蔡家軍

(中鐵二院武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，武漢 430070)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)鐵路運(yùn)能及環(huán)保提出更高的要求，鐵路的電氣化發(fā)展是必然的趨勢(shì)。電力牽引區(qū)段接觸網(wǎng)的電壓和電流，在其周圍空間產(chǎn)生連續(xù)分布的交變電磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)電線路產(chǎn)生影響。列車運(yùn)行時(shí)，機(jī)車由接觸網(wǎng)受流，牽引電流經(jīng)鋼軌和大地流回牽引變電所，接觸網(wǎng)供電方式是“導(dǎo)線—大地”不平衡供電，會(huì)對(duì)軌道電路產(chǎn)生干擾，同時(shí)牽引電流在懸掛的接觸網(wǎng)周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的交變磁場(chǎng)，對(duì)其附近信號(hào)電纜及信號(hào)設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁影響。如圖1所示，此電動(dòng)勢(shì)沿信號(hào)電纜縱向分布，電壓大小與電纜長(zhǎng)度成正比，稱為磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)。

磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)可引起下列危險(xiǎn)影響。

1）使運(yùn)營(yíng)、維修人員產(chǎn)生接觸危險(xiǎn)。

2）使信號(hào)設(shè)備遭受破壞的危險(xiǎn)（擊穿絕緣、燒毀設(shè)備）。

3）使信號(hào)設(shè)備錯(cuò)誤動(dòng)作的危險(xiǎn)（錯(cuò)誤控制、錯(cuò)誤表示、錯(cuò)誤解鎖）。

結(jié)合工程實(shí)例，介紹直接供電方式接觸網(wǎng)對(duì)信號(hào)電纜的磁感應(yīng)影響的計(jì)算及信號(hào)設(shè)備的防護(hù)。

1 計(jì)算依據(jù)

1）《鐵路信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10007-2006）強(qiáng)制規(guī)定：“受接觸網(wǎng)的電磁影響，在信號(hào)電纜的同一芯線上，任何兩點(diǎn)間的感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)（有效值）應(yīng)滿足下列要求：接觸網(wǎng)正常供電條件下不大于60 V；接觸網(wǎng)故障狀態(tài)下不大于電纜直流耐壓試驗(yàn)的60%或交流耐壓試驗(yàn)的85%?！?/p>

電氣化牽引區(qū)段需對(duì)信號(hào)電纜的電氣化干擾影響進(jìn)行計(jì)算來(lái)確定信號(hào)電纜防護(hù)措施。

2）《鐵路數(shù)字信號(hào)電纜第1部分：一般規(guī)定》（TB/T 3100.1-2004）5.2.2條：“信號(hào)電纜實(shí)驗(yàn)電壓不低于AC 2 500 V?！?/p>

3）《鐵路數(shù)字信號(hào)電纜第3部分：綜合護(hù)套鐵路數(shù)字信號(hào)電纜》（TB/T 3100.3-2004）5.2條：“綜合護(hù)套鐵路數(shù)字信號(hào)電纜的理想屏蔽系數(shù)應(yīng)不大于0.8?！?/p>

4）TB/T 3100.4-2004《鐵路數(shù)字信號(hào)電纜第4部分：鋁護(hù)套鐵路數(shù)字信號(hào)電纜》5.3條：“鋁護(hù)套鐵路數(shù)字信號(hào)電纜的理想屏蔽系數(shù)應(yīng)不大于0.2?！?/p>

5）接觸網(wǎng)專業(yè)提供的單線鐵路牽引電流數(shù)據(jù)如下。

接觸網(wǎng)正常工作時(shí)，電流I=500 A；接觸網(wǎng)短路接地時(shí)，IS=2 000 A，大地導(dǎo)電率δ=10-2S/m；牽引供電系統(tǒng)采用單相工頻（50 Hz）25 kV交流制、帶回流線的直接供電方式。

6）根據(jù)站場(chǎng)專業(yè)提供的站場(chǎng)平面圖簡(jiǎn)化的單線鐵路中間站信號(hào)平面示意圖（如圖2所示）。

7）磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式及50 Hz互感抗諾模圖。

磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式如下。

接觸網(wǎng)直接供電方式正常運(yùn)行時(shí)：

式中，ω——接觸網(wǎng)電流、電壓的角頻率（rad/s），ω=2π f；

Mi——50 Hz時(shí)接觸網(wǎng)與信號(hào)線路間第i段互感系數(shù)（H/km）；

lpi——接觸網(wǎng)與信號(hào)線路間第i段接近段長(zhǎng)度（km）；

Id——接觸網(wǎng)等效牽引電流（A）；

K——50 Hz時(shí)接近段內(nèi)各種接地導(dǎo)體的電磁綜合屏蔽系數(shù)；

f——接觸網(wǎng)電流、電壓頻率（Hz）。

接觸網(wǎng)短路接地時(shí)：

式中，IS——接觸網(wǎng)短路電流（A）。

2 計(jì)算參數(shù)的選擇及說(shuō)明

以單線鐵路中間站為例，對(duì)計(jì)算中的各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算及說(shuō)明。

由于信號(hào)樓有綜合接地裝置，計(jì)算一個(gè)咽喉的信號(hào)電纜磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)。

互感系數(shù)M值指影響回路（接觸網(wǎng)、強(qiáng)電線路、大地回路）與被影響回路（信號(hào)線路、大地回路）間的互感系數(shù)。M值與影響、被影響回路間的接近距離及大地導(dǎo)電率（δ）有關(guān)，信號(hào)電線路與接觸網(wǎng)線路的相對(duì)位置使信號(hào)電線路產(chǎn)生危險(xiǎn)或干擾影響時(shí)稱為接近。接近距離（a）小時(shí)，則M值增大，接近距離大時(shí)，則M值?。淮蟮貙?dǎo)電率愈高，M值越小。根據(jù)大地導(dǎo)電率和接近距離可在50 Hz互感抗諾模圖中求得M值。

δ——接觸網(wǎng)專業(yè)提供的大地導(dǎo)電率δ=10-2S/m；

a——當(dāng)兩線路接近的距離變化不超過(guò)其算術(shù)平均值的5%時(shí)，稱為平行接近，則a=ai，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)與信號(hào)電纜線路的間距a約為5 m。這里取a=5 m。

M——根據(jù)M值的計(jì)算圖表得到M=1 100×10-6H/km。

Id——根據(jù)接觸網(wǎng)專業(yè)提供的資料：接觸網(wǎng)正常工作時(shí)，電流I=500 A；接觸網(wǎng)短路接地時(shí)，Is=2 000 A。接觸網(wǎng)正常供電狀態(tài)下，計(jì)算對(duì)信號(hào)電線路的危險(xiǎn)影響時(shí)，其等效牽引電流按下式計(jì)算：

式中：Ij——接近段內(nèi)第j區(qū)間接觸網(wǎng)電流（A）；

lj——對(duì)應(yīng)第Ij區(qū)間的接觸網(wǎng)長(zhǎng)度（km）；

N——接近段內(nèi)的區(qū)間數(shù)。

本次計(jì)算將上式簡(jiǎn)化，其等效牽引電流Id=500 A。

ω——接觸網(wǎng)的電壓頻率為50 Hz，得到ω=2×3.14×50=314 rad/s；

lp——接近段長(zhǎng)度（lp）為信號(hào)電線路接近段在接觸網(wǎng)線路上的投影長(zhǎng)度。由于信號(hào)電纜接近平行，可以將舉例站左咽喉分成兩段接近長(zhǎng)度，一段為預(yù)告信號(hào)與進(jìn)站信號(hào)機(jī)之間單線鐵路線lp1，一段為進(jìn)站信號(hào)機(jī)與信號(hào)樓之間的站場(chǎng)內(nèi)鐵路lp2。

K——電磁綜合屏蔽系數(shù)；K=k×λ×γ。

k——環(huán)境綜合屏蔽系數(shù)；目前尚無(wú)測(cè)定或批準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)取k=1。

λ——鋼軌屏蔽系數(shù)。

在一般情況下單線鐵路：λ=0.5；雙線鐵路：λ=0.4，站場(chǎng)內(nèi) ：λ=0.35。

從舉例站簡(jiǎn)易信號(hào)平面示意圖可知，lp1對(duì)應(yīng)λ1=0.5，lp2對(duì)應(yīng) λ2=0.35。

γ——電纜屏蔽系數(shù)。

根據(jù)TB/T 3100.3-2004，綜合護(hù)套鐵路數(shù)字信號(hào)電纜的理想屏蔽系數(shù)不大于0.8。

取 γz=0.8。

根據(jù)TB/T 3100.4-2004，鋁護(hù)套鐵路數(shù)字信號(hào)電纜的理想屏蔽系數(shù)不大于0.2。

取 γl=0.2。

綜合護(hù)套電磁綜合屏蔽系數(shù)Kz1、Kz2：

Kz1=k×λ1×γz=1×0.5×0.8=0.4。

Kz2=k×λ2×γz=1×0.35×0.8=0.28。

綜合護(hù)套電磁綜合屏蔽系數(shù)Kl1、Kl2：

Kl1=k×λ1×γl=1×0.5×0.2=0.1。

Kl2=k×λ2×γl=1×0.35×0.2=0.07。

3 計(jì)算結(jié)果

將以上系數(shù)代入磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式可得如下結(jié)果。

1）接觸網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，綜合護(hù)套鐵路數(shù)字信號(hào)電纜上產(chǎn)生的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)E1：

2）接觸網(wǎng)短路接地時(shí)，綜合護(hù)套鐵路數(shù)字信號(hào)電纜上產(chǎn)生的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)Es1：

3）接觸網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，鋁護(hù)套鐵路數(shù)字信號(hào)電纜上產(chǎn)生的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)E2：

4）接觸網(wǎng)短路接地時(shí)，鋁護(hù)套鐵路數(shù)字信號(hào)電纜上產(chǎn)生的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)ES2：

4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)TB/T3100.1-2004，鐵路信號(hào)電纜實(shí)驗(yàn)電壓不低于交流2 500 V。在接觸網(wǎng)故障狀態(tài)下，鐵路信號(hào)電纜上磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)應(yīng)不大于2500×85%=2125 V。

以舉例站為例，對(duì)接觸網(wǎng)正常狀態(tài)和短路狀態(tài)下的危險(xiǎn)影響，通過(guò)計(jì)算，舉例站干線電纜采用綜合護(hù)套電纜超過(guò)接觸網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)允許值，需采用鋁護(hù)套電纜才能滿足規(guī)范要求。

5 防護(hù)措施

交流電氣化鐵路區(qū)段信號(hào)電纜線路及附屬設(shè)備可以采用以下防護(hù)措施。

1）在有軌道電路的區(qū)段上，為保證軌道電路可靠工作，接觸網(wǎng)桿塔及沿線金屬構(gòu)件的接地線、吸上線不允許直接接至鋼軌，應(yīng)接在扼流變壓器中點(diǎn)或空心線圈中點(diǎn)，并滿足軌道電路的有關(guān)要求。

2）電力牽引區(qū)段，高柱信號(hào)機(jī)等信號(hào)設(shè)備外緣距接觸網(wǎng)帶電部分的距離不得小于2 m。不能滿足時(shí)，切割信號(hào)機(jī)機(jī)構(gòu)部分遮光板，若還不能滿足要求，采用加屏蔽網(wǎng)或改按矮柱信號(hào)機(jī)等措施解決。

3）距接觸網(wǎng)帶電部分5 m范圍內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)物必須接地。

4）接觸網(wǎng)對(duì)信號(hào)電纜的危險(xiǎn)影響不應(yīng)超過(guò)規(guī)定的允許標(biāo)準(zhǔn)：在信號(hào)電纜的同一芯線上，任何兩點(diǎn)間的感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)（有效值）不應(yīng)大于60 V（接觸網(wǎng)故障狀態(tài)下為電纜直流耐壓試驗(yàn)的60%或交流耐壓試驗(yàn)的85%）。

5）交流電力牽引區(qū)段信號(hào)電纜的金屬護(hù)套應(yīng)接地。當(dāng)為多根電纜時(shí)，其護(hù)套間應(yīng)進(jìn)行屏蔽連接。

6）凡通過(guò)交流牽引電流的鋼軌，鋼軌接續(xù)線應(yīng)采用冷擠壓或脹釘式的多股銅線，其截面不小于50 mm2。

7）采用非工頻軌道電路防護(hù)電力牽引電流對(duì)軌道電路的干擾。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電力牽引區(qū)段接觸網(wǎng)對(duì)信號(hào)電纜影響的計(jì)算，采用合適的信號(hào)電纜，保證運(yùn)營(yíng)、維護(hù)的安全可靠。由于現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜多樣，為了得出更切合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的參數(shù)取值方法，建議在工程竣工、運(yùn)營(yíng)后，對(duì)實(shí)際信號(hào)電纜使用情況進(jìn)行設(shè)計(jì)回訪、分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

面對(duì)我國(guó)電氣化鐵道迅速發(fā)展的新形勢(shì)，必須盡快組織科研、設(shè)計(jì)、施工、維修專業(yè)技術(shù)人員，研究電力牽引區(qū)段接觸網(wǎng)對(duì)信號(hào)電纜線路的危險(xiǎn)影響，制定防護(hù)措施及維修標(biāo)準(zhǔn)，以降低電力牽引區(qū)段接觸網(wǎng)對(duì)信號(hào)電纜及附屬設(shè)備的危險(xiǎn)影響，避免信號(hào)電纜線路及附屬設(shè)備遭受損壞，保障鐵路運(yùn)輸安全。

[1] TB10007-2006 鐵路信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] TB/T 3100.1-2004 鐵路數(shù)字信號(hào)電纜第一部分：一般規(guī)定[S].

[3] TB/T 3100.4-2004 鐵路數(shù)字信號(hào)電纜第4部分：鋁護(hù)套鐵路數(shù)字信號(hào)電纜[S].

[4] 鐵道部通信信號(hào)總公司研究設(shè)計(jì)院．鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)．信號(hào)[S]．北京：中國(guó)鐵道出版社, 1992.