摘要：隨著我國(guó)高鐵的高速發(fā)展，站場(chǎng)中的信號(hào)設(shè)備越來(lái)越多、越來(lái)越精密，由于信號(hào)設(shè)備以電子和微電子技術(shù)裝備起來(lái)的且工作在弱電環(huán)境下，當(dāng)站場(chǎng)中的獨(dú)立接地支柱出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)就會(huì)對(duì)弱電設(shè)備造成嚴(yán)重的影響，對(duì)我國(guó)高鐵的發(fā)展帶來(lái)較大的阻礙作用。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)站場(chǎng)中間接觸網(wǎng)支柱發(fā)生短路時(shí)，雖然鋼軌上接有回流線(xiàn)，由于鋼軌泄露電阻較大，短時(shí)支柱周?chē)牡仉娢惠^高，因此會(huì)對(duì)埋設(shè)在支柱附近的信號(hào)電纜產(chǎn)生嚴(yán)重影響甚至擊穿電纜。本文通過(guò)CDEGS仿真軟件建立站場(chǎng)中間接觸網(wǎng)支柱短路模型，通過(guò)仿真得到相關(guān)數(shù)據(jù)，研究站場(chǎng)中獨(dú)立接地支柱短路對(duì)信號(hào)設(shè)備帶來(lái)的影響，對(duì)我國(guó)鐵路事業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：站場(chǎng)；接觸網(wǎng)支柱；短路；信號(hào)設(shè)備

中圖分類(lèi)號(hào)：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）12（c）-0000-00

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，鐵路站場(chǎng)的信號(hào)設(shè)備越來(lái)越精密，由于信號(hào)設(shè)備以電子和微電子技術(shù)裝備起來(lái)的且工作在弱電環(huán)境下。當(dāng)單獨(dú)接地支柱發(fā)生短路時(shí)，會(huì)造成支柱周?chē)仉娢贿^(guò)高，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)擊穿支柱附近的信號(hào)電纜，這樣擊穿電流會(huì)通過(guò)信號(hào)電纜傳輸?shù)叫盘?hào)樓，并損壞信號(hào)樓內(nèi)的通信設(shè)備，不僅造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，而且直接威脅著鐵路的安全運(yùn)行[1- 3]。2012年9月22日15點(diǎn)34分，神池南站II場(chǎng)西咽喉因接觸網(wǎng)放電造成部分信號(hào)電纜燒損，19個(gè)軌道區(qū)段發(fā)生紅光帶，經(jīng)三局電務(wù)和神池南電務(wù)工隊(duì)緊急處理后，于19點(diǎn)08分設(shè)備恢復(fù)正常。故障總延時(shí)214分鐘?，F(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收人員反饋中鐵電氣化局剛在134號(hào)網(wǎng)桿安裝地線(xiàn)施工時(shí)造成接觸網(wǎng)對(duì)獨(dú)立支柱放電，由此初步判斷造成軌道電路紅光帶的原因?yàn)榻佑|網(wǎng)對(duì)單獨(dú)接地支柱放電對(duì)信號(hào)設(shè)備造成的沖擊所致。因此，本文通過(guò)仿真分析研究與實(shí)際考察支柱短路信號(hào)電纜的影響對(duì)我國(guó)的高鐵事業(yè)的發(fā)展具有重要的意義[4-5]。

1建立仿真模型

圖1 站場(chǎng)接地系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖 2站場(chǎng)中間部分綜合接地系統(tǒng)剖面圖

圖1為站場(chǎng)綜合接地簡(jiǎn)單模型，從圖中可以看出由于站場(chǎng)較大，站場(chǎng)兩邊的支柱與貫通地線(xiàn)相連而中間的接觸網(wǎng)支柱只能單獨(dú)接地。相關(guān)的通信信號(hào)線(xiàn)鋪設(shè)在站場(chǎng)中間鋼軌的兩邊，深入地下0.5m處；軌道采用CRTS 1型板式無(wú)砟軌道，軌距采用標(biāo)準(zhǔn)軌距1435mm。軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、彈性扣件、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿填充層、混泥土底座構(gòu)成，標(biāo)準(zhǔn)軌道板厚度不宜小于190mm，水泥乳化瀝青砂漿填充層厚度為50mm，混泥土底座厚度不應(yīng)小于100mm，彈性扣件厚度為10mm，軌道采用CHN60軌道，等效為圓柱體時(shí)的半徑為49.6mm。由于扣件、混泥土及水泥乳化瀝青砂漿絕緣性能很好，仿真時(shí)可把此部分等效為空氣。接觸網(wǎng)鋼支柱采用H型鋼支柱，每隔50m架設(shè)一個(gè)，支柱基礎(chǔ)的最大接地電阻為10Ω，支柱距離鋼軌1.2m，深入地下2.5m。建模時(shí)鋼軌和信號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)設(shè)為3km，并在它們兩端都接上匹配阻抗，以模擬導(dǎo)線(xiàn)延伸至無(wú)窮遠(yuǎn)的情況[6]。

在同一行兩根軌道之間每隔500m裝設(shè)有扼流變壓器，以保證牽引電流順利流過(guò)絕緣節(jié)，當(dāng)從扼流變壓器中點(diǎn)流向兩端的電流相等時(shí)可將扼流變壓器等效為導(dǎo)線(xiàn)，上下行軌道通過(guò)扼流變壓器或者空心線(xiàn)圈的中心抽頭設(shè)有簡(jiǎn)單橫向連接或者完全橫向連接，簡(jiǎn)單橫向連接實(shí)現(xiàn)了兩鋼軌間的等電位連接，完全橫向連接實(shí)現(xiàn)軌道間的等電位連接[7-8]。

將接觸網(wǎng)支柱、鋼軌等效為圓柱體，各個(gè)導(dǎo)體的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 導(dǎo)體的主要參數(shù)

導(dǎo)體型號(hào)電阻率/Ω·m等效半徑/mm

鋼軌CHN600.90909×10-749.6

接觸網(wǎng)支柱H型支柱0.90909×10-786.55

在CDEGS中根據(jù)圖1、圖2及以上文中假設(shè)連接各個(gè)導(dǎo)體，根據(jù)表1設(shè)置各個(gè)導(dǎo)體的參數(shù)，搭建仿真模型[9]，如下圖3。

圖3 仿真模型

2仿真分析

本文主要研究接觸網(wǎng)支柱發(fā)生短路對(duì)信號(hào)電纜的影響，所以最終是為了研究信號(hào)電纜上的相關(guān)電位，確定電纜是否會(huì)受到破壞也即擊穿。根據(jù)CDEGS中搭建的仿真模型，仿真時(shí)設(shè)置3個(gè)變量：短路電流I；土壤電阻率ρ；電纜距離鋼軌的水平距離d；改變以上3個(gè)參數(shù)值，仿真得出信號(hào)線(xiàn)上的電壓幅值。根據(jù)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T2476.1～4-93規(guī)定：鋁護(hù)套鐵路信號(hào)電纜纜芯對(duì)地的工頻耐壓水平為1800 V（2min），因此本文中設(shè)電纜的安全耐受電壓為1800 V[10]。

現(xiàn)保持短路電流I（2KA）和電纜距離鋼軌的水平距離d（0.5m）不變，改變土壤電阻率ρ，土壤電阻率ρ的變化范圍為100～1000Ω·m。將仿真得出的電纜上最高的電位值列于表2中。

表2 改變土壤電阻率得到電纜上最高電位

土壤電阻率（Ω·m）100200300400500

電壓 （V）16952347281032034075

土壤電阻率（Ω·m）6007008009001000

電壓 （V）49725873677276778585

從表2中可以看出，電纜上的電位隨著土壤電阻率的增大而增大，最高電位達(dá)到8585V左右。

再保持短路電流I（2KA）和土壤電阻率ρ（200Ω·m）不變，改變電纜距離鋼軌的水平距離d，d的變化范圍取為0.5～1.4m。將仿真得出的電纜上最高的電位值列于下表3中。

表3 改變電纜與鋼軌之間的水平距離得到電纜上的最高電位

距離（m）0.50.60.70.80.9

電壓 （V）23472411247225282580

距離（m）1.01.11.21.31.4

電壓 （V）26272671271127482781

從表3中可以看出，當(dāng)增大電纜與鋼軌的水平距離時(shí)，電纜上的最高電位將不斷增大。分析可知，因?yàn)殇撥壟c回流線(xiàn)相連，所以電纜越靠近鋼軌越能降低電纜上的電位；從表中還可以看出，電纜的敷設(shè)位置對(duì)電纜上的電位影響相對(duì)較小。

最后保持土壤電阻率（200Ω·m）和電纜距離鋼軌的水平距離d（0.5m）不變，改變短路電流I，I的變化范圍取為1000～3000A。將仿真得出的電纜上最高的電位值列于下表4中。

表4 改變短路電流得到電纜上的最高電位

短路電流（A）80010001200140016001800

電壓（v）93911731408164318782113

短路電流（A）200022002400260028003000

電壓（v）234725822817305232863521

從表4中可以看出，當(dāng)增大短路電流時(shí)，電纜上的最高電位將不斷增大。

根據(jù)以上研究分析可知，短路電流、土壤電阻率以及電纜與鋼軌的水平距離是造成電纜上產(chǎn)生過(guò)高電壓的主要因素。在實(shí)際在場(chǎng)中，由于土壤電阻率等因素的相互作用給現(xiàn)場(chǎng)電纜安全評(píng)估造成了困難，本文作者根據(jù)電纜的安全承受電壓1800V為標(biāo)準(zhǔn)，研究了土壤電阻率等因素的影響規(guī)律，并做出了土壤電阻率等因素的安全臨界值變化曲線(xiàn)圖，如下圖4所示。

圖4 土壤電阻率等因素的安全臨界值變化曲線(xiàn)

上圖表示，在曲線(xiàn)下方電纜是處于安全的狀態(tài)，則曲線(xiàn)上方為危險(xiǎn)狀態(tài)。在實(shí)際站場(chǎng)中，根據(jù)圖3可以有效地對(duì)電纜進(jìn)行安全評(píng)估。例如，電纜距離鋼軌的水平距離D為0.5m、短路電流I為1400 A、土壤電阻率為600Ω·m，則根據(jù)上圖可以看出，由土壤電阻率和短路電流確定的點(diǎn)在電纜距離鋼軌的水平距離D為0.5 m表示的曲線(xiàn)上方，則可判斷此時(shí)電纜處于危險(xiǎn)狀態(tài)。若短路電流I為600 A，則電纜就處于安全狀態(tài)。

以下是某站場(chǎng)發(fā)生支柱短路的事故中造成的信號(hào)電纜及信號(hào)設(shè)備損壞圖。

圖5岔道處配線(xiàn)端子被燒圖

圖6被燒損的信號(hào)電纜

圖7被燒損的繼電器設(shè)備

從以上仿真分析和圖片中可以看出，當(dāng)大型站場(chǎng)中獨(dú)立接地支柱短路時(shí)，電纜上的承受電壓超過(guò)1800V，因此會(huì)對(duì)附近的信號(hào)電纜以及信號(hào)設(shè)備造成嚴(yán)重影響，甚至損壞。嚴(yán)重影響站場(chǎng)中的正常運(yùn)輸，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)我國(guó)高鐵的發(fā)展造成嚴(yán)重的影響。

3總結(jié)

本文通過(guò)CDEGS建立仿真模型，得到以上數(shù)據(jù)，通過(guò)分析可以得出：對(duì)于較大站場(chǎng)來(lái)說(shuō)，由于中間位置沒(méi)有鋪設(shè)貫通地線(xiàn)，當(dāng)支柱發(fā)生短路時(shí)，從上面的仿真結(jié)果來(lái)看，埋設(shè)地下的信號(hào)線(xiàn)將面臨擊穿的危險(xiǎn)。若信號(hào)線(xiàn)被擊穿，短路電流或雷電流將順著信號(hào)線(xiàn)入侵到信號(hào)設(shè)備中，從而造成信號(hào)設(shè)備的損壞。通過(guò)總結(jié)可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1、站場(chǎng)單獨(dú)接地支柱發(fā)生短路時(shí)，附近電纜上靠近短路支柱處的電位值最高。土壤電阻率、支柱短路電流以及電纜到鋼軌的水平距離均會(huì)影響信號(hào)電纜承受的短路過(guò)電壓幅值，其中土壤電阻率和支柱短路電流是主要因素。信號(hào)電纜上電位幅值與三者近似為線(xiàn)性關(guān)系。

2、由表2可以得到，土壤電阻率對(duì)電纜上的電位具有較大影響，所以可以考慮通過(guò)降低土壤電阻率來(lái)降低電纜上的電位，因此可以考慮降低支柱周?chē)耐寥离娮杪蕘?lái)達(dá)到降低電纜的承受電壓，以保證電纜的安全。由表3可以得到，電纜距離鋼軌越近，電纜上的電位越低，這是因?yàn)殇撥壟c回流線(xiàn)相連，對(duì)降低電纜上的電位具有一定的作用。因此可以將地電纜盡量靠近鋼軌埋設(shè)，考慮到當(dāng)鋼軌上有列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)也會(huì)有較大的電流流過(guò)鋼軌，所以電纜不能太靠近鋼軌，本文建議電纜距離鋼軌的水平距離為0.5m。

3、本文通過(guò)分析土壤電阻率等因素對(duì)電纜上電壓的影響規(guī)律，根據(jù)電纜的安全承受電壓，做出了土壤電阻率等因素的安全臨界值變化曲線(xiàn)圖（如圖3所示），此圖為實(shí)際站場(chǎng)中判斷電纜安全狀態(tài)提供了依據(jù)，只要知道土壤電阻率等參數(shù)就可以根據(jù)此圖做出相對(duì)準(zhǔn)確有效地判斷，對(duì)站場(chǎng)中電纜安全評(píng)估具有重要意義。

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