馬滄海 楊世武 劉 倉(cāng) 劉彥堂

（1．中國(guó)鐵路總公司運(yùn)輸局電務(wù)部，北京 100844；2．北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044；3．太原鐵路局電務(wù)處，太原 030013；4．太原鐵路局大同電務(wù)段，山西大同 037005）

根據(jù)鐵道部科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目要求[1]，課題組對(duì)大同—秦皇島(簡(jiǎn)稱(chēng)大秦)等重載線路橋梁區(qū)段信號(hào)電纜感應(yīng)電壓、牽引電纜回流數(shù)值以及形成電弧條件等方面開(kāi)展了全面的理論分析和測(cè)試，主要數(shù)據(jù)和推導(dǎo)已在研究報(bào)告中詳細(xì)描述，本文僅對(duì)可用于工程的改造方案和措施進(jìn)行簡(jiǎn)要總結(jié)。

1 大秦線接地方案特點(diǎn)概述

目前，重載鐵路采用自耦變壓器（AT）供電方式，接地采用ZPW-2000軌道電路的貫通地線。每隔一定距離，信號(hào)電纜外皮將接入貫通地線；軌道電路中空心線圈或扼流變壓器中點(diǎn)通過(guò)橫向連接與貫通地線相連；另外，空扼流中點(diǎn)還會(huì)與保護(hù)線連接。可見(jiàn)，強(qiáng)電系統(tǒng)盡管不會(huì)直接接入貫通地線，但二者依然存在不可分割的傳導(dǎo)耦合關(guān)系。下面對(duì)重載線路（大秦線）的接地方式進(jìn)行簡(jiǎn)要總結(jié)，如表1所示。

通過(guò)表1所示內(nèi)容并結(jié)合測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知：1）雖然重載鐵路的接地方案不同于高鐵的綜合接地系統(tǒng)，但在本質(zhì)上，牽引供電系統(tǒng)與信號(hào)設(shè)備之間依然存在直接關(guān)聯(lián)，差異之處主要體現(xiàn)在電纜接地方式、道床電阻以及貫通地線材料具體參數(shù)等方面。2）電纜槽與貫通地線均為金屬材料，但未有效低阻抗互連，因而二者可能存在電位差。3）信號(hào)電纜與貫通地線等沒(méi)有有效的隔離。4）橋梁處貫通地線接地電阻難以滿(mǎn)足1 Ω要求。5）貫通地線存在被盜現(xiàn)象，且難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

表1 重載接地方案

2 信號(hào)電纜防護(hù)牽引電流干擾主要措施

根據(jù)課題組測(cè)試和計(jì)算等相關(guān)研究，在正常條件下，牽引供電在電纜中形成的電位差和電纜外皮中產(chǎn)生的傳導(dǎo)電流，均不會(huì)導(dǎo)致電纜擊穿和燒損。除人為因素外，電纜燒損均是在故障或某些特定條件下引起的。因此，課題組提出的改造方案并非純粹等同于為了防止電纜燒損，同時(shí)，也有利于保證信號(hào)設(shè)備安全和減小電磁干擾。另外，信號(hào)設(shè)備防護(hù)干擾效果不僅體現(xiàn)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，還與施工質(zhì)量以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)密切相關(guān)。

綜合研究結(jié)果，改造方案主要包括以下8項(xiàng)措施。

2.1 消除可能引起放電的電位差

貫通地線通過(guò)低阻抗接地，其重要作用是保持所連接設(shè)備的等電位。大秦線采用金屬電纜槽，在橋梁區(qū)段，電纜槽本身導(dǎo)電連續(xù)性很差。根據(jù)課題組現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)模擬測(cè)試，貫通地線與電纜槽之間可能出現(xiàn)電位差；當(dāng)達(dá)到20 V以上時(shí)，會(huì)造成放電或打火，從而使貫通地線的外護(hù)層加速老化甚至引燃燒損。

從工程的角度，考慮到全部更換金屬電纜槽的改造成本過(guò)高，因此，建議改善電纜槽的導(dǎo)電連續(xù)性，并增強(qiáng)對(duì)電纜的屏蔽效果；同時(shí)，將貫通地線每隔100 m左右與電纜槽栓接，以消除二者間的電位差，避免導(dǎo)致放電甚至拉弧。

2.2 對(duì)信號(hào)電纜和貫通地線進(jìn)行物理隔離

牽引電流可能進(jìn)入貫通地線，本質(zhì)上屬于強(qiáng)電范疇，因而不同于信號(hào)電纜。但在實(shí)際工程施工中，信號(hào)電纜不僅與貫通地線同槽鋪設(shè)，而且經(jīng)常扭絞在一起，不僅加大了對(duì)信號(hào)電纜的電磁干擾，還增大了信號(hào)電纜引入強(qiáng)電甚至被燒損的機(jī)率，類(lèi)似于引火燒身。因此，參照實(shí)際條件，應(yīng)盡量把同槽敷設(shè)的（通信）信號(hào)電纜與貫通地線實(shí)施物理隔離。鑒于電纜槽空間存在局限，更便于操作的實(shí)際方法是在電纜槽內(nèi)通過(guò)絕緣阻燃膠皮將電纜與貫通地線隔開(kāi)：即將絕緣阻燃膠皮置于貫通地線與電纜之間，并盡量減小電纜與鋼槽接觸。

通過(guò)物理空間或絕緣材料隔離信號(hào)電纜與電纜槽、貫通地線，既減小了信號(hào)電纜芯線的干擾，又提高了二者間絕緣及阻燃等級(jí)，同時(shí)還在一定程度上消除了由于其他外界因素（如外界火源等）造成電纜燒損的隱患。

2.3 必要時(shí)加設(shè)地網(wǎng)

貫通地線接地電阻應(yīng)不大于1 Ω。由于相當(dāng)數(shù)量的橋梁和隧道地處山區(qū)，土壤電阻率普遍較大，達(dá)不到接地電阻的指標(biāo)要求。因此，在橋梁或隧道區(qū)段，必要時(shí)可增設(shè)專(zhuān)用地網(wǎng)，當(dāng)其連接貫通地線后，強(qiáng)電流經(jīng)過(guò)貫通地線迅速泄流，降低瞬態(tài)電壓，防止信號(hào)電纜絕緣損壞。當(dāng)然，對(duì)于接地電阻率較低的地區(qū)，橋梁接地電阻已達(dá)到規(guī)定要求，形成良好的泄流通道，則無(wú)需增設(shè)地網(wǎng)。

具體實(shí)施時(shí)，對(duì)于長(zhǎng)度小于1.5 km的橋梁和隧道，必要時(shí)可在一端橋頭處敷設(shè)地網(wǎng)；對(duì)于長(zhǎng)度大于1.5 km的橋梁和隧道，可在橋梁的兩端處分別設(shè)置地網(wǎng)。另外，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適當(dāng)采取其他降阻措施。

需要注意，地網(wǎng)可根據(jù)橋梁的差異而采用不同規(guī)格（大小），接地體應(yīng)確保接地效果良好，建議采用接地銅纜與貫通地線連接；貫通地線引出端宜與橋梁上接觸網(wǎng)桿塔保持一定距離（最好不小于15 m）。

2.4 貫通地線材料的選型

兼顧接地效果及阻燃特性等因素，在橋梁和隧道區(qū)段宜采用外護(hù)套為合金護(hù)套或是環(huán)保金屬的貫通地線。

目前，大秦鐵路大量采用外護(hù)套為環(huán)保塑料的貫通地線?？紤]到實(shí)施的可操作性及工程投資及防盜等因素，當(dāng)前可僅在橋梁和隧道區(qū)段更換成合金護(hù)套的貫通地線。

在更換過(guò)程中，在兩種材質(zhì)的貫通地線的連接處可采用直通型連接方式，在連接前應(yīng)將貫通地線端部的外護(hù)套剝離。另外，建議將兩種地線壓接頭放置在橋頭的路基處，防止橋梁在震動(dòng)時(shí)，損傷電纜。更換貫通地線時(shí)，建議由工務(wù)部門(mén)配合完成。

2.5 對(duì)貫通地線進(jìn)行斷線檢測(cè)及過(guò)程監(jiān)測(cè)

從維護(hù)方面來(lái)看，貫通地線在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象，且難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。這樣會(huì)減弱等電位的效果，持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間后也增加了危害電纜的概率。因此，有必要通過(guò)技術(shù)手段，實(shí)施對(duì)貫通地線的斷線和狀態(tài)檢測(cè)，有條件時(shí)，可納入微機(jī)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并通知修復(fù)，保證列車(chē)運(yùn)行的安全。課題組開(kāi)發(fā)了一種基于低功耗微處理器和短消息的橋梁貫通地線監(jiān)測(cè)裝置（授權(quán)專(zhuān)利）。

另外，結(jié)合項(xiàng)目的前期調(diào)研，在信號(hào)電纜燒損后，由于需要迅速修復(fù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)記錄很難完全保留并準(zhǔn)確存檔，因而對(duì)事后信號(hào)電纜燒損原因分析帶來(lái)相當(dāng)大的困難。這一方面，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)中有待改善。

2.6 信號(hào)電纜雙端接地宜改為單端接地

經(jīng)過(guò)課題組理論計(jì)算和室內(nèi)模擬測(cè)試，得到結(jié)論，在目前接地條件下，同時(shí)考慮傳導(dǎo)干擾和感應(yīng)干擾的影響后，對(duì)于降低電纜芯線縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)說(shuō)，單端接地要優(yōu)于雙端接地。特別是針對(duì)橋隧區(qū)段，單端接地具備而雙端接地不具備的優(yōu)點(diǎn)是：可防止由于雙端接地的電位差形成傳導(dǎo)電流環(huán)路、以及貫通地線斷線時(shí)牽引電流通過(guò)電纜外皮回流。

因此，建議在橋梁和隧道區(qū)段，將信號(hào)電纜的接地方式改為單端接地，單端接地的電纜長(zhǎng)度不宜超過(guò)1.5 km?？紤]到本工程是為在已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的繁忙區(qū)段實(shí)施信號(hào)電纜接地工程，為盡量減少對(duì)行車(chē)的干擾，可暫采用接續(xù)盒方式（在不切割既有使用電纜芯線條件下）實(shí)現(xiàn)單端接地，盡量減小對(duì)電纜屏蔽效果的影響。另外，在橋上（電纜槽內(nèi)）敷設(shè)的電纜切割后實(shí)施單端接地，施工時(shí)易造成電纜受損，影響行車(chē)；再加上橋梁及電纜槽空間狹窄，不利于施工，故單端接地實(shí)施地點(diǎn)宜選擇在橋梁兩端的路基處。如圖1、2所示。

在電纜單端接地時(shí)，電纜的鎧裝和鋁護(hù)套應(yīng)同時(shí)接地。對(duì)于長(zhǎng)度小于1.5 km的橋梁和隧道，單端接地的實(shí)施方法如圖1所示；對(duì)于長(zhǎng)度大于1.5 km的橋梁和隧道，單端接地如圖2所示。其中，將電纜的鋁護(hù)套和鎧裝斷開(kāi)，并用接續(xù)盒連接，主要是對(duì)電纜芯線進(jìn)行保護(hù)。

考慮到大秦鐵路目前主要采用雙端接地的方式，因此，在橋梁和隧道區(qū)段建議改為單端接地，而在路基區(qū)段可維持原狀（即雙端接地）。

2.7 加強(qiáng)與牽引供電部門(mén)協(xié)調(diào)和配合

根據(jù)課題組現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，大秦線等重載線牽引供電現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障現(xiàn)象較為頻繁，而且與信號(hào)之間的協(xié)調(diào)不夠及時(shí)和充分。統(tǒng)計(jì)顯示，強(qiáng)電造成的信號(hào)故障（包括電纜）也占了較大比例。顯然，信號(hào)防干擾不能忽視干擾的源頭，應(yīng)綜合防治，需多方面配合進(jìn)行協(xié)同預(yù)防。

建議加強(qiáng)與牽引供電專(zhuān)業(yè)溝通，有效防止接觸網(wǎng)故障及閃絡(luò)等現(xiàn)象；同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)信息互通和共享，信號(hào)部門(mén)有必要及時(shí)掌握牽引供電的狀態(tài)和關(guān)鍵參數(shù)。

2.8 規(guī)范工程施工及測(cè)試

1）施工注意

項(xiàng)目研究中發(fā)現(xiàn)，由于電纜接頭等薄弱處破損后，可能具備電弧形成條件，引起放電和高溫過(guò)熱，最終有可能導(dǎo)致電纜燒損。因此，在新建及改造過(guò)程中，應(yīng)完善施工規(guī)范和提高質(zhì)量，防止電纜磨損及過(guò)度彎折、從而在破損后引入強(qiáng)電或外界大能量。

2）完善維護(hù)手段及技術(shù)

對(duì)橋梁區(qū)段牽引電流等數(shù)據(jù)，完善常規(guī)巡視和測(cè)試規(guī)范。在朔（州）—黃（驊港）重載線等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，課題組發(fā)現(xiàn)缺乏必要的基本測(cè)試工具，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)力量還有待于加強(qiáng)；另外，對(duì)于接地電阻測(cè)試等技術(shù)含量高的工作，存在不規(guī)范的操作方法。

3 結(jié)語(yǔ)

本課題提出的部分措施已在大秦線、朔黃重載線實(shí)施（如圖3所示），達(dá)到了預(yù)期效果。需要說(shuō)明，朔黃線采用UM71軌道電路，但僅在橋梁區(qū)段敷設(shè)（局部）貫通地線，二者接地等配置有所不同。

上述內(nèi)容中涉及到的相關(guān)數(shù)據(jù)和依據(jù)內(nèi)容詳見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。具體的改造方案和維護(hù)細(xì)則應(yīng)由設(shè)計(jì)單位結(jié)合原有規(guī)范，進(jìn)行綜合分析和系統(tǒng)規(guī)劃。以上內(nèi)容是課題組在本項(xiàng)目研究中總結(jié)的主要措施，供現(xiàn)場(chǎng)單位參考；在實(shí)踐中不斷完善后，最終由設(shè)計(jì)部門(mén)形成規(guī)范。

致謝：中國(guó)鐵路總公司運(yùn)輸局電務(wù)部李文濤處長(zhǎng)、北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司潘繼軍高工、中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司梁伊模高工對(duì)本項(xiàng)目提供了很有價(jià)值的參考意見(jiàn)。

[1]北京交通大學(xué)，太原鐵路局.既有線重載鐵路運(yùn)輸研究—重載橋隧特殊區(qū)段信號(hào)電纜防護(hù)大牽引電流技術(shù)研究.2013.

[2]鐵道部工程設(shè)計(jì)鑒定中心.鐵路綜合接地和信號(hào)設(shè)備防雷系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)指南[M]. 北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.