鐵路漏泄同軸電纜直流隔斷器設置方案研究

劉立海

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

電氣化鐵路牽引網是單相高壓交流電網，在運行過程中，由于靜電感應和電磁感應的影響[1-8]，將會對沿鐵路線架設的通信線路產生危險影響，嚴重時破壞設備及其絕緣，甚至危及人員安全。鐵路通信漏泄同軸電纜(以下簡稱為“漏纜”)是掛設在鐵路隧道壁等軌旁一定高度處為鐵路提供無線覆蓋的通信線路，為了防止牽引網導致的直流和低頻電流通過漏纜，在目前鐵路900 MHz GSM-R數字無線通信系統的漏纜中一般都設置了直流隔斷器。由于對直流隔斷器的作用和設置方案缺乏統一的認識，早期開通的GSM-R線路中直流隔斷器設置方案不統一，根據現場應用反饋，部分鐵路的直流隔斷器損壞較為頻繁，影響無線通信的暢通。因此十分有必要開展鐵路漏纜直流隔斷器設置方案的研究，避免由于直流隔斷器設置不合理引起無線通信故障，同時降低現場故障檢修及維護工作量。

本文首先簡單介紹感應電壓的計算方法，然后分析直流隔斷器設置的必要性和設置方案需要考慮的因素，最后提出設置方案建議。

1 感應電壓計算

1.1 靜電感應電壓

(1)

式中，UC為牽引網電壓；RC為接觸網導線截面半徑。從上式可以看出，靜電感應電壓與牽引網電壓同為工頻且同相，大小與牽引負荷無關，在同一平行接近段內，通信線上各點靜電感應電壓大小相同。

根據上述公式計算，接觸網導線為截面積100 mm2銅線，等效半徑為4.6 mm，接觸網導線安裝高度為6 300 mm，通信漏纜的高度為4 500 mm，兩線水平距離為3 100 mm，在漏纜不接地的情況下，牽引網在漏纜上產生的感應電壓為2 832 V。因接觸網導線截面、高度、漏纜與接觸網導線的間距不同，靜電感應電壓大小不同，范圍在2 500～5 400 V。

圖1 接觸網導線和通信線相對關系等效結構

1.2 磁感應電勢

牽引網由接觸網、鋼軌網構成，由于接觸網-鋼軌回路對地不平衡，接觸網-鋼軌回路與通信線路的相對位置不平衡，且鋼軌-地之間的過渡導納的存在，一部分負荷電流經大地返回牽引變電所，因此，接觸網和鋼軌網電流所產生的感應電勢在通信線上不能抵消，所以在通信線上將產生磁感應電勢，又稱為縱向電勢。設牽引網和通信線平行接近且長度相等，并忽略牽引網的對地分布電導和電容，可以用圖2所示的簡單電路來描述磁感應，由此不難解得通信線上的縱向感應電勢[1-6]如下

Etc=jωMCtlIC

(2)

式中，MCt為接觸網與通信線的互感系數；l為接觸網與通信線的平行接近長度；ω=2πf，f為電流頻率；IC為接觸網電流。

圖2 接觸網和通信線縱向布置示意

當通信線與接觸網為復雜接近時，必須分段計算，最后進行合成。式(2)中，接觸網與通信線的單位互感系數MCt是一個重要參數，其精度將對感應電勢的計算產生很大影響。在實際的牽引網中，除了有接觸網-地回路外，還有鋼軌網-地回路，鋼軌網電流與接觸網電流反向。因此，鋼軌網電流IT在通信線中產生一個反向的感應電勢。換句話說，鋼軌網對通信線產生一種屏蔽效果，這種效果可以用屏蔽系數來描述。另外，對于電纜通信線，由于電纜外皮對芯線、相鄰芯線之間均要產生屏蔽效果，這些均可以通過等效為屏蔽系數來考慮[3]。

由于實際的牽引網比圖2所示的要復雜得多，除了前面提到的鋼軌回流，還有回流線、鋼軌接地等，對于AT供電系統更復雜得多。在工程計算中，應分段計算，考慮通信線路對地分布參數，將分布參數電路等效成集中參數電路，將牽引網的網絡拓撲通過節點方程描述，通過計算機法求解[1]。

不管以哪種方法計算和分析，均可以看出，電磁感應電壓大小與牽引電流的大小、平行段長度等成正比，與牽引網電壓大小無關[1，3]。

以漢宜鐵路帶回流線直供方式為例，按照計算機求解法計算感應電壓，基本計算條件如下：

設定供電臂長24 km；

電源容量按5 000 MVA；

牽引變壓器為單相接線，額定容量40 MVA，阻抗電壓百分數為8.4；

牽引變電所地網接地電阻0.5 Ω，分區所和AT所地網接地電阻0.5 Ω；

上下行鋼軌每隔1.2 km作橫向連接；

鋼軌對地漏泄電阻100 Ω·km；

回流線非絕緣安裝；

綜合地線GW對地漏泄電阻100 Ω·km；

單車牽引電流為500 A；

列車速度為250 km/h。

帶回流線直接供電方式牽引網結構和帶回流線直接供電方式牽引網系統各種導線分布空間幾何圖參考設計文件[6，8]。計算機仿真顯示，在上述條件下，牽引電流在通信漏纜外導體中產生的感應電壓一般在60～90 V/(kA·km)。該結果與文獻[3]的結論基本一致。

經過仿真計算，在AT供電條件下，牽引電流在通信漏纜外導體上產生的感應電壓一般在40～70 V/(kA·km)。

2 直流隔斷器設置的必要性

直流隔斷器通常是由電容構成，阻止直流和低頻電流通過漏纜內、外導體，但不影響漏纜中有用信號通過。有外導體隔離、內導體隔離和內外導體同時隔離3種形式，通常我們說的是內外導體同時隔離形式的直流隔斷器。

從前面分析可知，無論是靜電感應還是電磁感應，都是在交流電氣化鐵路中才出現，因此對于非電氣化鐵路，不需要安裝直流隔斷器。

經前面的分析，由于靜電感應電壓可高達數千伏，每段漏纜外導體必須接地，否則對設備和人身會造成傷害。由于磁感應(縱電動勢)的存在，可能導致漏纜中會出現感應電流；同時如果漏纜在不同的區域接地，由于一部分牽引電流經大地返回牽引變電所，而漏纜是良好的金屬導體，回流電流也會通過漏纜。下面通過分析漏纜中不加直流隔斷器和加直流隔斷的優缺點來闡述安裝直流隔斷器的必要性，并說明直流隔斷器的作用。

(1)不加直流隔斷器優缺點

對于外導體而言，以一段漏纜兩端接地中間不加直流隔斷器情況來分析，見圖3。在理想情況下，兩端接地電阻(R2、R3)均為零，A、B間的大地回路電阻R1為零，A、B點的電位均為零。A、B點的電位均為零(強制接地)，漏纜中靜電感應電壓和感應電壓均為零，接觸網回流也不會經過漏纜，但漏纜中存在感應電流[1]。在這種情況下，如果不裝直流隔斷器，由于沒有感應電壓，對設備沒有影響，但有電流通過漏纜，而且可能還會很大，因此漏纜會因發熱而加速老化。

實際情況沒有這么理想，A、B點不可能與大地真正等電位，接地電阻不可能為零，R1、R2、R3電阻均非零，R0阻值不大于2 Ω/km。

R0—漏纜外導本電阻；R1—漏纜A、B接地點之間的電阻；R2—漏纜A端接地電阻；R3—漏纜B端接地電阻圖3 漏纜兩端接地不加直流隔斷器的連接和等效電路

當鐵路沿線有貫通地線和綜合接地時，R2、R3阻值均不大于1 Ω，同樣R1也不大于1 Ω。如果在鐵路附近有以地為回路的通信電路，則將由于通信線路兩個接地點之間的電位差而出現干擾電流。由于A、B點不是真正的大地，當有動車或機車通過時，A、B之間可能會出現感應電動勢及感應電流；而且由于A、B點在同一時間回流大小不一樣，A、B點的電位也不等了，因此A、B間的漏纜就會承載電流。

當鐵路沿線沒有貫通地線和綜合接地時，R1、R2、R3的阻值可能差異較大，電阻甚至達10 Ω，大大超過漏纜電阻，這樣A、B點間的電壓和電流可能更大。如果增加漏纜中的接地點，縮短A、B間距離可以減小感應電壓和電流大小，但是接觸網電流回流還是不能避免，還是可能通過漏纜。

不加直流隔斷器主要不足是漏纜中可能承載低頻大電流，長期承載電流對漏纜的壽命有一定的影響。不加直流隔斷器的好處是由于漏纜多點接地，多處等電位，不容易出現電荷累積，可以保證人員操作安全。

對于內導體而言，由于外導體存在開孔，不能對內導體實現完全屏蔽[3，9]，內導體上還可能產生部分靜電感應電壓[9]和電磁感應電壓[3]。內導體無法直接接地，也可能產生感應電動勢，可能會損壞所連接的設備。感應電動勢的大小與平行導線的長度有直接關系，如果中間沒有直流隔斷器，漏纜越長，內導體上感應電壓越大，對設備越不利。感應電壓的大小跟牽引供電類型有一定的關系，AT供電和直供也是有差別的。因此對于內導體而言，長距離不加直流隔斷，產生的感應電壓越大，對設備不利。

(2)加直流隔斷器優缺點

對于外導體而言，增加直流隔斷器，一個直接的好處是可以阻止低頻電流通過漏纜，避免由于地電位不同，接觸網回流通過，避免漏纜及外皮因發熱而加速老化，避免干擾電流對有用信號的影響。特別是在沒有貫通地線的場合或接地電阻差別大的場合。

增加直流隔斷器后，在阻斷低頻電流的同時，隔離了接地，漏纜就出現了一端接地，另一端懸浮，這樣就出現感應電壓，可能導致人員操作的不安全。而且，直流隔斷器增加損耗，對信號傳輸有一定的影響，增加了接口，可能產生故障點。

對于內導體而言，合理的安裝直流隔斷器，配合接地設置，可以有效降低感應電壓。

根據實際應用反饋可知，如果直流隔斷器設置不當，可能導致直流隔斷器本身損壞。

是否需要設置直流隔斷器，與線路接地、牽引供電類型有關。總的來說，是否需要設置直流隔斷器，可以根據以下原則來判斷。

在具有貫通地線，接地良好，各地接地電阻小(如小于1 Ω)，且差異小，各接地點之間地電位差別小，設備端口有直流隔斷器或過壓保護器的情況下，在一定距離長度內可以不設置直流隔斷器，但在外導體上應多處接地。其他情況下，超過一定長度的漏纜均建議合理設置直流隔斷器。實際工程中，由于各接地點電阻和地電位難以保證一致，建議電氣化鐵路中超過一定長度(如500 m)的漏纜均設置直流隔斷器。

因此，合理地設置直流隔斷器，可以避免低頻電流通過外導體，可以降低內導體上的感應電壓[10-13]。不足的是設置不當，或接地不好，可能會導致內導體或外導體感應電壓過大。

3 直流隔斷器設置方案

3.1 考慮的因素

在設置直流隔斷器時，需要考慮以下幾個方面的因素。

(1)直流隔斷器的間距

直流隔斷器的設置間距主要關系到感應電壓的大小，感應電壓的大小與接觸網的供電類型、牽引供電電流大小、回流接地方案等有直接關系。直流隔斷器的間距還與漏纜最大盤長、射頻發射設備間距等因素有關。

允許的感應電壓大小受到國家和鐵路有關安全電壓和危險電壓的標準值的限制。根據國家標準[14]和鐵路通信設計規范[15]的規定，通常在正常情況，感應縱電動勢電壓不能超過60 V(有效值)，在短路條件下不能超過430 V(有效值)。

根據1.2節的分析和計算機仿真計算表明，AT供電和帶回流線直接供電方式下，牽引電流在通信漏纜外導體中產生的感應電壓一般分別為40～70 V/(kA·km)和60～90 V/(kA·km)。一般機車牽引電流最大可達1 000 A，按1 000 A牽引電流、60 V的感應縱電動勢計算對應的長度分別為850～1 500 m和667～1 000 m，結合高鐵隧道內洞室左右側交錯間隔250 m、同側間隔500 m 1處，因此，一般建議不超過750 m設置1處直流隔斷器。

根據鐵路通常隧道洞室間距、射頻發射設備功率、鏈路預算，建議漏纜每隔500～750 m設置1處直流隔斷器。對于特殊線路或特殊應用，應進行核算確定直流隔斷器的間距。

(2)直流隔斷器的安裝位置

直流隔斷器的安裝位置是選擇靠近射頻設備還是遠離射頻設備，需要結合接地進行選擇。這也是不同的工程最容易出現差別的地方。

(3)直流隔斷器與避雷器、接地之間的關系

部分人員由于對直流隔斷器的功能和作用認識有偏差，認為漏纜由隧道外轉入隧道內需要加裝直流隔斷器。為了保證安全，需要選擇合適的接地，同時接地又要避免使直流隔斷器失去作用。同時接地又是保證消除靜電感應電壓的有效方式。

3.2 設置方案比選

綜合3.1節的分析，為避免直流隔斷器數量過多增加插入損耗，直流隔斷器按500～750 m增加1處為宜。下面以設備間距為1 000～1 500 m為例，說明3種常見的直流隔斷器連接方案，分別如圖4～圖6所示。

圖4 直流隔斷器設置方案1示意

圖5 直流隔斷器設置方案2示意

圖6 直流隔斷器設置方案3示意

方案1：直流隔斷器設置在中間，每段漏纜長度500～750 m，漏纜靠近設備側接地。

方案2：在漏纜兩端靠近設備處各設置1處直流隔斷器，漏纜中間接地。

方案3：沿著鐵路方向每隔500～750 m在漏纜一端設置1處直流隔斷器，漏纜另一端接地，依次進行。

下面分析這3種連接方式的優缺點。

方案1：優點是方案簡潔，直流隔斷器數量少，施工簡單，不容易出現誤連接，而且由于直流隔斷器位于漏纜中間，即使直流隔斷器出現故障，對無線信號的傳輸影響最小。缺點是不能避免內導體上的感應電壓影響設備射頻端口；在直流隔斷器附近沒有接地點，施工檢修時需要臨時找接地點。

方案2：優點是方案具有一致性，施工不容易出現誤連接，對射頻設備具有一定保護作用。缺點是需要在長達1 000 m或15 000 m的漏纜中間接地，而且僅有一處接地，如果接地不良或接地電阻較大，外、內導體由于距離長而導致感應電壓較大；直流隔斷器數量多，插入損耗大；直流隔斷器損壞后，對無線信號影響最大。

方案3：優點是方案具有對稱性，每段漏纜一端連接直流隔斷器，另一端接地，保證了直流隔斷器一端接地，維護操作安全，檢修中容易就近找到地線。缺點是如果中間接地不良或接地電阻較大，容易由于漏纜懸空而導致感應電壓積累，不能及時通過接地泄流；直流隔斷器數量多，插入損耗大；與設備連接端的直流隔斷器損壞后，會影響無線信號的傳輸。

通過上面的比較可以看出，在上述3種方案中，方案1是最佳的方案，方案2是最差的方案。實際應用中，方案1應用較多，武廣客專、鄭西客專、廣深港客專等都是這種連接方式，極少出現直流隔斷器損壞的情況。調研中頻繁出現直流隔斷器損壞故障的鐵路基本都是采用了方案2，如甬臺溫鐵路、龍廈鐵路等。因此，推薦采用方案1，也可采用方案3，不推薦采用方案2。

確定了設置方案后，還需選用合適的直流隔斷器器件，對其直流工作電壓、插入損耗、內外導體電容、頻率范圍、射頻功率等主要參數進行限定。建議直流工作電壓高于交流電氣化鐵路危險電壓最大允許值430 V的2倍以上，即1 000 V；插入損耗越小越好，建議不大于0.3 dB，電容應越大越好，阻抗應該遠小于1 Ω，通常的器件選擇在nF級別是合適的；頻率范圍滿足所應用需要即可，考慮多信號合路的可能，包括2.6 GHz的無線信號，建議大于3 GHz；射頻功率建議不小于200 W。

4 結語

綜合前面的分析，為消除靜電感應，每段漏纜外導體至少有一處接地，保證人身和設備安全。直流隔斷器的作用是阻止直流和低頻電流通過，防止漏纜內、外導體上應距離過長導致電磁感應電壓過大，一般電氣化鐵路中，直流隔斷器間距為500～750 m，具體工程設置需根據供電類型、牽引電流大小、與接觸網的距離來核算。設置直流隔斷器時，應保持漏纜一端連接直流隔斷器，另一端接地，防止漏纜兩端均接地或直流隔斷器兩端均接地。在實際工程中，應注意直流隔斷器不能做避雷器使用，與漏纜連接的設備應有必要的端口過壓防護能力。雖然本文關于直流隔斷器設置方案的分析以隧道內漏泄同軸電纜為例，其方法同樣適用于隧道外漏泄同軸電纜。

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