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高速铁路对邻近普速铁路电力电缆干扰机理研究

发表时间：2020/7/20 来源：《电力设备》2020年第8期作者：崔明晟

[导读] 摘要：随着人们生活水平的提高，对交通要求不断提高。近年来，高速铁路由于列车速度快、牵引功率大，且高速运行时持续取流，对与其邻近的普速铁路沿线敷设的电力电缆产生了明显的电磁干扰。

        （宝胜科技创新股份有限公司江苏省扬州市 225800）
        摘要：随着人们生活水平的提高，对交通要求不断提高。近年来，高速铁路由于列车速度快、牵引功率大，且高速运行时持续取流，对与其邻近的普速铁路沿线敷设的电力电缆产生了明显的电磁干扰。通过对感性耦合和阻性耦合机理分析，研究高速铁路对电力电缆感应电压的干扰机理，运用CDEGS软件建立高速铁路对电力电缆电磁干扰仿真模型，总结电力电缆感应电压影响因素，并基于计算结果对仿真模型进行验证。结果表明：在邻近情况下，电力电缆感应电压与牵引负荷、电力电缆、土壤结构参数有关；其中，平行长度、负荷电流、土壤电阻率和短路电流对电力电缆感应电压有显著影响；高速铁路与普速铁路之间应根据电缆长度的不同设置合理的防护距离，且采用中点接地和单端接地方式能有效地降低电力电缆感应电流。
        关键词：高速铁路；电力电缆；电磁干扰
        引言
        铁路电力系统主要由外电源供电线路、10kV配电所、电力贯通线（普速铁路一般称贯通线、自闭线；高速铁路一般称综合负荷贯通线、一级负荷贯通线）、站区电力设备等组成。由于电缆具有受外部自然环境影响小、安全性好、可靠性高、不影响城区美观、运行维护费用少等特点，外电源、电力贯通线都大量使用不同类型的电力电缆。而高速铁路和普速铁路因技术标准的不同，在电缆选型和敷设方式也有明显的区别。对不同类型电缆线路故障进行快速准确的测寻和定位是铁路电力部门的一项十分重要的任务。
        1概述
        随着我国高速铁路的飞速发展，以电力电缆构成的铁路贯通线路被广泛采用。对高速铁路通信、信号系统而言，贯通线路是它的核心供电线路，对高速铁路正常运行起到至关重要的作用。因此如何保障铁路贯通线路稳定可靠运行及出现故障后能够对故障点迅速、准确定位及时排除故障具有迫切的现实意义。但在高铁电力电缆故障探测过程中，由于实际电缆故障环境状况复杂多变，影响环境变化和故障定位精度的因素很多，造成电缆故障信息获取困难，故障呈现多样性，最终导致故障定位精度不高。因此研究如何对故障信息进行分析、处理以及如何提高故障定位的精度具有重要意义。近年来，电力电缆故障的测试技术有了很大的发展，如出现了故障测距的脉冲电流法、路径探测的脉冲磁场法以及利用磁场与声音信号时间差寻找故障点位置的方法等。计算机技术的应用，更使得电缆故障探测技术迈入智能化阶段。
        2电力电缆电磁干扰影响因素
        为研究高速铁路对邻近普速铁路电力电缆感应电压的影响因素，本文设置高速铁路牵引负荷电流为400A，土壤电阻率为100m，电力电缆与高速铁路邻近侧钢轨距离为5m，电力电缆与高速铁路平行长度为2km，AT所之间距离为10km，牵引负荷在12km处。高速铁路与电力电缆相对位置如图1所示。

                 图1高速铁路与电力电缆相对位置
        2.1平行长度
        根据电磁耦合原理，电力电缆与高速铁路的平行长度和并行间距对电力电缆的感应电压分布有显著影响。选取电力电缆与高速铁路平行长度在2~10km变化，研究高速铁路对电力电缆的感应电压，得到其沿长度方向的分布规律如图2所示。

        图2平行长度对电力电缆感应电压的影响               图3并行距离对电力电缆感应电压的影响
        由图8得，随着普速铁路电力电缆与高速铁路平行长度的增大，电力电缆金属护层感应电压逐渐升高，电缆各处电压分布差异越大。普速铁路电力电缆的长度由2km增大到10km时，其感应电压最大值由11.17V增大到31.18V，增幅为179.14%。
        2.2并行间距
        本文选取三芯电缆与高速铁路并行间距在5~25m范围变化，得到电力电缆沿长度方向的感应电压分布规律如图3所示。由图3可知，随着普速铁路电力电缆与高速铁路并行间距的增大，感应电压在逐渐减小。并行间距由5m增大到25m时，其感应电压最大值由11.17V减小到9.97V，降幅为10.74%。可得，高速铁路对并行间距在5至25m范围内的普速铁路电力电缆的感应电压变化较小。
        2.3机车负荷电流
        高速铁路牵引网电流随着列车的运行在不断地变化，且不同型号列车的负荷电流不同，会引起电缆金属护层感应电压的变化。本文设置高速铁路负荷电流在200~1000A范围变化，得到电力电缆沿长度方向的感应电压分布规律如图4所示。

        图4机车负荷电流对电力电缆感应电压的影响
        由图4得，随着机车负荷电流的增大，电力电缆感应电压逐渐增大，电缆各处电压分布差异越大。当负荷电流由200A增大到1000A时，其感应电压最大值由5.62V增大到27.37V，增幅为387.01%。机车负荷电流的增大使得地中泄漏电流增大，从而导致电力电缆感应电压升高。
        3电力电缆防护措施
        3.1高速铁路与普速铁路防护距离
        《TB10008—2015铁路电力设计规范》中规定：电缆金属层上任一点非直接接地处的正常感应电势最大值在，未采取有效防止人员任意接触金属层的安全措施时，感应电压瞬时值不得大于60V；除上述情况外不得大于300V。由以上分析得在高速铁路牵引供电系统正常运行时，其感应电压均符合标准。
        为避免在牵引网短路故障下，电缆金属护层感应电压可能引起的电缆铠装层击穿或金属接头处击穿问题。由于电缆连续长度不超过3km，对不同电缆长度下，高速铁路和普速铁路在不同防护距离时，电力电缆的感应电压进行比较。设置牵引网短路电流为25kA，土壤电阻率为100Ωm×，不同防护距离时三芯电缆感应电压最大值如表1所示。

        表1不同防护距离时电缆的感应电压
        由表1得，随着高速铁路和普速铁路之间距离的增大，普速铁路电力电缆金属护层的感应电压随之减小。在普速铁路电力电缆长度分别为0.5、1、1.5、2、2.5、3km时，高速铁路与普速铁路的安全防护距离分别为100、150、200、300、450、550m，此时普速铁路电力电缆感应电压最大值降到60V以下，符合《TB10008—2015铁路电力设计规范》规定。建议工程设计时，根据平行电缆连续长度不同设置不同的安全防护距离。
        结语
        （1）普速铁路电力电缆感应电压与牵引负荷、电力电缆、土壤结构参数有关。其中，平行长度、负荷电流、电力电缆距牵引变电所距离和土壤电阻率对电力电缆感应电压有显著影响，应为电力电缆优化设计的关键点。平行长度越长、负荷电流越大、土壤电阻率越高，电力电缆感应电压越大。（2）为避免高速铁路牵引供电系统发生短路故障时，对普速铁路电力电缆造成绝缘层击穿或威胁检修人员安全，当普速铁路电力电缆长度分别为0.5km、1km、1.5km、2km、2.5km和3km时，建议高速铁路与普速铁路的安全防护距离分别为100m、150m、200m、300m、450m和550m。（3）电力电缆采用单端接地和中点接地方式能较好地降低感应电流，有利于保障检修人员的人身安全和电力电缆的良好、稳定运行。
        参考文献：
        [1]李文豪，崔校玉，陈维荣，林德福．客运专线10kV单芯电缆接地方式的研究［J］．铁道工程学报，2009，127（4）：39-42．
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        [3]国家统计局.中华人民共和国2019年国民经济和社会发展统计公报[N].人民日报，2020-02-29（005）.
        [4]曹建猷.电气化铁道供电系统[M].北京：中国铁道出版社，1983.