王嘯波　鄭生全

(1.浙江眾合科技股份有限公司　杭州　310051；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司通號處　武漢　430000)

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市政電網(wǎng)對城市軌道交通信號系統(tǒng)的影響及其防護

王嘯波1鄭生全2

(1.浙江眾合科技股份有限公司杭州310051；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司通號處武漢430000)

摘要針對市政電網(wǎng)線路的電磁干擾環(huán)境以及城市軌道交通信號設備的電磁兼容要求，根據(jù)電磁感應的理論公式和相關工程建設經(jīng)驗，定性地分析市政電網(wǎng)線路在正常和故障工作狀態(tài)下對信號系統(tǒng)的電纜、軌道電路、信號室內(nèi)設備的電磁干擾影響，提出電網(wǎng)和軌道交通等市政基礎設施建設的綜合規(guī)劃和設計理念。為確保軌道交通運營的安全，結合理論計算和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，提出電力線路對信號系統(tǒng)電磁干擾影響的距離要求和防護方案。結論為：當軌道交通信號系統(tǒng)設備的干線電纜與市政電力供電線路的平行長度大于1 km時，間距應不小于20 m，否則考慮采用屏蔽電纜；車輛段/停車場與市政電網(wǎng)架空線路的平行長度大于1 km時，間距應不小于50 m，否則車輛段/停車場的軌道電路不能采用單軌條50 Hz相敏軌道電路；軌道交通正線的信號設備室/控制中心與市政電網(wǎng)的間距大于或等于20 m；車輛段/停車場信號樓與市政電網(wǎng)的架空線路的間距宜大于或等于50 m。

關鍵詞城市軌道交通; 市政電網(wǎng); 供電線路; 信號系統(tǒng); 電磁兼容; 保護設計

1研究背景

城市軌道交通信號系統(tǒng)設備的電磁兼容及設備保護設計往往只考慮了軌道交通內(nèi)部的電磁環(huán)境[1]，容易忽略市政電網(wǎng)的供電線路對軌道交通設備系統(tǒng)的電磁干擾和影響，主要因為信號系統(tǒng)供貨商未針對市政電網(wǎng)的影響進行分析，同時軌道交通與電力系統(tǒng)又是由不同行業(yè)的設計院進行工程設計的，不能做到城市公共基礎設施整體規(guī)劃和設計的管理。

隨著我國軌道交通和城市基礎設施的大規(guī)模建設，城市軌道交通線網(wǎng)越來越密，市政電網(wǎng)的電力供電線路及管網(wǎng)也越來越多，城市地下空間有限，不可避免地造成城市軌道交通線路與電力供電線路及管網(wǎng)相距較近[2]，導致城市軌道交通的電磁環(huán)境也越來越復雜。

目前城市軌道交通和市政電網(wǎng)的工程設計尚無統(tǒng)一的協(xié)調機構，即便有了統(tǒng)一的協(xié)調部門，也沒有電力線路與軌道交通線路間安全距離的設計依據(jù)及規(guī)范。

筆者通過對電力高壓輸送線路的電磁環(huán)境分析，旨在提出城市軌道交通信號系統(tǒng)設備的設計已經(jīng)不只是軌道交通內(nèi)部的電磁兼容及防護，還應考慮市政電網(wǎng)的電力基礎設施強大的電磁干擾環(huán)境；分析在電力供電線路與軌道交通線路相距較近時，如何考慮電力供電線路對信號系統(tǒng)及設備的安全防護。

2電磁干擾分析

2.1市政電力供電線路的電磁干擾分析

目前110 kV及以上三相電力電纜或高架電線供電回路一般選用3根單芯電纜或多股電線，當電力線路不對稱運行時會對信號電纜產(chǎn)生較強的電磁感應影響。

當電力線路正常運行時，理想狀態(tài)下流經(jīng)三相電纜(或電線)的電流相位依次相差120°，電流的矢量和為零，但由于每根電力電纜(或電線)與信號電纜(或軌道電路)所處的幾何位置不對稱，三相電力電纜(或電線)的正常工作電流就會在信號電纜芯線(或軌道電路)上產(chǎn)生縱向感應電動勢。

電力線路發(fā)生故障主要有以下3種形式：

1) 電力線路相線斷線。當三相電力線路的相線發(fā)生單相斷線時，非故障相流過的電流大小相等、方向相反，對外界產(chǎn)生的交變磁場相互抵消，故在信號設備上產(chǎn)生的縱向感應電動勢較??；當三相電力電纜(或電線)的相線發(fā)生兩相斷線時，非故障相電力電纜(或電線)中的電流無法流通，不會對信號設備產(chǎn)生影響；

2) 電力電纜單相對屏蔽層短路或電線對地短路。在電力系統(tǒng)中，單相對地短路是最常見的故障形式。電力線路發(fā)生單相短路，是指電纜單相芯線對屏蔽層的短路或電線直接接地，流經(jīng)電力電纜屏蔽層或大地的短路電流會在信號設備上產(chǎn)生較大的感應電動勢；

3) 電力電纜兩相對屏蔽層短路或電線兩相接地。兩故障相流過的電流大小相等、方向相反，對外界產(chǎn)生的交變磁場相互抵消，故在信號設備上產(chǎn)生的縱向感應電動勢較小。

因此，分析市政電網(wǎng)供電線路對城市軌道交通信號系統(tǒng)的影響主要是分析供電線路正常工作時相對于信號設備的不對稱和單相故障兩種情況。

2.2電磁感應原理

當一條導線有電流通過時，在導線的周圍就會產(chǎn)生磁場。如果導線通過時的電流不是恒定電流，而是隨時間變化的交變電流，那么在導線的周圍就會產(chǎn)生隨時間變化的交變磁場，其磁力線耦合鄰近導體，在鄰近的導體上產(chǎn)生感應電動勢，這就是電磁感應現(xiàn)象，或者說由于通過交變電流的導線與鄰近導體間存在互感，兩者通過這種感性耦合在鄰近的導體上感應出電動勢。由于鄰近的導體上因電磁感應而產(chǎn)生的電動勢是沿著芯線軸向分布的，所以稱為磁感應縱電動勢。

電磁感應定律及互感公式[3]為：

(1)

Φ=kI

(2)

Φ=BS

(3)

式中，e為感應電動勢，Φ為通過導體的磁通量，t為磁感應時間，B為磁感應強度，S為面積，I為電力線路中的電流，k為電力電纜(或電線)及信號電纜(或軌旁設備)的感應系數(shù)。k值與電力線路及信號設備的特性、屏蔽性能、相對位置、間距、現(xiàn)場周圍環(huán)境及介質等有關，當其他條件不變時，電力線路與信號設備的距離越大，k值越?。划斊渌麠l件一定時，電力線路電流的變化率越大,感應電動勢的值就越大。

由于k值的不確定性，電力供電線路對信號設備的影響很難通過理論公式直接計算，在實際應用中通過反復的試驗數(shù)據(jù)確定k值，然后通過公式計算、分析找出最不利因素，在工程中確定信號設備對電力供電線路電磁干擾的防護。

在電力線路對電信線路電磁影響的理論公式計算方面，國際電信聯(lián)盟遠程通信標準化組織(ITU-T)的“防護導則”給出工頻條件下忽略架設高度和地埋深度時，無限長和有限長導線電感參數(shù)的計算表達式和計算數(shù)表[4]，但很難直接應用公式計算電磁干擾數(shù)值，因此弱電系統(tǒng)對強電設備的電磁干擾都是根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù),通過定性分析確定防護方案，而不能通過定量計算確定電磁干擾的程度后，再確定電磁干擾的防護方案。

3電力線路對信號系統(tǒng)的電磁影響

市政電網(wǎng)電力線路的電磁場主要影響信號系統(tǒng)的信號電纜、軌道電路和信號室內(nèi)設備。電力線路對信號系統(tǒng)的電磁感應影響分為兩類：

1) 干擾影響。干擾影響是指當電力線路正常運行時，在信號設備上所感應的電壓已足以影響信號設備的正常工作，如電纜數(shù)據(jù)傳輸誤碼、計算機輸入輸出信息產(chǎn)生錯誤、破壞計算機的正常工作、軌旁設備的異常動作和危險動作等；

2) 危險影響。危險影響是指當電力線路故障時，在信號設備上所感應的電壓已足以造成對人身的危害或毀壞信號設備，如擊穿信號電纜芯線與護套間的絕緣、威脅信號設備施工及維護人員的生命安全、損壞信號設備及儀表甚至引起信號設備室的火災等。

3.1信號電纜的防護

在國家標準《電信線路遭受強電線路危險影響的容許值》GB 6830—1986[5]與電力工業(yè)標準《輸電線路對電信線路危險和干擾影響防護設計規(guī)程》DL/T 5033—2006[6]中均規(guī)定了強電線路對臨近電信線路的干擾影響與危險影響允許值，即：當電力線路處于正常運行狀態(tài)時，信號電纜芯線上的磁感應電壓的允許值為60 V；當電力線路處于故障運行狀態(tài)時，信號電纜芯線上的磁感應電壓的允許值為430 V。電力電纜正常工作時在信號電纜上產(chǎn)生的感應電動勢不大于60 V，主要是保護信號維護人員的人身安全；電力線路故障狀態(tài)下，在信號電纜上產(chǎn)生的感應電動勢不大于430 V，這是為了保護電纜終端設備的安全。

雖然上述兩個標準對弱電電纜的防護要求已做明確規(guī)定，但對電力供電線路與信號電纜的距離并未做出規(guī)定。城市軌道交通內(nèi)部采用35 kV或10 kV的供電線路，由于軌道交通設計中尚無明確的電力電纜與信號及弱電電纜的安全距離要求。在軌道交通信號系統(tǒng)工程設計中，地下隧道有條件時將強電電纜和弱電電纜沿隧道兩邊分設；在高架線路上，對采用10 kV供電的軌道交通線路，電力電纜與弱電電纜可在同側相距1 m以上敷設，對采用35 kV供電的軌道交通線路，電力電纜與弱電電纜要求敷設于軌道的兩側，直線距離大于3 m。這些數(shù)據(jù)都是地鐵信號系統(tǒng)設計的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，按照這一經(jīng)驗數(shù)據(jù)，當電力電纜正常工作時，信號電纜芯線上的磁感應電壓不會超過60 V；當電力電纜處于故障運行狀態(tài)時，信號電纜芯線上的磁感應電壓不會超過430 V的危險值。

3.1.1隧道內(nèi)信號電纜的防護

城市軌道交通隧道內(nèi)的電力電纜與信號電纜在隧道兩側掛設[7]，當市政電纜隧道與軌道交通電纜隧道平行且距離較近時，信號電纜處在電力電纜電流產(chǎn)生的磁場內(nèi)。由于電力電纜在正常運行狀態(tài)下的電流為1 kA左右，加上三相電流產(chǎn)生的磁場在信號電纜區(qū)域相互抵消一部分，且電力電纜為屏蔽電纜，考慮到軌道交通隧道和市政隧道的屏蔽系數(shù)，即便是兩個隧道距離較近，平行長度較長，正常運行時在信號電纜上產(chǎn)生的縱向電動勢也遠小于60 V。

當電力電纜為高架線路時，與地下電力電纜相比，只少了電纜的屏蔽系數(shù)，但空氣介質的電導率低于大地介質的電導率，相距20 m時信號電纜上的感應電動勢也不會超過60 V[8]。

當電力電纜單相對屏蔽層短路時，瞬間短路電流較大，當電阻一定時，電流與電壓成正比，220 kV電纜的最大電流為10 kV電纜的22倍。

根據(jù)電磁學可知，真空中長載流導線附近的磁場強度為

(4)

式中：k為常數(shù),由電流頻率及試驗檢驗值確定；i為電流的有效值；r為感應電流與被感應導體間的距離。式(4)中的其他條件一定時，磁場強度與被感應點到電流的垂直距離成反比例關系，隨著感應導體與被感應導體間距的增大，磁場強度逐漸減小。因此考慮到兩個電纜隧道的屏蔽作用，在最不利的情況下，要求電力電纜與信號電纜相距20 m，這是為保證電力電纜在故障狀態(tài)下，信號電纜上產(chǎn)生的最大縱向感應電動勢不會超過430 V。

3.1.2高架線路信號電纜的防護

當高架線路的信號電纜與地下電力電纜相距較近時，同樣要考慮電力電纜對信號電纜的電磁干擾影響。根據(jù)以上分析，與地下隧道的信號電纜相比，在20 m的距離時，少了信號電纜隧道的屏蔽作用，但在電力電纜正常工作狀態(tài)下，信號電纜上產(chǎn)生的感應電動勢不會超過60 V；當電力電纜出現(xiàn)故障時，在信號電纜上感應的最大縱向感應電動勢小于430 V。

當高架線路的信號電纜與電力架空線路相距較近時，類比地下電力電纜與高架信號電纜的情況，少了電力電纜通道的屏蔽作用以及供電線三相因較大距離而引起的不對稱作用，電力電纜在正常工作狀態(tài)下，按20 m的間隔距離，當電力電纜正常運行時，信號電纜上產(chǎn)生的感應電動勢不會超過60 V；當電力電纜出現(xiàn)故障時，信號電纜上產(chǎn)生的最大縱向感應電動勢小于430 V。

3.1.3車輛段/停車場信號電纜的防護

車輛段/停車場一般在郊外地面，市政供電線路一般都是架空線路，由于電力供電線路都在車輛段/停車場的紅線以外，干線信號電纜與架空線路相距較近的平行距離較短，信號干線電纜一般敷設于車輛段/停車場內(nèi)的電纜槽內(nèi)，根據(jù)以上分析，當電力電纜與干線電纜相距為20 m時，不會超過信號電纜允許的感應電動勢。

3.2軌道電路的防護

城市軌道交通正線信號CBTC系統(tǒng)多采用計軸軌道電路，車輛段/停車場大多采用50 Hz交流相敏微電子單軌條軌道電路[9]。車輛段/停車場大多在郊外，市政供電線路也大多采用架空線路，雖然架空線路在車輛段/停車場的紅線以外，但由于軌道電路為工頻電流，與高架線路三相電線的距離較長，在軌道電路處產(chǎn)生的感應電動勢不對稱，會對車輛段/停車場的軌道電路產(chǎn)生一定的電磁干擾影響。軌道電路原理如圖1所示。

圖1　軌道電路原理

當軌道區(qū)段內(nèi)有列車占用，即軌道電路處于分路狀態(tài)時，附近的高架電力供電電線產(chǎn)生的磁場會使鋼軌產(chǎn)生感應電動勢，增大軌道繼電器線圈接收到的電壓值，有可能使繼電器變?yōu)槲馉顟B(tài)，將該軌道區(qū)段的狀態(tài)信息由有車占用變?yōu)闊o車占用，造成嚴重的安全事故。因此，當架空電力電線正常運行及發(fā)生單相短路故障時，需對車輛段/停車場軌道電路的影響進行定性分析。根據(jù)《單軌條50 Hz相敏軌道電路設計資料》，已知50 Hz相敏軌道電路的基本數(shù)據(jù)和參數(shù)為最大長度300 m、送電端二次側電壓有效值8.4 V、軌道繼電器端電壓12.5 V、最大軌道電路長度的鋼軌阻抗1.2∠43° Ω/km，受電端中繼變壓器變比為1 ∶20、道砟電阻率為0.6 Ω·km、軌道電路的分路電阻為0.15 Ω。在電力電纜正常工作狀態(tài)下，電力電線的工作電流為1 kA左右，考慮到與300 m的軌道電路平行，當列車完全占用在軌道電路內(nèi)時的等效電路如圖2所示。

圖2　等效電路

圖2中電路由道床電阻、變壓器線圈的電感和電阻、鋼軌的非線性阻抗、列車的輪對構成閉合回路，回路的最大面積為258 m2。根據(jù)電磁感應公式(1)和公式(3)可知，只要變壓器的一次側感應出大于0.65 V的電壓，就可能引起軌道繼電器的錯誤勵磁，導致丟車的不安全狀態(tài)。

當架空線路單相出現(xiàn)故障時，最大的入地暫態(tài)電流可達到50 kA，在其他條件不變的情況下，對軌道電路的電磁感應是電力線路正常工作狀態(tài)下的50倍。同時還要考慮瞬間電流可能通過信號電纜進入室內(nèi)后毀壞室內(nèi)設備的可能。

由于電磁場對軌道電路的干擾，沒有權威機構給出防護數(shù)據(jù)，也沒有理論計算公式可用。實際測量受諸多因素的影響，模擬故障狀態(tài)困難，因此，根據(jù)國鐵電氣化牽引區(qū)段的電力貫通線和2.5 kV AC接觸網(wǎng)對信號設備的電磁干擾防護策略，即電氣化區(qū)段采用避開工頻的25 Hz軌道電路及采用屏蔽電纜的做法，為保證車輛段/停車場信號設備的安全運行，提出以下防護方案：市政電力架空線路與車輛段/停車場軌道區(qū)域的邊緣距離大于或等于50 m；市政電力架空線路與車輛段/停車場軌道區(qū)域的邊緣距離小于50 m時，采用計軸軌道電路。

3.3室內(nèi)設備的防護

軌道交通信號設備用房包括控制中心、車站設備室、車輛段/停車場設備室等。由于信號設備是行車安全的重要設施，因此有必要分析市政電網(wǎng)的供電線路對信號室內(nèi)設備的電磁干擾影響。

根據(jù)英國標準EN 50121—4:2006Railwayapplications-Electromagneticcompatibility[10]中的相關規(guī)定，當信號設備室內(nèi)信號設備的輸入端口由交流電源提供時，信號設備的最大抗電磁干擾能力為100 A/m。為保證信號設備的穩(wěn)定運行，市政供電線路對信號設備室的最大電磁干擾允許值為100 A/m，同時還要考慮軌道交通內(nèi)部供電線路和設備工作時對信號設備電磁干擾的疊加。

根據(jù)公式(3)，在實際情況中，考慮到地下電力電纜所在隧道、地鐵隧道及設備房屋的屏蔽系數(shù)，當?shù)叵码娏﹄娎|或架空電線正常運行時，3根電纜或電線均會對地鐵信號設備室產(chǎn)生電磁干擾，而三相電纜或電線所通過的電流幅值相等，相位依次滯后120°。當電力線路距信號設備室20 m以上時，3根電力電纜或電線與地鐵信號設備室的距離基本相等，于是3根電纜或電線對地鐵信號設備室產(chǎn)生的電磁干擾疊加后將很小，不會影響信號設備室中各信號設備的正常運行。當電力電纜或電線發(fā)生單相接地故障時，三相電流不對稱，故障相電流很大并起主要作用，根據(jù)工程建設經(jīng)驗，在相距20 m以外，也不會對地鐵信號設備室內(nèi)的信號設備產(chǎn)生較大的電磁干擾。在今后的工程中根據(jù)新信號設備防雷要求，地面信號設備用房設置法拉第籠，因此對地面信號室內(nèi)設備的影響會很小。

車輛段/停車場的信號樓要求與電力架空線路的距離大于或等于50 m，而且信號樓設置綜合防雷結構，電力線路對車輛段/停車場信號室內(nèi)設備的影響就很小，同時由于間距較大，當電力線路對地短路時，流經(jīng)信號電纜或大地進入設備室的電流也就不會燒壞信號設備。

4結論

市政電網(wǎng)供電線路對信號系統(tǒng)的電磁干擾主要取決于供電線路正常工作的不對稱影響和故障暫態(tài)電流影響，都與環(huán)境條件等因素相關，目前沒有直接的計算公式來定量計算，現(xiàn)場測試也不能詳盡所有工況，而且測試點的通用性和普遍性不夠，也沒有權威部門發(fā)布的干擾防護標準，因此本文首先提出，軌道交通信號系統(tǒng)工程設計應考慮市政電網(wǎng)供電線路對信號設備的電磁干擾影響，其次根據(jù)電磁學公式和建設經(jīng)驗定性分析，總結市政電網(wǎng)供電線路對信號系統(tǒng)電磁干擾的保護方案。

1) 信號電纜的防護。軌道交通信號系統(tǒng)設備的干線電纜與市政電力供電線路的平行長度大于1 km時，間距應大于或等于20 m，否則考慮采用屏蔽電纜。

2) 軌道電路的防護。車輛段/停車場與市政電網(wǎng)架空線路的平行長度大于1 km時，間距應大于或等于50 m，否則車輛段/停車場的軌道電路不能采用50 Hz單軌條相敏軌道電路。

3) 信號室內(nèi)設備的防護。軌道交通正線的信號設備室和控制中心與市政電網(wǎng)的間距宜大于或等于20 m，車輛段/停車場的信號樓與市政電網(wǎng)的架空線路的間距宜大 于 或 等 于50 m。間距不滿足要求時，

正線地面或高架信號設備室以及車輛段/停車場的信號樓應采用法拉第籠設計。

參考文獻

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(編輯：王艷菊)

Influence and Protection of Municipal Power Grid on Urban Rail Transit Signal System

Wang Xiaobo1Zheng Shengquan2

(1. Zhejiang United Technology & Science Co., Ltd., Hangzhou 310051;2. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Comm & Signal Dep., Wuhan 430000)

Abstract:In view of compatibility requirements on electromagnetic environment of the power supply lines of municipal power grid and the EMC requirements on urban rail transit signaling system, the EMI impacts on the cable, tract circuit, and equipment in SER of signaling system are analyzed qualitatively when the municipal power grid is in normal and fault working status respectively by using the theoretical equations and the related project construction experience. The integrated plan and design concept of municipal infrastructure construction such as power grid and rail transit, etc. is proposed. To ensure the safety of rail transit operation, theoretical calculation and empirical data are used to find out the distance requirements to avoid the EMI impacts from the power supply lines on the signaling system and EMC protection solutions. When the main cable of rail transit signaling system parallels with power supply lines of more than 1km long, the separation distance must be more than 20m wide; otherwise, the shielding cable should be used; when the depot/yard parallels with municipal power aerial line of more than 1km long, the separation distance must be more than 50m wide; otherwise, the monorail 50Hz phase-sensitive track circuit cannot be adopted; the separation distance between the main line SER/OCC and municipal power aerial line must be more than 20m wide, and the separation distance between the SER of depot/yard and municipal power aerial line should be more than 50m wide.

Key words:urban rail transit; municipal power grid; power supply line; signaling system; EMC; protection design

doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2016.03.026

收稿日期:2015-11-24修回日期: 2016-01-30

作者簡介:王嘯波，男，碩士研究生，工程師，從事軌道交通信號系統(tǒng)總承包工作，wangxiaobo@unitedmne.com

中圖分類號U231.7

文獻標志碼A

文章編號1672-6073(2016)03-0114-05