市域鐵路信號電纜危險影響及防護方案

王國軍

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 概述

信號電纜負責信號軌旁設備與室內設備間信息傳遞及用電供給功能，其自身是否超過外部電磁環境影響容限直接決定信號系統能否正常工作。同時在電纜外殼產生感應電動勢超過規定值還會對維護人員人身安全產生威脅，情況嚴重者可能發生電纜擊穿事故，直接導致信號系統功能性缺失。

近年來，隨著國內社會經濟和新型城鎮化發展，城鎮居民對于組團間交通快速、便捷的交通日趨青睞，外圍組團與中心城區的時空目標進一步縮短；在此背景下，市域鐵路獲得了較大發展。市域鐵路的顯著特點之一即為運行速度高，滿足快速、高密度、公交化的項目建設需求。要使列車高速運行，市域鐵路多采用單相工頻交流25 kV牽引供電制式，該制式下接地方案與常規的地鐵項目直流供電方式有較大的區別。為此，當列車在盾構區間內運行時，對于信號電纜防護也提出了不同于直流供電項目的客觀需求。

2 設計方案

2.1 直流供電方式下信號電纜防護方案

直流供電方式下不產生感應電動勢，區間信號電纜原則上不用設置屏蔽性能較好的鋁護套信號電纜；設置于地面或高架區間的信號電纜需要考慮雷電防護措施。

地鐵項目多采用直流供電方式，車站設置綜合接地網，使全線形成統一的高低壓兼容、強弱電合一的接地系統。該綜合接地系統從車站站臺板下引出強電與弱電接地極，信號設置區間接地扁鋼與弱電接地極連接，要求綜合接地扁鋼上各點綜合接地電阻不大于1 Ω。

2013版《地鐵設計規范》第16.2.10條中“管道和其他地下管線及建筑物間的最小凈距（m）”要求信號線纜與電壓等級小于35 kV的電力線平行及交叉時，其間距要求為0.5 m；距離電壓等級為35 kV及其以上的電力線纜，平行敷設時為2 m，交叉時為0.5 m。在第17.7.6條第4款要求“出入信號設備室的電纜應采用屏蔽電纜，應在室內對電纜屏蔽層一端接地，并應在引入口設金屬護套”[1]。

2.2 交流供電方式下信號電纜防護方案

在列車供電方案采用單相工頻交流25 kV牽引供電制式下，需要考慮接觸網的電壓和電流在其周圍空間產生連續分布的交變電磁場產生的磁感應電動勢對信號電線路產生影響。

2.2.1 磁感應縱電動勢危險影響

接觸網的電流在信號電線路任意兩點間感應的電勢差稱為磁感應電動勢。該電動勢可能產生以下影響：

1）使運營、維修人員產生接觸危險；

2）使信號設備產生破壞的危險（擊穿絕緣、燒毀設備）；

3）使信號設備產生誤動作的危險（錯誤控制、錯誤表示、錯誤解鎖等）。

2.2.2 磁感應縱電動勢的計算

1）接觸網正常運行時

磁感應電動勢(E)計算如公式（1）所示[2]：

公式（1）中各參數含義如下：

E：磁感應電動勢/V；

ω：接觸網電流、電壓的角頻率/（rad/s） ， ω=2πf；

Mi：50 Hz時接觸網與信號線路間第i段互感系數/（H/km）；

Lpi：接觸網與信號線路間第i段接近段長度/ km；

Id：接觸網等效牽引電流/A；

K：接近段內各接地導體的電磁綜合屏蔽系數。

2）接觸網短路接地時

磁感應電動勢(E)計算如公式（2）所示：

公式（2）中各參數含義如下：

ω，Mi，Lpi，K，E： 同公式（1）；

Is： 接觸網短路電流/A。

2.2.3 主要技術要求

在國標《電信線路遭受強電線路危險影響的容許值》[3]（GB 6830-1986）與電力工業標準《輸電線路對電信線路危險和干擾影響防護設計規程》[4]（DL/T 5033-2006）中強電線路對鄰近電信線路的干擾影響和危險影響允許值做出了相應的規定：當電力線路正常運行時，信號線纜上磁感應電動勢的允許值為60 V；當電力線路短路故障運行時，信號線纜上的磁感應電動勢的允許值為430 V[5]。

而《鐵路工程設計技術手冊：信號》與此要求類似：接觸網正常運行時，信號電線路上產生的磁感應縱電動勢允許值為60 V；接觸網短路接地故障時，磁感應電動勢應小于電纜芯線與接地護套間的直流試驗電壓的0.6倍或交流試驗電壓的0.85倍。

2.2.4 工程案例計算

廣州地鐵18號、22號線采用集中供電方式，其中牽引供電系統采用單相工頻AC 25 kV剛性接觸網供電，帶回流線的直接供電方式。本文以本工程為例，對AC 25 kV接觸網在信號線纜產生的磁感應電動勢進行了初步計算。

1）基礎參數取值[6]

系統規模24對/小時；供電臂最大長度為15.35 km；供電容量按近期列車運行交路要求配置，18號線近期運用列車數為36列車；信號線纜與接觸網的接近距離為4.5 m；空氣導電率為5×10-14（C.G.S.M）；根據接近距離和空氣電導率查得的互感系數為1 135×10-6H/km；電磁綜合屏蔽系數為0.15；接觸網短路電流為2 000 A。

列車牽引電流計算[7]如表1所示（機車功率取7 200 kW，按0.7為最大功率計算，L4所在區段靠近變電所；一個供電分區內同時運行4列車）。

表1 列車牽引電流Tab.1 Table of train traction current

從表1可以看出，越靠近變電所，接觸網等效電流越大，理論計算最大值可達568.89 A。

2）理論計算結果

當信號電纜跨越電力牽引自耦變壓器所（AT所）或牽引變電所的兩側，由于同一時刻網上牽引回流方向相對于信號電纜方向相反，對信號電纜的電磁影響相對較小；本次計算主要針對信號電纜在AT所或牽引變電所一側的極端情況。

根據公式（1），接觸網正常工作時，在不同接觸網等效電流值下，計算得出不同電纜長度（Lpi）下磁感應縱電動勢分別如表2～5所示。

表2 電纜芯線感應縱電動勢（I為212.2 A） Tab.2 Induction longitudinal electro-motive force of cable core (I is 212.2 A)

表3 電纜芯線感應縱電動勢（I為347.4 A）Tab.3 Induction longitudinal electro-motive force of cable core (I is 347.4 A)

從表2～5可以看出，當信號電纜所敷設位置遠離變電所時，為使信號電纜感應縱電動勢小于60 V，線纜最大可達7 km；當靠近變電所時，線纜最大長度為2.6 km。超過此值時需要采取其他措施。

表4 電纜芯線感應縱電動勢（I為459.95 A）Tab.4 Induction longitudinal electro-motive force of cable core（I is 459.9 5A）

表5 電纜芯線感應縱電動勢（I為568.89 A）Tab.5 Induction longitudinal electro-motive force of cable core（I is 568.89A）

根據公式（2），計算得出接觸網短路時信號線纜的磁感應縱電動勢如表6所示。

表6 接觸網短路時電纜芯線感應縱電動勢Tab.6 Induction longitudinal electro-motive force of cable core when the overhead contact line is short-circuited

當信號電纜長度超過5.35 km時，有接觸網短路時電纜絕緣存在被擊穿的風險。

2.2.5 信號線纜防護方案

根據上述初步的計算結果，由于市域線路站間距較大（如廣州地鐵18號線最大站間距達到10.5 km），考慮到信號系統配置降級且降級系統維持一定程度的區間通過能力，區間設備較多，多數信號電纜均超過第2.2.4節所列的極限控制距離；應該加強防護措施，避免接觸網交流電對信號線纜的電磁干擾。

1）信號電纜進行雙端接地

在區間設置接地圓鋼（或扁鋼）的情況下，接地圓鋼與車站綜合接地網在站臺端部用電纜連接，區間接地扁鋼上任一點的接地電阻不大于1 Ω。2006版《鐵路信號設計規范》第14.2.1條規定“設置貫通地線的地區，鐵路沿線及站內的信號設備的各種地線均應就近與貫通地線直接連接”[8]。由于區間接地圓鋼（或扁鋼）可以認為是等阻線，遇雷擊時很難產生接地極間壓降差，不會因壓降差使電流反竄至室內燒毀信號設備[9]；雙端接地可有效消除電纜外皮的感應電動勢，根據津秦客運專線信號電纜現場實測結果，在牽引電流1 000 A的情況下，外皮單端接地時，芯線感應縱電動勢為20.4 V；而外皮雙端接地時，芯線感應縱電動勢約為11 V[10]。從減小芯線感應縱電動勢角度來說，當電纜長度超過2.6 km時，外皮接地應采用雙端接地。

根據津秦客運專線信號電纜現場實測結果預測，當雙端接地時可有效減少線纜磁感應電動勢至原值的60%。當接觸網等效牽引電流為568.89 A時，根據線性擬合結果預測結果如表7所示。

表7 不同接地方式下電纜芯線感應縱電動勢Tab.7 Induction longitudinal electro-motive force of cable core under different grounding modes

由表7可知，極限情況下（即線路以最大通過能力運行，且列車靠近變電所）為使信號電纜感應縱電動勢小于60 V，線纜最長可達4.35 km。超過此值時可再次增加接地措施，進一步減少磁感應縱電動勢值。

2）信號線纜盡可能遠離接觸網

在工程設計階段，結合隧道斷面布置形式，可選取距離接觸網垂直距離最大的位置安裝電纜支架，從而使信號線纜盡可能遠離接觸網。本文計算過程中，接觸網距離信號線纜按4.5 m考慮，如果距離增加為5 m，根據查“50 Hz時互感系數M值的計算圖表”，則可使互感系數降低為1 100 H/km，在目前的計算前提下，可降低磁感應縱電動勢1.5 V左右。

3 結論

本文通過對AC 27.5 kV供電方案下接觸網在信號線纜上產生的磁感應電動勢進行初步計算分析后，得出在目前單端接地方式下，在線路以最大通過能力運行，且列車靠近變電所附近時，當信號線纜長度超過2.65 km時，信號電纜感應縱電動勢可能大于60 V。當信號電纜長度超過5.35 km時，有接觸網短路時，電纜絕緣存在被擊穿的風險。

為了降低信號電纜磁感應電動勢，結合設置區間接地圓鋼設置的工程基礎條件，建議對信號線纜進行雙端接地；采用雙端接地后電纜最長可達4.4 km，當電纜長度超過4.4 km時需要進一步增加接地措施來降低磁感應電動勢值。同時在工程設計階段盡可能將信號電纜遠離接觸網安裝。

以上僅針對本工程AC 25 kV接觸網供電的電磁干擾環境以及鐵路信號設備的電磁兼容要求，根據電磁感應的理論公式相關科研實測數據，定性的分析了本工程電磁感應環境下磁感應縱電動勢的大小，并提出了超過一定長度下的減少磁感應縱電動勢的方法。期望能為同行技術人員提供參考，能為市域鐵路建設提供有益的參考和借鑒。