电化区段信号电缆接地与烧损预防措施探讨

时间：2024-07-28

李长征

（中国铁路通信信号股份有限分司北京工程分公司，北京 100070）

随着铁路运输的发展，列车重量及列车速度不断增加，牵引供电电流也随之增加，特别是信号专业设置贯通地线后，牵引回流烧毁信号电缆的事故时有发生，对信号设备造成的影响也越来越大,严重影响了铁路运输的正常秩序。针对近年来各铁路局先后发生多起信号电缆烧损的事件作分析探讨。

1 信号电缆烧损原因分析

1.1 电磁场引起的电流

钢带既有电阻又有电感，相当一个电阻R和电感L线圈的串联支路。由于电缆两端接地，存有接地电阻，分别用Ra和Rb表示，模拟电路如图1所示。假定某时刻磁场的方向如图1所示，则感生电动势为a正和b负，感生电动势的大小为E=L di/dt。

其中L为钢带电感；di为在电缆钢带上产生磁场的牵引回流；dt为时间。设钢带电阻为R，则其阻抗为Z=R+jωL，不考虑钢带中电流的方向，则电磁干扰在钢带中产生的电流ig1：

从该公式可以看出，钢轨的牵引电流越大，感应电动势就越大，钢带中产生的感应电流也随之增大。

1.2 地回流在电缆钢带中产生的电流

1）地回流。

牵引变压器与钢轨、大地的连接如图2所示。

在牵引变电器X端，钢轨和大地连接在一起，远离变电所的钢轨与大地通过绝缘皮和石渣连接，相对隔离，钢轨与大地的连接如图3所示。由于钢轨阻抗比钢轨绝缘垫皮及石渣小得多，故电流大部分通过钢轨回流。

钢轨与地之间有许多分布小电容及阻抗，且并联在一起。随着钢轨长度的延伸，分布电容越来越大、阻抗越来越小，从钢轨泄入大地的电流越来越大，从而地回流也逐渐增大。可以把钢轨和大地分别视为一个电阻和一个线圈串联。钢轨和大地作为回流支路在通过回流的同时使钢轨和大地产生互感，有互感电流生成。大地回流与互感电流叠加形成总的地电流。

2）地电动势的产生。

随着钢轨远离接地点距离的加大，在大回流的情况下，钢轨压降越来越大。由于地回路加长，电感及电阻加大，两者之间的互感加大。钢轨与地之间经分布电容、漏泄电阻、电感连接，形成电路，其模拟电路如图3所示。

假设某一瞬间钢轨回流的方向如图4所示，地回流在大地产生自感电动势，钢轨和大地之间产生互感电动势，自感电动势与互感电动势叠加形成地电势。

3）由地电动势形成的钢带电流因钢带两端接地，如图1所示，当有地回流通过钢带两接地点时，有地电势产生（即钢带两端的电势差），设地电势差为U，则地电流：

2 信号电缆屏蔽技术特性分析

铁路信号电缆屏蔽层如何正确接地，对降低外部电磁场对信号干扰水平起着重要作用，而近年来，随着电气化铁路的发展，信号电缆烧损现象时有发生。信号电缆烧损往往影响面积大，恢复时间长，对行车运输和行车安全有很大的负面影响。

信号屏蔽电缆的干扰源在外导线中电流产生的磁通以虚线同心圆表示，这些磁通的一部分包围电缆芯线和其屏蔽层（可近似认为包围这两种的磁通相等），称为干扰磁通，如图5(a)所示。它在电缆芯线和屏蔽层中感生出电势Es，产生屏蔽层电流Is，如图5(b)所示，电势Es等于屏蔽层电流在屏蔽层电阻Rs和自感抗Xs上的电压降落，即：

屏蔽层电流所产生的磁通包围着屏蔽层，也全部包围着电缆芯线，这些磁通和外导线产生的干扰磁通方向相反，故称为反向磁通，在图5(a)中以实线同心圆表示。按电磁感应原理可知，在理想情况下，如果屏蔽层电阻为零，这种反向磁通可将干扰磁通全部抵消，即反向磁通在电缆芯中产生的互感电动势Er和干扰磁通在电缆芯中感应的电动势Es大小相等，方向相反。设屏蔽层对电缆芯的互感抗为Xm，则：

因屏蔽层将电缆芯完全包围在内，故Xm=Xs。从公式（4）可看出，如果屏蔽层电阻Rs=0，则Es=-Er。但是屏蔽层不可能没有电阻，故干扰磁通在电缆芯中感应的电动势不能被抵消的部分为Es+Er= Is×Rs，即与屏蔽层的电阻成正比。因此，电阻系数小的材料做成屏蔽层效果好。

3 信号屏蔽电缆的接地

信号屏蔽电缆的平衡特性较差，因此良好的屏蔽完整性和良好的接地对屏蔽电缆来说非常重要。屏蔽接地是为防止信号设备因受电磁干扰，而影响其工作或对其他设备造成电磁干扰的屏蔽设备接地。

采用带屏蔽层的控制电缆，且屏蔽层在设备和控制室两端同时接地，是国际通用的一种有效的二次回路抗电磁干扰措施。由IEEE变电所专委会工作组与继电器环境分专委会工作组提出的“变电所中控制与低压电缆系统的选择和安装”文件中，专门有一节“控制电缆的金属屏蔽能降低感应暂态电压”谈到相关问题：“推荐带屏蔽的控制电缆将屏蔽层在两端接地。必须特别保持屏蔽的完整性，拆断或分开屏蔽将极大地降低屏蔽效率；如果屏蔽只在一端接地，在非接地端的包皮对地将可能出现很高的暂态电压。”

3.1 信号电缆屏蔽层两端接地的优点

1) 信号电缆为牵引回流暂态电流产生的磁通所包围时，在电缆的屏蔽层中将感应出屏蔽电流，由屏蔽电流产生的磁通，将抵销牵引回流暂态电流产生的磁通对电缆芯线的影响。假定屏蔽作用理想，两者共同作用的结果，将使被屏蔽层完全包围的电缆芯线中的磁通为零，屏蔽层形成了一个理想的法拉第笼。这也和带有二次短路线圈的理想变压器一样，铁芯中的磁通将为零。当然，屏蔽层的屏蔽作用，由于各种原因，不可能完全理想。

2) 屏蔽层两端接地，可以降低由于地电位升产生的暂态感应电压。当雷电经避雷器注入地网、牵引回流注如地网，地网中的冲击电流增大时，将产生暂态的电位波动，同时地网的视在接地电阻也将暂时升高。对信号楼地电位升的测定结果说明，与正常交流电阻相比，地电阻常增大10倍以上。当信号电缆在上述地电位升的附近敷设时，电缆电位的波动而受干扰。因此，接地浪涌电流引入的地电位升将可能对信号控制回路带来严重影响。采用两端接地的屏蔽电缆，可以将暂态感应电压抑制为原值的10%以下，是降低干扰电压的一种有效措施。

3) 信号屏蔽电缆的屏蔽层有两种接地方式，即两端接地和一端接地。一端接地时，屏蔽层流为零；两端接地使电磁感应在屏蔽层上产生一个感应纵向电流，该电流产生一个与主干扰相反的二次场，抵消主干扰场的作用，显著降低磁场耦合感应电压，可将感应电压降到不接地时感应电压的1%以下。

4) 信号电缆屏蔽层一点接地时，必然在另一端产生高暂态电压。对人身和设备一样存在隐患，电缆长距离地下直埋敷设，不易做到确保是一端接地。