電氣化鐵道通信防護(hù)設(shè)計(jì)的問題探討

張運(yùn)亭

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

工頻單項(xiàng)交流制電氣化鐵道的電磁影響，是指由于牽引供電回路的電壓和電流直接產(chǎn)生的電磁感應(yīng)作用，使電氣化鐵路附近的金屬導(dǎo)體間或金屬導(dǎo)體與大地間產(chǎn)生感應(yīng)電壓或電流，從而危及設(shè)備和人身安全，或影響設(shè)備的正常工作。這種感應(yīng)影響包括工頻和音頻在內(nèi)的低頻范圍；由于耦合途徑的性質(zhì)不同，可分為容性耦合、感性耦合和阻性耦合影響。此外，牽引供電系統(tǒng)的放電火花脈沖會(huì)產(chǎn)生高頻電磁波輻射，可干擾附近無(wú)線電設(shè)備的正常工作。

1 電磁影響的類型

（1） 容性耦合影響

容性耦合影響也稱為靜電影響，它是由交流電氣化鐵道接觸網(wǎng)工作電壓（27.5 kV）所產(chǎn)生的電場(chǎng)引起。根據(jù)靜電感應(yīng)原理，金屬導(dǎo)體在該電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)體中的自由電子就要有規(guī)則地移動(dòng)，引起電荷的重新分布。

當(dāng)交流電氣化鐵道與電信線路接近時(shí)，電氣化鐵道的接觸網(wǎng)與電信線路之間存在電容，電信線路和大地之間也存在電容，接觸網(wǎng)電壓就是通過(guò)這些分布電容使電信線路產(chǎn)生靜電影響，實(shí)際上是通過(guò)電容耦合產(chǎn)生的。當(dāng)人站在地上，觸碰到在電場(chǎng)作用下對(duì)地絕緣的電信線路時(shí)，靜電感應(yīng)電壓通過(guò)人體形成靜電電流，若電流超過(guò)一定值（＞15 mA）會(huì)對(duì)人身產(chǎn)生危害。當(dāng)電信線路因靜電影響產(chǎn)生對(duì)地電壓時(shí)，如果電壓超過(guò)線路保安器放電管的放電電壓，則放電管放電，這是由于雙線回路上2支放電管放電電壓的差異。當(dāng)一個(gè)放電管放電時(shí)，另一個(gè)未放電的外線上的電荷將通過(guò)電話機(jī)經(jīng)已放電的放電管放電，使受話器產(chǎn)生巨響，（即音響沖擊）危害使用人員。此外，由于靜電感應(yīng)影響，對(duì)于雙線電話回路還有可能形成橫向感應(yīng)電流，經(jīng)受話器產(chǎn)生有害雜音，影響通話質(zhì)量。靜電感應(yīng)影響的程度取決于電氣化鐵道接觸網(wǎng)的工作電壓、接觸網(wǎng)和電信線路的接近長(zhǎng)度及接近距離。

（2） 感性耦合影響

感性耦合影響又稱磁影響。它是交流電氣化鐵道牽引電流通過(guò)接觸導(dǎo)線時(shí)，在其周圍空間形成交變磁場(chǎng)，其磁力線切割鄰近的電信線路，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，或電信線路與接觸網(wǎng)間產(chǎn)生互感，兩者就是通過(guò)這種互感耦合在電信線路上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是沿電信線路導(dǎo)線軸向分布，故稱為感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)。它分布在接近段的全線，而不是集中在導(dǎo)線的某一點(diǎn)上。當(dāng)感應(yīng)電壓超過(guò)一定值（接觸網(wǎng)正常狀態(tài)60 V，故障狀態(tài)430 V），就會(huì)對(duì)人身安全及通信設(shè)備造成危險(xiǎn)。

在確定感性耦合影響程度時(shí)，強(qiáng)、弱電線路之間的互感系數(shù)是一個(gè)重要因素，而互感系數(shù)與兩線路的相對(duì)位置、大地導(dǎo)電率及接觸網(wǎng)電流的頻率有關(guān)。若兩線路接近距離和大地導(dǎo)電率越小，則互感系數(shù)就越大。此外，決定感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)大小的主要因素，還有接觸網(wǎng)通過(guò)的電流及兩線路的接近長(zhǎng)度。若互感系數(shù)和接觸網(wǎng)通過(guò)的電流越大，兩線路接近長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)就越大。感性耦合影響，還要考慮到接觸網(wǎng)正常供電和短路故障2種狀態(tài)。

（3） 阻性耦合影響

阻性耦合影響也稱入地電流影響，交流電氣化鐵道供電系統(tǒng)是以接觸網(wǎng)為電流去線，以鋼軌—大地為電流回線的單向不對(duì)稱供電線路。如圖1所示，當(dāng)接觸網(wǎng)電流經(jīng)鋼軌回流，尤其在接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，將會(huì)有很大電流沿鋼軌漏泄入地。在入地電流點(diǎn)或牽引變電所周圍相對(duì)遠(yuǎn)處的大地之間會(huì)產(chǎn)生電位差。處于這些地點(diǎn)的通信接地裝置、地下通信電纜和金屬管線，通過(guò)大地阻性耦合，在電信線路接地裝置和架空線路導(dǎo)線之間，通信局、站接地裝置和通信線路導(dǎo)線之間、地埋通信電纜的外皮和芯線之間就產(chǎn)生了電位差。

阻性耦合影響的程度主要取決于入地電流值的大小、大地導(dǎo)電率、計(jì)算地電位點(diǎn)至入地電流點(diǎn)的距離。一般來(lái)說(shuō)，距離鐵道幾十米以外的阻性耦合影響就很小了。

（4) 放電火花的電脈沖干擾

交流電氣化鐵道放電火花的電脈沖產(chǎn)生無(wú)線電干擾是因機(jī)車在運(yùn)行中，電力機(jī)車的大容量整流設(shè)備在整流過(guò)程產(chǎn)生的火花脈沖和電力機(jī)車的受電弓與接觸導(dǎo)線不良接觸造成的。此外，由于在接觸網(wǎng)（27.5 kV）高電壓下工作，其絕緣件如受污染或損壞會(huì)導(dǎo)致絕緣不良，就會(huì)使接觸網(wǎng)構(gòu)件產(chǎn)生放電，發(fā)生無(wú)線電干擾電波。

電氣化鐵道的無(wú)線電干擾場(chǎng)強(qiáng)電平，在中波段等低頻端較強(qiáng)；但隨著距電氣化鐵道距離的增加，其傳播衰減也較快。在甚高頻等高頻端則場(chǎng)強(qiáng)較弱，隨著距離的增加，其衰減也慢。放電火花的電脈沖對(duì)距電氣化鐵道較近的無(wú)線電設(shè)備，飛機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航設(shè)備產(chǎn)生干擾影響。

2 接近距離和接近長(zhǎng)度

理論及實(shí)踐表明，電氣化鐵道容性耦合、感性耦合、阻性耦合影響以及放電火花的電脈沖干擾中，感性耦合影響最為明顯和突出。感性耦合、容性耦合影響的程度，和電氣化鐵道接觸網(wǎng)與通信線路的接近長(zhǎng)度及接近距離有關(guān)。當(dāng)通信線路與交流電氣化鐵道的相對(duì)位置足以使通信線路產(chǎn)生危險(xiǎn)或干擾時(shí)，這種相對(duì)位置就稱為接近。通信線路與電氣化鐵道接近的區(qū)段稱為接近段。在垂直于通過(guò)電氣化鐵道中心線和通信線路中心線2個(gè)垂直平面的水平平面時(shí)，通信線路的任一點(diǎn)引伸到電氣化鐵道的垂直距離稱為接近距離。平原地帶接近距離如圖2所示，圖中a為接近距離。

通過(guò)電氣化鐵道對(duì)附近通信線路影響計(jì)算發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是新建電氣化鐵道還是舊線電氣化改造，兩者的相對(duì)位置有各種各樣情況。若因地形變化（如山區(qū)和丘陵地帶），接近距離a與接觸網(wǎng)和通信線路間連線的夾角α超過(guò)30°時(shí)，如圖3所示，則接近距離可由（式1）表示。

接近可分為平行接近、斜接近、交叉跨越接近和復(fù)雜接近等情況。

(1）平行接近：通信線路與接觸網(wǎng)之間的接近距離的變化不超過(guò)其算術(shù)平均值的5%時(shí)，稱平行接近，即a2-a1×5%（式2），如圖4所示，其中A、B兩點(diǎn)之間l稱平行接近段，A、C間和B、D間則稱為延長(zhǎng)段。l在電氣化鐵路線上的投影即為接近長(zhǎng)度l≈lp。

（2）斜接近：在接近段內(nèi)，接近距離均勻地增加或減少（此段內(nèi)線路無(wú)轉(zhuǎn)折點(diǎn)）時(shí)，稱為斜接近。通信線路在電氣化鐵道上的投影，稱為斜接近段的接近長(zhǎng)度，如圖5所示。

此時(shí)斜接近兩端a1、a2的幾何平均值，稱為斜接近段的等值距離。當(dāng)斜接近段兩端的接近距離a1、a2的比值小于或等于3，≤3時(shí)，斜接近段的等值接近距離可按下式計(jì)算，即a=（式3），3時(shí)，應(yīng)將此接近段劃分若干小段，使每一個(gè)小接近段兩端接近距離之比小于或等于3，然后按（式3）分別計(jì)算出每一小段的接近距離。

（3）復(fù)雜接近：在大多數(shù)情況下的接近是復(fù)雜的，如圖6所示。

式中：ai——每一小接近段的等值接近距離。

（4）交叉跨越接近

若通信線路架空跨越電氣化鐵路時(shí)，應(yīng)改為地下穿越并加鋼管防護(hù)。若遇特殊情況無(wú)法入地時(shí)，根據(jù)鐵路技規(guī)第123條規(guī)定，“與接觸網(wǎng)的垂直距離不應(yīng)小于3 000 mm”。交越時(shí)兩線路應(yīng)盡量垂直，最小的交越角應(yīng)大于45°，對(duì)于交越角小于45°的交越段，如不計(jì)算交越段（地下穿越）的影響，則以距離電氣化鐵道10 m的兩點(diǎn)作為交越段的界限。

3 結(jié)束語(yǔ)

電氣化鐵道防護(hù)是一項(xiàng)涉及多學(xué)科的綜合性邊遠(yuǎn)性專業(yè)，工程設(shè)計(jì)涉及到強(qiáng)點(diǎn)、弱電、有線、無(wú)線以及移動(dòng)、電信、聯(lián)通、鐵通、廣播電視、部隊(duì)、飛機(jī)場(chǎng)、油氣管線、地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站等諸多專業(yè)和部門。多年來(lái)，我國(guó)電氣化鐵道的防護(hù)費(fèi)用不斷增加，認(rèn)識(shí)電磁影響的危害，掌握正確的計(jì)算方法，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低防護(hù)投資是廣大設(shè)計(jì)者努力的目標(biāo)。