楊立新 張喜海 戴麗君

(1.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，300251,天津; 2.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，210031，南京//第一作者，教授級(jí)高級(jí)工程師)

交流電氣化鐵路供電系統(tǒng)采用單相工頻交流電，其接觸網(wǎng)額定電壓為25 kV。城市軌道交通線(xiàn)路一般采用直流供電方式，牽引供電系統(tǒng)為1 500 V(或750 V)架空接觸網(wǎng)(或接觸軌)供電。隨著我國(guó)快速鐵路網(wǎng)的逐步形成及城市軌道交通的迅猛發(fā)展，城市軌道交通與高速鐵路不可避免地通過(guò)在有限的城市區(qū)域內(nèi)共用交通走廊來(lái)實(shí)現(xiàn)換乘，因此，越來(lái)越多的地段出現(xiàn)了交流電氣化鐵路和直流城市軌道交通線(xiàn)路近距離并行的情況。當(dāng)兩線(xiàn)近距離平行架設(shè)時(shí)，交流牽引供電系統(tǒng)對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生電磁感應(yīng)影響，其通過(guò)電容耦合及電感耦合作用在直流供電系統(tǒng)設(shè)施上[1]；為確保線(xiàn)路安全正常運(yùn)行，直流系統(tǒng)電壓需控制在1 000～1 800 V(或500～900 V)國(guó)標(biāo)范圍內(nèi)，鋼軌電位需控制120 V以?xún)?nèi)。交流系統(tǒng)與鐵路直流供電系統(tǒng)互相干擾問(wèn)題一旦出現(xiàn)，將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的運(yùn)營(yíng)安全隱患，甚至導(dǎo)致列車(chē)不能正常運(yùn)行。據(jù)調(diào)研，在我國(guó)某些車(chē)輛制造工廠的試驗(yàn)線(xiàn)項(xiàng)目中，為節(jié)約土地，交、直流試驗(yàn)線(xiàn)均緊鄰布置，導(dǎo)致線(xiàn)路運(yùn)行過(guò)程中兩系統(tǒng)相互干擾影響而出現(xiàn)某些不正常故障，目前影響程度尚無(wú)明確結(jié)論和有效治理措施。

1 交流牽引供電系統(tǒng)對(duì)直流供電系統(tǒng)的影響分析

交流制式電氣化鐵路與直流制式城市軌道交通并行運(yùn)行，當(dāng)交流電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)帶電運(yùn)行時(shí)，形成一個(gè)巨大的電磁系統(tǒng)，對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生電磁影響。一方面，交流牽引網(wǎng)帶電時(shí)在其周?chē)臻g將產(chǎn)生一個(gè)工頻高壓電場(chǎng)，通過(guò)靜電感應(yīng)在鄰近的城市軌道交通直流牽引網(wǎng)導(dǎo)體上產(chǎn)生對(duì)地靜電感應(yīng)電壓；另一方面，交流牽引網(wǎng)導(dǎo)體中的交流電流在周?chē)臻g中建立很強(qiáng)的交變磁場(chǎng)，通過(guò)電磁感應(yīng)在鄰近直流牽引網(wǎng)導(dǎo)體上產(chǎn)生沿線(xiàn)路方向的縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如圖1所示。

圖1 交、直流牽引網(wǎng)電磁影響示意圖

1.1 對(duì)直流供電系統(tǒng)設(shè)備的影響

直流接觸網(wǎng)(軌)空載狀態(tài)下，直流電壓與交流干擾電壓疊加后，有可能產(chǎn)生危險(xiǎn)過(guò)電壓(以DC 1 500 V為例，受干擾后峰值計(jì)算電壓可達(dá)到7 000 V)，這樣極有可能會(huì)危及控制和保護(hù)電纜、直流饋電電纜的安全運(yùn)行以及直流系統(tǒng)整流器等設(shè)備的正常使用，從而造成避雷器頻繁放電、保護(hù)裝置跳閘，甚至是對(duì)電壓敏感元件的電擊穿等一系列故障。

直流接觸網(wǎng)(軌)負(fù)載狀態(tài)下，感應(yīng)電壓可能大幅度降低，可能導(dǎo)致測(cè)量誤差增大、繼電保護(hù)誤動(dòng)等故障。

1.2 對(duì)直流供電系統(tǒng)車(chē)輛的影響

現(xiàn)代城市軌道交通車(chē)輛采用交流傳動(dòng)技術(shù)，交流供電系統(tǒng)的感應(yīng)電壓一般不會(huì)導(dǎo)致其電力電子元件發(fā)生損害，但是城市軌道交通車(chē)輛上對(duì)電壓敏感的元件可能會(huì)被損壞。又因用于控制和保護(hù)交流供電系統(tǒng)設(shè)備的工作電源也是直接從受干擾的直流接觸網(wǎng)(軌)獲取的，直流電源由于受到交流電干擾，其電壓波形疊加了交流成分，再加上對(duì)電磁兼容考慮不周時(shí)可能會(huì)對(duì)控制和保護(hù)回路造成干擾，從而導(dǎo)致交流供電系統(tǒng)發(fā)生不明原因的故障。

1.3 對(duì)運(yùn)營(yíng)維修的影響

考慮到鐵路交流供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)帶電運(yùn)行時(shí)，城市軌道交通直流供電系統(tǒng)部分設(shè)備(如牽引網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)電纜、接地扁鋼等)處于鐵路交流牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)中，將通過(guò)靜電耦合和磁耦合在其周?chē)髌叫袑?dǎo)線(xiàn)上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，夜間檢修時(shí)由于缺少電流導(dǎo)通通路，對(duì)城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)檢修人員的安全產(chǎn)生一定影響。

總之，交流電氣化鐵路線(xiàn)路在運(yùn)行時(shí)會(huì)在相鄰的直流接觸網(wǎng)(軌)產(chǎn)生電場(chǎng)感應(yīng)和電磁感應(yīng)，感應(yīng)電壓疊加后有可能產(chǎn)生危險(xiǎn)過(guò)電壓，對(duì)變電所、接觸網(wǎng)、車(chē)輛設(shè)備等帶來(lái)一定的危害。根據(jù)調(diào)研和相關(guān)資料介紹，目前最嚴(yán)重的情況是偶爾引起車(chē)輛保護(hù)跳閘，但并未發(fā)現(xiàn)燒損現(xiàn)象；而對(duì)于一些重要的運(yùn)輸干線(xiàn)，應(yīng)更多考慮其對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的影響。交流牽引供電系統(tǒng)對(duì)運(yùn)營(yíng)維修的影響目前僅處于科研立項(xiàng)研究階段，尚無(wú)結(jié)論性意見(jiàn)，相信這也是未來(lái)行業(yè)研究和關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

1.4 直流走行軌感應(yīng)電壓及其影響分析

考慮到直流走行軌與大地完全絕緣，電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)均會(huì)對(duì)鋼軌產(chǎn)生影響。為解決雜散電流的腐蝕問(wèn)題，直流系統(tǒng)走行軌采用與大地絕緣的安裝方式。盡管上述理論可以計(jì)算直流走行軌產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，但實(shí)際上直流系統(tǒng)走行軌與大地之間存在可以導(dǎo)通交流電的分布電容和漏泄電阻，更重要的是直流系統(tǒng)設(shè)置了軌電位限制器，當(dāng)軌電位超過(guò)安全電壓允許的90 V時(shí)系統(tǒng)發(fā)生動(dòng)作，將危險(xiǎn)電壓泄放到大地[3]，因此一般情況下直流走行軌的感應(yīng)電壓不會(huì)對(duì)人身和設(shè)備造成危害。目前，既有的交直流試驗(yàn)線(xiàn)尚未有直流系統(tǒng)走行回流軌受交流接觸網(wǎng)干擾的相關(guān)消息和報(bào)道。

2 交流感應(yīng)電壓的防范措施

由前述研究可知，若兩種制式下的鐵路電力機(jī)車(chē)和城市軌道交通列車(chē)不同時(shí)運(yùn)行，只需做好相關(guān)設(shè)備的接地則可有效控制并避免相互干擾問(wèn)題，否則必須采取必要的措施以解決相互干擾的問(wèn)題。解決上述問(wèn)題的主要原則和方法是“堵”和“疏”，“堵”就是應(yīng)用法拉第電籠概念將干擾源封閉在電籠內(nèi)，或是將受干擾設(shè)備封閉在電籠內(nèi)；“疏”則是將受干擾設(shè)備上的干擾電壓泄放到大地。

經(jīng)計(jì)算及工程實(shí)際調(diào)研，交流和直流牽引供電系統(tǒng)并行區(qū)段水平距離在20 m范圍內(nèi)的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)可對(duì)線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生一定影響，因此提出以下技術(shù)方案。

2.1 直流系統(tǒng)相應(yīng)設(shè)施接地

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，對(duì)交流和直流兩種制式下列車(chē)同時(shí)運(yùn)行的工況進(jìn)行實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，交流線(xiàn)路確實(shí)對(duì)直流線(xiàn)路產(chǎn)生影響。因此需通過(guò)調(diào)整運(yùn)營(yíng)組織和運(yùn)行圖，使得同一時(shí)間段內(nèi)僅進(jìn)行一種制式下列車(chē)的運(yùn)行，但這種方式對(duì)線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)影響極大。因此，可考慮采取如下措施，即當(dāng)感應(yīng)電壓超過(guò)要求值后，將城市軌道交通直流系統(tǒng)相應(yīng)設(shè)施接地。該措施僅可滿(mǎn)足試驗(yàn)線(xiàn)路的需求，并不能應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路并行、線(xiàn)路距離較近且可能產(chǎn)生較大感應(yīng)電壓的實(shí)際線(xiàn)路工程。

2.2 電磁屏蔽

金屬導(dǎo)線(xiàn)、金屬結(jié)構(gòu)的兩端或者多點(diǎn)接地對(duì)磁場(chǎng)均有一定的屏蔽作用，可在一定程度上降低磁影響。電磁屏蔽是解決磁影響問(wèn)題的重要抑制措施之一。工程上通常采用良導(dǎo)體架空地線(xiàn)、架設(shè)在電信線(xiàn)路附件的屏蔽地線(xiàn)、電力或電信電纜的金屬護(hù)套，以及金屬管線(xiàn)和鐵軌等來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽。若交流輸電線(xiàn)路或被感應(yīng)線(xiàn)路附近存在平行的接地屏蔽線(xiàn)(見(jiàn)圖2)，此時(shí)被感應(yīng)線(xiàn)路上產(chǎn)生的感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)為交流線(xiàn)路和屏蔽線(xiàn)各自感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)的合成，這將能降低被感應(yīng)線(xiàn)路上的電壓。

圖2 屏蔽線(xiàn)相對(duì)位置示意圖

在實(shí)際工程中，可采用線(xiàn)間立柱增設(shè)屏蔽網(wǎng)(回流線(xiàn))方案，該方案是不完全封閉的法拉第電籠方案。

2.3 設(shè)置感應(yīng)電壓吸收裝置

根據(jù)電磁感應(yīng)電壓生成原理，在直流側(cè)接觸網(wǎng)上設(shè)置感應(yīng)電壓吸收裝置。該裝置的工作原理為：當(dāng)交流側(cè)帶電，懸空直流接觸網(wǎng)的靜電感應(yīng)與電磁感應(yīng)的危險(xiǎn)電壓就會(huì)通過(guò)感應(yīng)電壓吸收裝置將交流感應(yīng)電壓泄放至大地中。該裝置主要由開(kāi)關(guān)、熔斷器、陷波支路及電壓、電流互感器、監(jiān)控裝置等組成，能夠?qū)ń涣麟娏魍瑫r(shí)阻止直流電流通過(guò)，其示意如圖3所示?？紤]到設(shè)備的可靠性，建議在一個(gè)供電臂內(nèi)設(shè)置兩套感應(yīng)電壓吸收裝置，其安裝示意如圖4所示。

圖3 感應(yīng)電壓吸收裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 感應(yīng)電壓吸收裝置安裝示意圖

3 感應(yīng)電壓吸收裝置試驗(yàn)測(cè)試

3.1 感應(yīng)電壓計(jì)算

3.1.1 靜電感應(yīng)電壓

交流電氣化接觸網(wǎng)靜電感應(yīng)電壓是一個(gè)工頻交流電壓，它由交流接觸網(wǎng)、直流接觸網(wǎng)位置、周邊屏蔽物以及干擾源交流電壓等因素決定，與交流線(xiàn)路接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)是否存在負(fù)荷無(wú)關(guān)[2]。

鄰近受干擾導(dǎo)體的靜電感應(yīng)電壓uT計(jì)算公式為：

(1)

式中：

a——交流線(xiàn)路接觸網(wǎng)與城市軌道交通線(xiàn)路接觸網(wǎng)間的垂直距離，m；

b，c——分別為交流線(xiàn)路接觸網(wǎng)和城市軌道交通線(xiàn)路接觸網(wǎng)距離地面的高度，m；

uC——交流牽引網(wǎng)電壓，取25 kV；

RC——接觸線(xiàn)的等效半徑,mm；

k——靜電感應(yīng)常數(shù)，考慮到承力索的作用，單線(xiàn)k取0.4，復(fù)線(xiàn)k取0.6；

p——架空回流線(xiàn)屏蔽系數(shù)。

3.1.2 電磁感應(yīng)電壓

電磁感應(yīng)電壓uA的計(jì)算公式為：

uA=jωMJAIJlpλgλh

(2)

式中:

ω——角頻率，ω=2πf；

MJA——交、直流接觸線(xiàn)之間的單位互感；

IJ——接觸網(wǎng)中的電流；

lp——兩接觸線(xiàn)之間的平行長(zhǎng)度；

λg——考慮鋼軌—大地回路的反磁效用的鋼軌屏蔽系數(shù)，一般單線(xiàn)可取0.47；

λh——架空線(xiàn)屏蔽系數(shù)。

在進(jìn)行工程計(jì)算時(shí)，可將Carson公式代入式(2)，得到：

uA=[0.05+0.144 5lg(Dg/dJA)j]IJlpλgλh

(3)

式中：

Dg——導(dǎo)線(xiàn)—大地回路等值深度，m；

dJA——交直流接觸線(xiàn)的平行接近距離，m。

3.2 測(cè)試試驗(yàn)

3.2.1 靜電感應(yīng)

測(cè)試試驗(yàn)電路如圖5所示，將導(dǎo)線(xiàn)1、2通過(guò)絕緣子分別架設(shè)于固定裝置上，以連接測(cè)試用儀器和儀表的電源和信號(hào)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)1、2離地面高度均為1 m。導(dǎo)線(xiàn)1通過(guò)開(kāi)關(guān)K11和K12接于27.5 kV交流電源，并通過(guò)開(kāi)關(guān)K2控制感應(yīng)電壓調(diào)整器的接入與斷開(kāi)。

圖5 靜電感應(yīng)電壓測(cè)試電路示意圖

3.2.2 電磁感應(yīng)

電磁感應(yīng)電壓測(cè)試電路如圖6所示。圖6中，導(dǎo)線(xiàn)1、2通過(guò)絕緣子分別架設(shè)于固定裝置上，從而連接測(cè)試用儀器和儀表的電源和信號(hào)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)1、2離地面高度均為1 m。導(dǎo)線(xiàn)1通過(guò)開(kāi)關(guān)K11和K12接于230 V交流電源，通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)KA測(cè)量另一端的感應(yīng)電壓，并通過(guò)K2控制感應(yīng)電壓調(diào)整器的接入與斷開(kāi)。調(diào)節(jié)調(diào)壓器和變阻器R，使得通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)1的電流為400 A。為降低與導(dǎo)線(xiàn)1連接的導(dǎo)線(xiàn)造成的干擾，應(yīng)使d盡量大。

圖6 電磁感應(yīng)電壓測(cè)試電路示意圖

3.3 計(jì)算結(jié)果及測(cè)試結(jié)果

感應(yīng)電壓吸收裝置接入前后兩導(dǎo)線(xiàn)在不同dJA條件下的靜電感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電壓如表1～2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)前述分析可知，交流制式電氣化鐵路與直流制式城市軌道交通并行運(yùn)行，可對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生電磁影響，其危害程度需要進(jìn)行具體分析，并進(jìn)行相應(yīng)的防護(hù)和治理。本文提出3種解決方案，其中不采取任何措施，僅依據(jù)線(xiàn)路運(yùn)行中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)圖或視影響干擾情況確定是否接地的方案，難以在實(shí)際工程中實(shí)施，風(fēng)險(xiǎn)亦較高；電磁屏蔽方案可實(shí)施性較高，但不能保證完全濾除干擾電壓,而且景觀性較差；感應(yīng)電壓吸收裝置綜合性?xún)r(jià)比最高，對(duì)工程、景觀均無(wú)影響，且投資較小，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知,該方案可以較好地降低感應(yīng)電壓，但目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路應(yīng)用的先例，需要進(jìn)一步跟蹤其進(jìn)展。本文針對(duì)交直流干擾問(wèn)題提出可以借鑒的解決方案，以期在今后的交直流干擾問(wèn)題的處理中發(fā)揮應(yīng)有的作用，同時(shí)在類(lèi)似的工程設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合不同的邊界條件，在采用推薦治理措施后必須進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證，以確保牽引供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

表1 感應(yīng)電壓吸收裝置接入前后兩導(dǎo)線(xiàn)在不同dJA條件下的靜電感應(yīng)電壓

表2 感應(yīng)電壓吸收裝置接入前后兩導(dǎo)線(xiàn)在不同dJA條件下的電磁感應(yīng)電壓