电气化铁道通信防护设计的问题探讨

张运亭

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）

工频单项交流制电气化铁道的电磁影响，是指由于牵引供电回路的电压和电流直接产生的电磁感应作用，使电气化铁路附近的金属导体间或金属导体与大地间产生感应电压或电流，从而危及设备和人身安全，或影响设备的正常工作。这种感应影响包括工频和音频在内的低频范围；由于耦合途径的性质不同，可分为容性耦合、感性耦合和阻性耦合影响。此外，牵引供电系统的放电火花脉冲会产生高频电磁波辐射，可干扰附近无线电设备的正常工作。

1 电磁影响的类型

（1） 容性耦合影响

容性耦合影响也称为静电影响，它是由交流电气化铁道接触网工作电压（27.5 kV）所产生的电场引起。根据静电感应原理，金属导体在该电场的作用下，导体中的自由电子就要有规则地移动，引起电荷的重新分布。

当交流电气化铁道与电信线路接近时，电气化铁道的接触网与电信线路之间存在电容，电信线路和大地之间也存在电容，接触网电压就是通过这些分布电容使电信线路产生静电影响，实际上是通过电容耦合产生的。当人站在地上，触碰到在电场作用下对地绝缘的电信线路时，静电感应电压通过人体形成静电电流，若电流超过一定值（＞15 mA）会对人身产生危害。当电信线路因静电影响产生对地电压时，如果电压超过线路保安器放电管的放电电压，则放电管放电，这是由于双线回路上2支放电管放电电压的差异。当一个放电管放电时，另一个未放电的外线上的电荷将通过电话机经已放电的放电管放电，使受话器产生巨响，（即音响冲击）危害使用人员。此外，由于静电感应影响，对于双线电话回路还有可能形成横向感应电流，经受话器产生有害杂音，影响通话质量。静电感应影响的程度取决于电气化铁道接触网的工作电压、接触网和电信线路的接近长度及接近距离。

（2） 感性耦合影响

感性耦合影响又称磁影响。它是交流电气化铁道牵引电流通过接触导线时，在其周围空间形成交变磁场，其磁力线切割邻近的电信线路，并产生感应电动势，或电信线路与接触网间产生互感，两者就是通过这种互感耦合在电信线路上产生感应电动势。由于感应电动势是沿电信线路导线轴向分布，故称为感应纵电动势。它分布在接近段的全线，而不是集中在导线的某一点上。当感应电压超过一定值（接触网正常状态60 V，故障状态430 V），就会对人身安全及通信设备造成危险。

在确定感性耦合影响程度时，强、弱电线路之间的互感系数是一个重要因素，而互感系数与两线路的相对位置、大地导电率及接触网电流的频率有关。若两线路接近距离和大地导电率越小，则互感系数就越大。此外，决定感应纵电动势大小的主要因素，还有接触网通过的电流及两线路的接近长度。若互感系数和接触网通过的电流越大，两线路接近长度越长，则感应纵电动势就越大。感性耦合影响，还要考虑到接触网正常供电和短路故障2种状态。

（3） 阻性耦合影响

阻性耦合影响也称入地电流影响，交流电气化铁道供电系统是以接触网为电流去线，以钢轨—大地为电流回线的单向不对称供电线路。如图1所示，当接触网电流经钢轨回流，尤其在接触网发生短路故障时，将会有很大电流沿钢轨漏泄入地。在入地电流点或牵引变电所周围相对远处的大地之间会产生电位差。处于这些地点的通信接地装置、地下通信电缆和金属管线，通过大地阻性耦合，在电信线路接地装置和架空线路导线之间，通信局、站接地装置和通信线路导线之间、地埋通信电缆的外皮和芯线之间就产生了电位差。

阻性耦合影响的程度主要取决于入地电流值的大小、大地导电率、计算地电位点至入地电流点的距离。一般来说，距离铁道几十米以外的阻性耦合影响就很小了。

（4) 放电火花的电脉冲干扰

交流电气化铁道放电火花的电脉冲产生无线电干扰是因机车在运行中，电力机车的大容量整流设备在整流过程产生的火花脉冲和电力机车的受电弓与接触导线不良接触造成的。此外，由于在接触网（27.5 kV）高电压下工作，其绝缘件如受污染或损坏会导致绝缘不良，就会使接触网构件产生放电，发生无线电干扰电波。

电气化铁道的无线电干扰场强电平，在中波段等低频端较强；但随着距电气化铁道距离的增加，其传播衰减也较快。在甚高频等高频端则场强较弱，随着距离的增加，其衰减也慢。放电火花的电脉冲对距电气化铁道较近的无线电设备，飞机场导航设备产生干扰影响。

2 接近距离和接近长度

理论及实践表明，电气化铁道容性耦合、感性耦合、阻性耦合影响以及放电火花的电脉冲干扰中，感性耦合影响最为明显和突出。感性耦合、容性耦合影响的程度，和电气化铁道接触网与通信线路的接近长度及接近距离有关。当通信线路与交流电气化铁道的相对位置足以使通信线路产生危险或干扰时，这种相对位置就称为接近。通信线路与电气化铁道接近的区段称为接近段。在垂直于通过电气化铁道中心线和通信线路中心线2个垂直平面的水平平面时，通信线路的任一点引伸到电气化铁道的垂直距离称为接近距离。平原地带接近距离如图2所示，图中a为接近距离。

通过电气化铁道对附近通信线路影响计算发现，无论是新建电气化铁道还是旧线电气化改造，两者的相对位置有各种各样情况。若因地形变化（如山区和丘陵地带），接近距离a与接触网和通信线路间连线的夹角α超过30°时，如图3所示，则接近距离可由（式1）表示。

接近可分为平行接近、斜接近、交叉跨越接近和复杂接近等情况。

(1）平行接近：通信线路与接触网之间的接近距离的变化不超过其算术平均值的5%时，称平行接近，即a2-a1×5%（式2），如图4所示，其中A、B两点之间l称平行接近段，A、C间和B、D间则称为延长段。l在电气化铁路线上的投影即为接近长度l≈lp。

（2）斜接近：在接近段内，接近距离均匀地增加或减少（此段内线路无转折点）时，称为斜接近。通信线路在电气化铁道上的投影，称为斜接近段的接近长度，如图5所示。

此时斜接近两端a1、a2的几何平均值，称为斜接近段的等值距离。当斜接近段两端的接近距离a1、a2的比值小于或等于3，≤3时，斜接近段的等值接近距离可按下式计算，即a=（式3），3时，应将此接近段划分若干小段，使每一个小接近段两端接近距离之比小于或等于3，然后按（式3）分别计算出每一小段的接近距离。

（3）复杂接近：在大多数情况下的接近是复杂的，如图6所示。

式中：ai——每一小接近段的等值接近距离。

（4）交叉跨越接近

若通信线路架空跨越电气化铁路时，应改为地下穿越并加钢管防护。若遇特殊情况无法入地时，根据铁路技规第123条规定，“与接触网的垂直距离不应小于3 000 mm”。交越时两线路应尽量垂直，最小的交越角应大于45°，对于交越角小于45°的交越段，如不计算交越段（地下穿越）的影响，则以距离电气化铁道10 m的两点作为交越段的界限。

3 结束语

电气化铁道防护是一项涉及多学科的综合性边远性专业，工程设计涉及到强点、弱电、有线、无线以及移动、电信、联通、铁通、广播电视、部队、飞机场、油气管线、地震监测台站等诸多专业和部门。多年来，我国电气化铁道的防护费用不断增加，认识电磁影响的危害，掌握正确的计算方法，提高设计质量，降低防护投资是广大设计者努力的目标。