黃磊李晨陳庭記李雪張瑞永吳述關

地鐵隧道內(nèi)敷設高壓電纜的工頻磁場特性分析*

黃磊1李晨2陳庭記2李雪2張瑞永3吳述關3

（1.東南大學電氣工程學院，210096，南京；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司南京供電公司，210019，南京；3.中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，210036，南京//第一作者，講師）

分析地鐵隧道內(nèi)敷設的220 V高壓電纜對地鐵電力、通信與信號等設備的工頻磁場影響。首先，采用有限元法建立地鐵隧道內(nèi)敷設的220 V高壓電纜及隧道結構的二維仿真模型，分析電纜正常工作和發(fā)生故障運行時的磁場分布，以及對通信線路、直流牽引供電線路、鋼軌等產(chǎn)生的感應電動勢波形及影響；然后，提出相應的工頻磁場削弱方法，并進行二維有限元仿真分析。結果表明，采用隧道電纜排列和屏蔽設計可有效地減少工頻磁場對公共地鐵隧道的干擾。為了驗證分析結果的正確性，對實際隧道內(nèi)220 V電纜的磁場進行了測量，測試結果與仿真結果一致。

地鐵隧道；高壓電纜；工頻磁場；電磁屏蔽；有限元法

First-author′s addressSchool of Electrical Engineering，Southeast University，210096，Nanjing，China

近年來，城市核心區(qū)高壓輸電線路要求以電纜型式敷設，導致城市地下電力通道建設規(guī)模迅速增長，使得高壓電力電纜建設面臨著選線難、成本高、周期長的困難。另外，部分城市存在過江或過海敷設電纜的要求，使得單個通道建設成本高達數(shù)億或者數(shù)十億元人民幣，且江、河、湖、海等地質(zhì)情況復雜，通道建設存在相當多不確定因素，建設風險很高。

因此，利用市政公用隧道敷設高壓電纜在世界范圍內(nèi)已經(jīng)被廣泛采用，尤其是隨地鐵隧道敷設過江、過海高壓電纜得到廣泛關注［1-2］。隨著我國近年來城市軌道交通大規(guī)模地規(guī)劃與建設，利用地鐵隧道內(nèi)富余空間敷設高壓電纜已顯示出具有廣闊的發(fā)展前景。

然而，地鐵交通與高壓輸電分屬于不同的公共服務領域，地鐵隧道內(nèi)敷設高壓電纜除了需滿足各自的安全要求外，還需滿足兩者相互影響帶來的其他安全要求。混合敷設隧道的安全要求比專用隧道的安全要求更加苛刻。由于高壓電纜敷設在狹小的地鐵隧道空間里，當高壓電纜正常工作時,會在周圍空間產(chǎn)生工頻電磁場［3］。尤其是磁場可以在其他物體(包括人體)上產(chǎn)生感應電壓,這可能會對地鐵設備及乘客造成不同程度的干擾和危害［4-5］。特別是當高壓電纜發(fā)生短路故障時,短路電流可能達到數(shù)萬A，如此強的交變電流會產(chǎn)生強度很高的交變磁場,可能會導致各種設備故障的發(fā)生。

目前，對于輸電架空線路的電磁干擾研究較多，且已經(jīng)建立了相對完善的評價方法和標準［6-8］，但對地鐵隧道內(nèi)敷設高壓電纜可能造成對地鐵設備的電磁干擾研究較少。因此，本文針對地鐵隧道內(nèi)敷設高壓電纜的工頻電磁特性開展研究。以南京某地鐵過江隧道為例，分析隨地鐵隧道敷設的高壓電纜對地鐵通信線路和供電系統(tǒng)的影響，并通過實際電纜隧道內(nèi)的電磁場測量，驗證分析結果的正確性。根據(jù)研究結果，提出隨地鐵隧道敷設的高壓電纜會產(chǎn)生的安全問題及其解決方向，為今后地鐵隧道內(nèi)敷設高壓電纜提供理論依據(jù)。

1 電磁模型建立

1.1 基本結構

圖1為南京某過江雙線地鐵隧道內(nèi)敷設高壓電纜的基本結構。

圖1 地鐵隧道內(nèi)敷設高壓電纜結構圖

由圖1可知，利用雙線地鐵隧道下部空間敷設高壓電纜不僅可實施性強，且可節(jié)約大量建設成本。但由于在地鐵隧道中存在著地鐵交流供電電纜、直流牽引供電系統(tǒng)和通信電纜，他們與高壓電纜之間存在電場和磁場的疊加及干擾，因此，需要對隨地鐵隧道敷設的高壓電纜工頻電磁特性及其影響進行電磁場分析。

1.2 有限元分析模型

忽略列車及其運動的影響（不存在運動物體），采用二維瞬態(tài)有限元建立電磁場模型。根據(jù)麥克斯韋公式，二維瞬態(tài)有限元計算公式如下：

式中：

▽——矢量微分算子；

式中：

B——磁通密度；

I——導線電流；

r——所分析點距導線的距離。

本文采用二維有限元建立了地鐵隧道的電纜電磁仿真模型。模型及剖分情況如圖2所示。對于軌道、直流供電線、35 kV電纜、通信線路和交流電纜進行了進一步的細化剖分。

A——磁矢位；

μ——磁導率；

φ——標量電位；

σ——電導率；

JS——等效表面電流密度。

對單獨電纜的作用，可采用以下公式直接計算：

圖2 混合敷設隧道內(nèi)部二維有限元模型及剖分

2 仿真及影響分析

2.1 電磁仿真及磁場分布

考慮敷設電纜的最大可行性，隧道內(nèi)高壓交流電纜為220 kV電纜，采用2 500 mm2的電纜（見圖3）。其敷設方式采用單回路垂直排列方式，電纜的正常工作電流為1 470 A，嚴重故障最大短路電流按照15 kA計算。地鐵供電線路采用1 500 V直流供電，35 kV交流電纜線的正常工作電流為500 A。

在輸電電纜中，發(fā)生單相短路是最為常見的，而且?guī)е芯€點的單相對地短路時，其帶故障運行時間允許最長可達到2 h。當離軌道最近的電纜發(fā)生單相短路時是最為嚴重的故障事故，此時對地鐵隧道的影響最為嚴重。為此，對正常和發(fā)生單相短路下的磁場分布進行了仿真分析，磁場分布圖如圖4、圖5所示。

圖3 隧道內(nèi)高壓電纜結構圖

圖4 高壓電纜正常供電時磁場分布

圖5 高壓電纜短路故障時的磁場分布

從圖4、圖5中可以看出,在電纜正常運行時，位于地鐵隧道空間內(nèi)的磁場基本范圍在10～200 μT，通信線路處的磁場約為10μT。當離隧道底部距離大于0.8 m以上時，磁場基本小于100μT，站臺、轎廂等主要公共空間位置的磁場均小于100 μT，這符合國際非電離輻射防護委員會（I CNIRP）規(guī)定的公眾暴露限值為100μT的基本限值。

一旦發(fā)生電纜短路故障，位于地鐵隧道空間內(nèi)的磁場達到40～800μT，通信線路處的磁場為80 T左右。當距隧道底部0.7 m以上時，磁場小于500 μT，只有當距隧道底部4 m以上時，磁場才減弱到ICNIRP規(guī)定的公眾暴露限值100μT。

基于以上仿真結果可知，乘客集中的公共空間位于距隧道底部1～3 m的范圍內(nèi)，在發(fā)生電纜短路時，磁場強度超出了公共空間內(nèi)磁場的限定值。因此，根據(jù)磁場對人體影響和規(guī)定，需要對隨地鐵敷設高壓交流電纜采取低頻磁場防護措施。

2.2 感應電動勢及其影響分析

除了磁場對直接暴露于磁場中的人體產(chǎn)生影響之外，對于通信線路、直流牽引供電線路及地鐵軌道也將產(chǎn)生影響，其主要的影響和危害是高壓交變電流產(chǎn)生的交變磁場會在與其平行敷設的通信線路和供電線路及軌道中產(chǎn)生感應電動勢。平行線路越長、距離越近，感應電動勢越大。當感應電動勢達到一定程度時，勢必對通信線路和供電線路及軌道電位造成干擾和影響。感應電動勢可表示為：

式中：

l——導體長度；

Sf——導體截面積；

Ω——導體截面積。

高壓電纜正常帶載工作時和發(fā)生單相短路故障時的感應電動勢如圖6和圖7所示。

對于通信線路，正常通信導線上的縱向電動勢容許值為有效值（60 V）。電纜心線上的縱向電動勢容許值為電纜直流試驗電壓的60%，或交流試驗電壓的85%。對于市內(nèi)通信線路的試驗耐壓值為500 V，因此，其縱向電動勢限制為300 V。由圖6可知，正常狀態(tài)時在通信線路上存在有效值8 V/km的感應電動勢，在軌道列車供電端和直流供電線上也存在感應電動勢。由圖7可知，當高壓電纜發(fā)生單相短路故障時，通信線路上存在有效值100 V/km的感應電動勢，因此，隨地鐵隧道敷設高壓電纜，如果共同敷設縱向距離超過2.5 km，其影響不可忽略，必須采取防護措施。

圖6 高壓電纜正常工作時縱向感應電動勢

圖7 高壓電纜單相短路故障時縱向感應電動勢

對于直流供電線路，當高壓電纜正常運行時，在直流供電線與軌道間（列車供電端）會產(chǎn)生一個疊加交流電動勢，造成±30 V/km的交流電壓波動。當高壓電纜發(fā)生短路故障時，電機直流側的波動更為明顯，波動范圍更大。地鐵供電系統(tǒng)要求其直流電壓波動范圍為±300 V，而高壓電纜發(fā)生短路故障時，其電壓波動為±400 V/km。因此，當機車行駛離接地點超出750 m，直流供電電壓的波動超出其允許范圍。實際運行中列車離接地點最大距離可達3 km以上，因此，直流側縱向感應電動勢超出規(guī)定值，必造成列車輸出轉矩脈動，形成電機的振動，影響電機壽命和列車平穩(wěn)度，必須采取措施降低直流供電線路的縱向感應電動勢。

對于軌道電位，由于高壓電纜造成軌道感應電動勢，軌道電位將發(fā)生變化（尤其是在地鐵過江、過海段無法實現(xiàn)隧道內(nèi)良好接地，只能在端部站點接地），許多和軌道接地連接的弱電設備運行穩(wěn)定性會受影響，同時也影響人身安全。

3 減少工頻磁場干擾的方法

對于隧道內(nèi)敷設電纜產(chǎn)生的工頻磁場問題，最直接的方式是增大通信線路、直流牽引供電線路、走行軌等與電纜線的距離，但這將改變原有隧道的設計結構，這顯然是不可行的?？尚械姆绞绞歉淖児╇娋€路的排列方式和增加屏蔽層。

高壓電纜有3種主要排列方式:正三角排列、等腰直角三角排列和平行排列。理論上采用正三角排列時周圍磁場最小，因為按正三角排列其三相幾何對稱性最好,使電纜外部場點到三相之間的距離差最小，形成的磁場疊加而趨于平衡。因此，首先對正三角排列的電纜磁場進行仿真分析，圖8是按照正三角排列時的磁場仿真分布圖。

圖8 電纜正三角形排放正常供電時磁場分布

從圖8可以看出，在高壓電纜正常工作時，位于地鐵隧道空間內(nèi)的磁均大小范圍是1.5～40μT，通信線路處的磁場大小約為4μT。采用三角排列可有效降低高壓電纜正常工作時的工頻磁場影響。

表1 3種高壓電纜排列上方沿豎直線的磁場分布μT

此外，為了對比3種電纜排布方式下的磁場分布情況，通過仿真獲得3種分布情況下的高壓電纜正常和短路故障時上方隧道空間沿同一豎直線的磁場分布，其結果如表1所列。

由表1可以看出，盡管三角形排列方式對高壓電纜短路情況下優(yōu)勢不大，但整體來看，無論是在正常工作或者是最嚴重的單相短路（最靠近地鐵隧道位置的電纜單相短路）時，其高壓電纜在地鐵隧道內(nèi)產(chǎn)生的磁感應強度均是3種排列方式中最小的。

對于高壓電纜短路故障形成的工頻磁場最為有效的減少方法是屏蔽。屏蔽方式可采用隧道結構屏蔽或電纜外裝屏蔽盒。外裝屏蔽盒會降低電纜的散熱調(diào)節(jié)，同時會在屏蔽材料內(nèi)產(chǎn)生渦流、增大溫升，這勢必會影響電纜的載流量。對于結構屏蔽，可考慮在隧道電纜溝和地鐵軌道間直接敷設金屬屏蔽層。金屬屏蔽主要方式包括采用導磁性能材料（如鋼）改變磁路和采用導電性能材料（如鋁）形成渦流來抵消原磁場。

由于屏蔽層靠近磁場源，采用導電材料屏蔽損耗較大，發(fā)熱嚴重，效率和穩(wěn)定性均會降低，因此，本文采用導電性小的不銹鋼作為屏蔽層材料。圖9、圖10為增設3～5 mm不銹鋼板后的高壓電纜單相短路時磁場分布云圖和感應電動勢。

圖10 增加屏蔽層后高壓電纜短路故障縱向感應電動勢

由圖9、圖10可知，由于屏蔽層的作用，隧道空間內(nèi)的磁感應大大減少，其磁感應強度均小于100 μT的安全規(guī)定值，達到了人體安全要求；同時，直流供電線路縱向感應電動勢也大為減少，為未加屏蔽層時的10%；若達300 V的波動限定值，需要列車運行離開接地點7 km以上，但目前地鐵站間距一般在3 km左右，因此，采用最常用的站點接地情況下，直流供電線路電壓波動遠小于限定值要求。

4 隧道內(nèi)實測分析

為驗證以上對地鐵內(nèi)敷設高壓電纜分析的正確性，在南京市某一敷沒有220 kV電纜的地鐵隧道進行了磁場測量，并與仿真結果進行了對比分析。該高壓電纜為雙母線雙邊垂直布線，相間距為50 cm，具體布線結構和測點分布如圖11所示。

圖11 隧道內(nèi)高壓電纜排布和測點分布

采用有限元法建立隧道內(nèi)電纜的電磁場二維模型，設定雙向回路電流均為1 470 A時，其磁場分布云圖如圖12所示。

圖12 實測隧道內(nèi)電磁場分布云圖

采用磁場測量儀器PMM8053A完成了隧道內(nèi)各點工頻電磁場測量，其測量結果和仿真結果對比如表2所示。

表2 隧道內(nèi)工頻電磁場實測平均值與仿真值對比

從表2和圖12中可以看出，磁場分布與測量值基本吻合，從側面驗證了對于隨地鐵敷設高壓電纜的磁場分布計算結果。在每根高壓電纜周圍具有屏蔽金屬，電纜外部電場很小，幾乎接近于零，地鐵隧道內(nèi)的電場主要產(chǎn)出于直流供電線路和地鐵軌道，此時電場強度很小，不會對人體造成任何影響，主要影響為工頻磁場的影響。

5 結語

采用二維有限元建立了敷設有高壓電纜的地鐵隧道內(nèi)電磁場二維模型，對電纜所產(chǎn)生的工頻磁場進行了評估，并通過隧道內(nèi)實際感應磁場強度測量驗證了仿真結果的正確性。計算和分析結果顯示：

（1）正常工作時，隧道內(nèi)空間磁場符合公眾場合磁場暴露限值要求；當時當高壓電纜發(fā)生短路故障時，乘客集中的公共空間未滿足ICNIRP規(guī)定的公眾暴露限值小于100μT的要求。

（2）工頻磁場在通信線路、直流供電線路和軌道上產(chǎn)生縱向感應電動勢。當隧道長度超過一定值后將影響地鐵通信，引發(fā)牽引電機振動、軌道電位變化等問題，尤其是發(fā)生短路故障時，共同敷設的縱向距離一旦超過2.5 km，感應電動勢將會超出通信線路相關限定值。當列車離開接地點超過0.75 km時，供電線路感應電壓波動超出了相關限定值。

（3）通過改變電纜線的排布方式可減少高壓電纜正常工作時的磁感應強度，通過增設屏蔽層可大幅減少正常和故障下的工頻磁場干擾。此時，公共空間磁場、通信線路感應電動勢、直流供電線路感應電動勢均可達到相關規(guī)定要求。

［1］遲福建，張建海.公共隧道敷設高壓電纜的關鍵技術研究［J］.天津電力技術，2011（2）：6-10.

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華中首條現(xiàn)代有軌電車線路投入運營

7月28日，華中首條現(xiàn)代有軌電車線路——湖北省武漢市有軌電車T1線開通運營。T1線全長17 km，單程用時52 min，預計日均客流量為1.0萬～1.2萬人次。T1線設站23座，平均站距690 m，車輛車長37 m，每列車為4節(jié)編組，最大載客量為360人，票價2元。乘客可使用武漢通、銀聯(lián)卡閃付、現(xiàn)金支付等3種方式購票，其中刷武漢通、銀聯(lián)卡均享9折優(yōu)惠。據(jù)了解，T1線沿線有36個平交路口，目前有一半的路口可以實現(xiàn)通行信號方面的“絕對優(yōu)先”。對其他路口，武漢公交部門將與公安交管部門溝通，結合3個月的實際運營情況，協(xié)調(diào)讓有軌電車享受“路權優(yōu)先”。

（摘自2017年8月1日《中國交通報》，記者楊麗芳、方慶報道）

Analysis of High-voltage Cable Power Frequency Magnetic Filed Performance in Subway Tunnel

HUANG Lei，LI Chen，CHEN Tingji，LI Xue，ZHANG Ruiyong，WU Shuguan

The influence of magnetic field caused by 220kV high-voltage cable in subway tunnel over metro power，communications and signaling devices is analyzed.Firstly，a 2D simulation model of 220kV high-voltage cable and the tunnel structure is established by using finite element method(FEM)，the magnetic field distributions under normal condition and fault condition，the influence of 220kV high-voltage cable on communication lines，on DC traction current supply system and subway track are analyzed.Secondly，corresponding methods to weaken the power frequency magnetic field are proposed，a 2D finite element simulation analysis is conducted. All the results show that the power frequency magnetic field disturbances are obviously reduced by using cable array in tunnel and the shielding design methods.Lastly，to verify the correctness of the analytic results，a practical 220kV cable tunnel is measured，the data obtained are consistent with that of the simulation.

subway tunnel；high-voltage cable；power frequency magnetic filed；electro-magnetic shield；finite element method

U228.2：U231

10.16037/j.1007-869x.2017.08.015

2015-10-11）

*國家電網(wǎng)江蘇電力公司重點科技項目（J2015053）