■ 代勇 張育明

鐵路客運(yùn)專線對(duì)電信機(jī)房的地電位影響

■ 代勇 張育明

國(guó)內(nèi)外就電氣化鐵道所引起的地電位升對(duì)通信系統(tǒng)的電磁干擾研究由來(lái)以久，目前還存在兩方面問(wèn)題：一是由于各國(guó)鐵路電力機(jī)車（動(dòng)車）運(yùn)行機(jī)制不同，國(guó)際上對(duì)地電位升限值還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；二是高等級(jí)鐵路技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是近年我國(guó)客運(yùn)專線及城際鐵路的大規(guī)模建設(shè)，引起的地電位升的問(wèn)題，加劇了信息產(chǎn)業(yè)等弱電部門的疑慮，因此有必要開展針對(duì)性、探索性的分析。

1 地電位產(chǎn)生的原因

交流電氣化鐵道是以鋼軌為回流導(dǎo)體的不平衡供電系統(tǒng)，電流從牽引變電所流經(jīng)接觸網(wǎng)，沿接觸導(dǎo)線傳輸?shù)诫娏C(jī)車后再流經(jīng)鋼軌，最后返回到牽引變電所。返回到牽引變電所的電流中有部分由大地回流，又稱為地電流。在地電流的作用下，地面一定范圍內(nèi)將形成不等的地電位差，這個(gè)電位差將可能導(dǎo)致通信局（站）接地裝置和通信導(dǎo)線間產(chǎn)生電位差，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致設(shè)備故障或損壞。

電氣化鐵道的入地電流大小與供電系統(tǒng)制式（直供、單設(shè)回流線、BT、AT等），牽引電流大小，單線或復(fù)線鐵道、鋼軌與大地之間的過(guò)渡電阻等多種因素有關(guān)。

2 客運(yùn)專線入地電流產(chǎn)生的地電位

2.1 地電位計(jì)算與分析

電氣化鐵道所引起的地電位升與電力機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)，隨接觸網(wǎng)中實(shí)際電流的變化而變化。當(dāng)供電臂中沒(méi)有機(jī)車運(yùn)行時(shí)，則不存在泄漏電流，亦不會(huì)改變附近大地的電位。

假定坐標(biāo)系平行鋼軌方向?yàn)閤軸，垂直于鋼軌方向?yàn)閥軸（見(jiàn)圖1）。當(dāng)機(jī)車電流進(jìn)入鋼軌后，將在P點(diǎn)（坐標(biāo)原點(diǎn)）沿鋼軌向鋼軌兩側(cè)流動(dòng)，在流動(dòng)過(guò)程中向地中泄漏電流。鋼軌中電流在M點(diǎn)形成的電位為：

圖1 電力機(jī)車泄漏電流產(chǎn)生的地電位

考慮鋼軌對(duì)地電位的屏蔽作用，則入地泄漏電流在M點(diǎn)產(chǎn)生的電位為：

式中：γg——鋼軌-大地回路的傳播常數(shù)（l/m），取值見(jiàn)表1；

I1——牽引電流（A）；

λ——鋼軌屏蔽系數(shù)；

Ω（μ，ν）——特殊函數(shù)；

σ——大地導(dǎo)電率（s/m）。

假設(shè)某數(shù)字式電信機(jī)房位于客運(yùn)專線附近，由于客運(yùn)專線高架橋比重遠(yuǎn)高于普通鐵路，設(shè)該機(jī)房位于橋梁地段，其與最近鐵路橋墩的距離為：x=10m，y=20m；

設(shè)所處供電臂內(nèi)的牽引電流 I1=1000 A；該區(qū)段的平均大地導(dǎo)電率：

相應(yīng)的γg取值為1.21×10-3∠35°7′；

鋼軌屏蔽系數(shù)為0.33；

并查Ω（γgx，γgy）函數(shù)曲線可知：

代入公式（1），可得Um=13.7V。

鐵路客運(yùn)專線多采用自耦變壓器供電方式（簡(jiǎn)稱AT供電方式），軌道系統(tǒng)采用整體道床技術(shù)，鋼軌系絕緣安裝，同時(shí)集合信號(hào)、通信、電力、牽引供電、接觸網(wǎng)、綜合調(diào)度等系統(tǒng)的接地，即采用綜合接地技術(shù)。根據(jù)武廣高速鐵路試驗(yàn)段對(duì)入地電流所做的測(cè)試結(jié)果，在鐵路高架橋地段，通過(guò)橋墩接地系統(tǒng)流入大地的電流僅為牽引網(wǎng)電流的0.02%～0.05%，遠(yuǎn)小于直接供電方式下路基地段的比例，由此而導(dǎo)致的地電位升也勢(shì)必將遠(yuǎn)小于理論估算值。

2.2 地電位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部等權(quán)威部門曾針對(duì)高密度、大電流、高速度的有關(guān)鐵路線，如既有京廣、湘黔線和合武客運(yùn)專線等鐵路進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲得了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的電氣化鐵道在正常運(yùn)行時(shí)地電位升的原始測(cè)試數(shù)據(jù)，并通過(guò)理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，證實(shí)實(shí)測(cè)值的可靠性。

為了獲取相關(guān)的技術(shù)資料，為鐵路電氣化引起通信局（站）地電位升的理論計(jì)算提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，一般在已開通電氣化鐵道的通信局（站）中，選擇兩個(gè)通信局（站）作為試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。被選的通信局（站）同時(shí)具有離電氣化鐵道距離近、大地導(dǎo)電率不相同及在監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以直觀機(jī)車運(yùn)行情況三大特點(diǎn)。測(cè)試主要采用VC-1地電位升監(jiān)測(cè)儀，地電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

從理論上分析，要測(cè)試某點(diǎn)的地電位，必須選取在無(wú)窮遠(yuǎn)處相對(duì)的零電平作為參考點(diǎn)，但在實(shí)際工程測(cè)試中無(wú)法做到。由于電氣化鐵道泄漏電流引起的地電位橫向衰減很快，因此在實(shí)際操作中只要保證輔助地網(wǎng)距鐵路的距離大于2倍通信局（站）距鐵路的距離，即可以認(rèn)為此輔助地網(wǎng)的地電位為零。以電信支局為例，使用4根1m長(zhǎng)的鋼纖，分別打入地下約1m深處，鋼纖間隔應(yīng)保持2m以上，即形成輔助地網(wǎng)。確認(rèn)輔助地網(wǎng)連接牢固后，用一根多股銅芯線將其牽引至監(jiān)測(cè)儀輸入1上，作為監(jiān)測(cè)儀的一個(gè)輸入。地電位測(cè)試示意圖見(jiàn)圖3。

表1 鋼軌-大地回路50 Hz傳播常數(shù)表

圖2 地電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從通信機(jī)房的地線匯流排上引出地線，連接至監(jiān)測(cè)儀輸入2上，作為監(jiān)測(cè)儀的第二個(gè)輸入。地電位監(jiān)測(cè)儀連接示意圖見(jiàn)圖4。

測(cè)試表明：當(dāng)電力機(jī)車通過(guò)時(shí)，電壓值明顯地由0.2～0.3 V躍升至16～18 V。當(dāng)電力機(jī)車通過(guò)后，電壓值又很快降至0.2～0.3 V。圖5反映編程處理后新晃城電信支局地電位升曲線。

圖3 地電位測(cè)試示意圖

圖4 地電位監(jiān)測(cè)儀接線示意圖

圖5 9月4日某一時(shí)段新晃城電信支局地電位升變化曲線

3 結(jié)果分析

監(jiān)測(cè)點(diǎn)所選的電氣化鐵道開通時(shí)間有短有長(zhǎng)，有早有晚，但附近的電信支局均沒(méi)有接到過(guò)用戶投訴，線路維護(hù)人員及機(jī)線設(shè)備也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)受到危險(xiǎn)或干擾影響。根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)、檢測(cè)、追蹤及理論分析，認(rèn)為：

（1）模擬通信以5V為參考標(biāo)準(zhǔn)值，局間中繼使用電纜，兩端的數(shù)據(jù)信號(hào)需要共地；數(shù)字通信局間中繼使用光纜，兩端的數(shù)據(jù)信號(hào)不需要共地。因此，通信局（站）抗外界地電位升的能力有所提高。

（2）實(shí)驗(yàn)表明通信局（站）地電位升至20V仍然沒(méi)有影響，電信機(jī)房設(shè)備仍能夠正常運(yùn)行。

（3）鐵路客運(yùn)專線的通信局（站）地電位升達(dá)到什么程度才對(duì)其造成干擾影響，需要在今后的實(shí)際中進(jìn)一步探索。

[1]鐵道部電氣化工程局. 電氣化鐵道通信防護(hù)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，1992

[2]中國(guó)電信電磁防護(hù)支撐中心. 交流電氣化鐵路鋼軌入地電流對(duì)通信局站地電位升研究報(bào)告[R]. 長(zhǎng)沙：中國(guó)電信電磁防護(hù)支撐中心，2006

[3]鐵道部電氣化工程局通信信號(hào)勘測(cè)設(shè)計(jì)院. 交流電氣化鐵道的電磁影響及防護(hù)[M]. 天津: 天津教育出版社，1990

責(zé)任編輯陳曉云

代 勇：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，工程師，湖北 武漢，430063

張育明：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，高級(jí)工程師，湖北 武漢，430063