电力牵引区段接触网对信号电缆影响的计算及探讨

蔡家军

(中铁二院武汉勘察设计研究院有限责任公司，武汉 430070)

随着社会经济的发展，对铁路运能及环保提出更高的要求，铁路的电气化发展是必然的趋势。电力牵引区段接触网的电压和电流，在其周围空间产生连续分布的交变电磁场对信号电线路产生影响。列车运行时，机车由接触网受流，牵引电流经钢轨和大地流回牵引变电所，接触网供电方式是“导线—大地”不平衡供电，会对轨道电路产生干扰，同时牵引电流在悬挂的接触网周围产生强大的交变磁场，对其附近信号电缆及信号设备产生强大的电磁影响。如图1所示，此电动势沿信号电缆纵向分布，电压大小与电缆长度成正比，称为磁感应纵电动势。

磁感应纵电动势可引起下列危险影响。

1）使运营、维修人员产生接触危险。

2）使信号设备遭受破坏的危险（击穿绝缘、烧毁设备）。

3）使信号设备错误动作的危险（错误控制、错误表示、错误解锁）。

结合工程实例，介绍直接供电方式接触网对信号电缆的磁感应影响的计算及信号设备的防护。

1 计算依据

1）《铁路信号设计规范》（TB10007-2006）强制规定：“受接触网的电磁影响，在信号电缆的同一芯线上，任何两点间的感应纵电动势（有效值）应满足下列要求：接触网正常供电条件下不大于60 V；接触网故障状态下不大于电缆直流耐压试验的60%或交流耐压试验的85%。”

电气化牵引区段需对信号电缆的电气化干扰影响进行计算来确定信号电缆防护措施。

2）《铁路数字信号电缆第1部分：一般规定》（TB/T 3100.1-2004）5.2.2条：“信号电缆实验电压不低于AC 2 500 V。”

3）《铁路数字信号电缆第3部分：综合护套铁路数字信号电缆》（TB/T 3100.3-2004）5.2条：“综合护套铁路数字信号电缆的理想屏蔽系数应不大于0.8。”

4）TB/T 3100.4-2004《铁路数字信号电缆第4部分：铝护套铁路数字信号电缆》5.3条：“铝护套铁路数字信号电缆的理想屏蔽系数应不大于0.2。”

5）接触网专业提供的单线铁路牵引电流数据如下。

接触网正常工作时，电流I=500 A；接触网短路接地时，IS=2 000 A，大地导电率δ=10-2S/m；牵引供电系统采用单相工频（50 Hz）25 kV交流制、带回流线的直接供电方式。

6）根据站场专业提供的站场平面图简化的单线铁路中间站信号平面示意图（如图2所示）。

7）磁感应纵电动势的计算公式及50 Hz互感抗诺模图。

磁感应纵电动势的计算公式如下。

接触网直接供电方式正常运行时：

式中，ω——接触网电流、电压的角频率（rad/s），ω=2π f；

Mi——50 Hz时接触网与信号线路间第i段互感系数（H/km）；

lpi——接触网与信号线路间第i段接近段长度（km）；

Id——接触网等效牵引电流（A）；

K——50 Hz时接近段内各种接地导体的电磁综合屏蔽系数；

f——接触网电流、电压频率（Hz）。

接触网短路接地时：

式中，IS——接触网短路电流（A）。

2 计算参数的选择及说明

以单线铁路中间站为例，对计算中的各参数进行计算及说明。

由于信号楼有综合接地装置，计算一个咽喉的信号电缆磁感应纵电动势。

互感系数M值指影响回路（接触网、强电线路、大地回路）与被影响回路（信号线路、大地回路）间的互感系数。M值与影响、被影响回路间的接近距离及大地导电率（δ）有关，信号电线路与接触网线路的相对位置使信号电线路产生危险或干扰影响时称为接近。接近距离（a）小时，则M值增大，接近距离大时，则M值小；大地导电率愈高，M值越小。根据大地导电率和接近距离可在50 Hz互感抗诺模图中求得M值。

δ——接触网专业提供的大地导电率δ=10-2S/m；

a——当两线路接近的距离变化不超过其算术平均值的5%时，称为平行接近，则a=ai，沿线电缆一般均埋设在路基边坡外，按平行接近段计算，接触网与信号电缆线路的间距a约为5 m。这里取a=5 m。

M——根据M值的计算图表得到M=1 100×10-6H/km。

Id——根据接触网专业提供的资料：接触网正常工作时，电流I=500 A；接触网短路接地时，Is=2 000 A。接触网正常供电状态下，计算对信号电线路的危险影响时，其等效牵引电流按下式计算：

式中：Ij——接近段内第j区间接触网电流（A）；

lj——对应第Ij区间的接触网长度（km）；

N——接近段内的区间数。

本次计算将上式简化，其等效牵引电流Id=500 A。

ω——接触网的电压频率为50 Hz，得到ω=2×3.14×50=314 rad/s；

lp——接近段长度（lp）为信号电线路接近段在接触网线路上的投影长度。由于信号电缆接近平行，可以将举例站左咽喉分成两段接近长度，一段为预告信号与进站信号机之间单线铁路线lp1，一段为进站信号机与信号楼之间的站场内铁路lp2。

K——电磁综合屏蔽系数；K=k×λ×γ。

k——环境综合屏蔽系数；目前尚无测定或批准的数据，计算时取k=1。

λ——钢轨屏蔽系数。

在一般情况下单线铁路：λ=0.5；双线铁路：λ=0.4，站场内 ：λ=0.35。

从举例站简易信号平面示意图可知，lp1对应λ1=0.5，lp2对应 λ2=0.35。

γ——电缆屏蔽系数。

根据TB/T 3100.3-2004，综合护套铁路数字信号电缆的理想屏蔽系数不大于0.8。

取 γz=0.8。

根据TB/T 3100.4-2004，铝护套铁路数字信号电缆的理想屏蔽系数不大于0.2。

取 γl=0.2。

综合护套电磁综合屏蔽系数Kz1、Kz2：

Kz1=k×λ1×γz=1×0.5×0.8=0.4。

Kz2=k×λ2×γz=1×0.35×0.8=0.28。

综合护套电磁综合屏蔽系数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 计算结果

将以上系数代入磁感应纵电动势的计算公式可得如下结果。

1）接触网正常运行时，综合护套铁路数字信号电缆上产生的磁感应纵电动势E1：

2）接触网短路接地时，综合护套铁路数字信号电缆上产生的磁感应纵电动势Es1：

3）接触网正常运行时，铝护套铁路数字信号电缆上产生的磁感应纵电动势E2：

4）接触网短路接地时，铝护套铁路数字信号电缆上产生的磁感应纵电动势ES2：

4 计算结果分析

根据TB/T3100.1-2004，铁路信号电缆实验电压不低于交流2 500 V。在接触网故障状态下，铁路信号电缆上磁感应纵电动势应不大于2500×85%=2125 V。

以举例站为例，对接触网正常状态和短路状态下的危险影响，通过计算，举例站干线电缆采用综合护套电缆超过接触网正常运行时的标准允许值，需采用铝护套电缆才能满足规范要求。

5 防护措施

交流电气化铁路区段信号电缆线路及附属设备可以采用以下防护措施。

1）在有轨道电路的区段上，为保证轨道电路可靠工作，接触网杆塔及沿线金属构件的接地线、吸上线不允许直接接至钢轨，应接在扼流变压器中点或空心线圈中点，并满足轨道电路的有关要求。

2）电力牵引区段，高柱信号机等信号设备外缘距接触网带电部分的距离不得小于2 m。不能满足时，切割信号机机构部分遮光板，若还不能满足要求，采用加屏蔽网或改按矮柱信号机等措施解决。

3）距接触网带电部分5 m范围内的金属结构物必须接地。

4）接触网对信号电缆的危险影响不应超过规定的允许标准：在信号电缆的同一芯线上，任何两点间的感应纵电动势（有效值）不应大于60 V（接触网故障状态下为电缆直流耐压试验的60%或交流耐压试验的85%）。

5）交流电力牵引区段信号电缆的金属护套应接地。当为多根电缆时，其护套间应进行屏蔽连接。

6）凡通过交流牵引电流的钢轨，钢轨接续线应采用冷挤压或胀钉式的多股铜线，其截面不小于50 mm2。

7）采用非工频轨道电路防护电力牵引电流对轨道电路的干扰。

6 结束语

通过对电力牵引区段接触网对信号电缆影响的计算，采用合适的信号电缆，保证运营、维护的安全可靠。由于现场情况复杂多样，为了得出更切合现场实际情况的参数取值方法，建议在工程竣工、运营后，对实际信号电缆使用情况进行设计回访、分析，总结经验。

面对我国电气化铁道迅速发展的新形势，必须尽快组织科研、设计、施工、维修专业技术人员，研究电力牵引区段接触网对信号电缆线路的危险影响，制定防护措施及维修标准，以降低电力牵引区段接触网对信号电缆及附属设备的危险影响，避免信号电缆线路及附属设备遭受损坏，保障铁路运输安全。

[1] TB10007-2006 铁路信号设计规范[S].

[2] TB/T 3100.1-2004 铁路数字信号电缆第一部分：一般规定[S].

[3] TB/T 3100.4-2004 铁路数字信号电缆第4部分：铝护套铁路数字信号电缆[S].

[4] 铁道部通信信号总公司研究设计院．铁路工程设计技术手册．信号[S]．北京：中国铁道出版社, 1992.