鎧裝鋼帶所構成，因此，鋼帶長度是產生附加阻抗的重要因素之一。以長15km的信號電纜為例，其芯線與外皮的互阻抗值為0.77+j33；當信號電纜長度減少到2km時，該阻抗值則為0.1026+j444。信號電纜外皮以及貫通地線在低頻條件下的直流電阻是使故障電流發生分流的主要原因，而信號電纜以及貫通地線中的電流值則是影響分流系數的主要因素。經分析計算可知，芯線與貫通地線間所形成的互阻抗要比其與電纜外皮間所形成的互阻抗值小。

2.3 通過現場實測試驗分析電纜故障電纜所產生的電磁影響

通過現場實測的方式可以進一步對電力電纜故障對信號電纜的電磁影響進行驗證分析。在現場實測中，主要包括2個步驟的操作：第一步，測試人員應對信號電纜外皮采用雙端接地方式進行設置，將信號電纜芯的其中一段與貫通地線相連接，而另一端則與測試儀保持連接，可以對信號電纜芯線在信號電纜外皮以及貫通地線中電流的共同作用下所產生的感應縱向電動勢進行測量。第二步，測試人員應對信號電纜外皮采用單端接地的方式進行設置，同樣將信號電纜芯的其中一段與貫通地線相連接，而另一端則與測試儀保持連接，這樣就可以對信號電纜芯線在貫通地線中的電流作用下所產生的感應縱向電動勢進行測量。

在第一步操作測量中所獲得的信號電纜芯線在信號電纜外皮以及貫通地線中電流的共同作用下所產生的感應縱向電動勢值，與在第二步操作測量中所獲得的信號電纜芯線在貫通地線中的電流作用下所產生的感應縱向電動勢值相減，就可以計算出信號電纜芯線在其外皮電流的電磁影響下所產生的感應縱向電動勢的具體數值。

在本次現場測試試驗中，將信號電纜外皮的電流值設置為2.8A，而測得的信號電纜芯線所產生的感應縱向電動勢為4.3V。而根據芯線感應縱向電動勢的計算公式計算所得的數值則為6.2V，二者之間存在一定的差異。產生這種實測值與計算值不一致現象的主要原因是在現場實測過程中會受到多纜敷設、信號電纜同溝等屏蔽系數的干擾，造成計算結果要大于實測結果。此外，通過現場實測測得信號電纜外皮與芯線之間的互阻抗值為1.53Ω/km，根據計算公式計算所得的信號電纜芯線與外皮間的理論互阻抗值則為2.22Ω/km，二者的差異不大。

3 結語

在我國電氣化鐵路的供電系統中，單相接地故障是電力電纜主要故障形式之一，而且當故障發生時，其電流的瞬時值能夠達到70～400A之間，因此，所產生電磁影響會嚴重干擾電氣化鐵路信號電纜的正常運行。同時由于電氣化鐵路系統信號電纜主要采用的是外皮雙端接地，其芯線與外皮間互阻抗超過了其與貫通地線之間形成的互阻抗值，從而信號電纜外皮流經的電流值比較小，從而產生了對信號電流的電磁影響。所以，在電氣化鐵路的供電系統以及信號電纜建設中應積極采用能夠減少互感系數以及互阻抗的新型技術設備，從而為列車運行安全提供可靠保證，推動我國鐵路交通現代化發展。