甘世新，楊清舟，葉麗莎，周文俊，殷建剛，謝 敬

（1.湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430040；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；3.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

地鐵是城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分，地鐵系統(tǒng)的軌道線路位于地下，對(duì)城市環(huán)境的噪聲影響較小，且能有效緩解城市交通擁堵，以其快捷、高效、舒適等多種優(yōu)勢(shì)成為各大城市發(fā)展公共交通的首要選擇，給現(xiàn)代城市居民的日常工作和生活帶來(lái)了極大的便利[1-2]。

地鐵的安全可靠運(yùn)行離不開(kāi)電力和通信，電力、通信、信號(hào)電纜的敷設(shè)是鐵路工程建設(shè)的重要組成部分。由于電力走廊資源緊張，導(dǎo)致越來(lái)越多的電力線路采用地下電力電纜敷設(shè)形式，并且地下電力電纜線路往往與地鐵隧道鄰近建設(shè)。由于電磁感應(yīng)作用，電力電纜線路在運(yùn)行或發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)對(duì)鄰近地鐵隧道通信線路產(chǎn)生干擾和危險(xiǎn)影響，危及信號(hào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，損壞與信號(hào)電纜相連的設(shè)備，危及檢修工作人員的人身安全，因此研究地下電力電纜對(duì)地鐵信號(hào)電纜的影響對(duì)地鐵通信及地鐵的安全運(yùn)行具有重要的意義[3]。

目前武漢市已運(yùn)行的軌道交通線路有3條線路，其中1號(hào)線（漢口北—東吳大道）為輕軌線路，2號(hào)線（金銀譚—光谷廣場(chǎng)）、4號(hào)線（黃金口—武漢火車站）為地鐵線路。地鐵線路3號(hào)線、6號(hào)線、7號(hào)線、8號(hào)線等正在建設(shè)，至2017年武漢市將有8條線路投入運(yùn)營(yíng)，總規(guī)模將達(dá)到215.3 km，基本覆蓋全市。由于城市空間的局限性，武漢市地下電力電纜線路與已建或在建的軌道交通線路存在平行、相對(duì)距離小或交叉等情況[4]。隨著城市的發(fā)展，地下電力電纜與軌道交通線路的增多，這些情況將更加普遍[5]。因此，需對(duì)武漢市軌道交通信號(hào)電纜與地下電力電纜目前的典型布置情況進(jìn)行計(jì)算，以確定武漢軌道交通通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 地下電力電纜對(duì)地鐵信號(hào)電纜的影響

1.1 理論計(jì)算公式

根據(jù)DL/T 5033-2006《輸電線路對(duì)電信線路危險(xiǎn)和干擾影響防護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)程》[6]，當(dāng)電力電纜正常運(yùn)行或通過(guò)故障電流時(shí)，在平行敷設(shè)的信號(hào)電纜中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其公式為

式中：E為信號(hào)電纜上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；ω為電力電纜通過(guò)電流的角頻率，ω=2 pF，f=50 Hz；M為電力電纜和信號(hào)電纜之間單位長(zhǎng)度互感系數(shù)；l為電力電纜和信號(hào)電纜的平行長(zhǎng)度；I為電力電纜通過(guò)電流；k為各個(gè)屏蔽系數(shù)的乘積，包括電力電纜金屬護(hù)套屏蔽系數(shù)k1，信號(hào)電纜金屬護(hù)套的屏蔽系數(shù)k2，地鐵實(shí)際運(yùn)行環(huán)境屏蔽系數(shù)k3。

互感系數(shù)M與電力電纜和信號(hào)電纜的間距、頻率和土壤電阻率相關(guān)，分析比較DL/T 5033-2006《輸電線路對(duì)電信線路危險(xiǎn)和干擾影響防護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)程》、相關(guān)文獻(xiàn)[7]中互感系數(shù)M的計(jì)算公式，在相同條件下由兩個(gè)公式得到的互感系數(shù)值基本相同，但后者公式相對(duì)精簡(jiǎn)，如下所示。

式中：ρ為土壤電阻率；d為電力電纜與信號(hào)電纜間距。

電力電纜金屬護(hù)套的屏蔽系數(shù)k1反映了金屬護(hù)套的分流情況，經(jīng)地回流的電流與所有對(duì)地短路電流之比為

式中：Rm為電纜金屬護(hù)套自阻抗；Lm為電纜金屬護(hù)套自感抗，一般取值范圍為1.5×10-3～2.0×10-3H/km；r1為金屬護(hù)套內(nèi)半徑；r2為金屬護(hù)套外半徑。

那么，流過(guò)護(hù)套的電流與所有對(duì)地短路電流之比即k1為

地鐵信號(hào)電纜屏蔽層的屏蔽系數(shù)k2近似計(jì)算公式為[8]

式中:Rm2為信號(hào)電纜金屬護(hù)套自阻抗；Lm2為信號(hào)電纜金屬護(hù)套自感抗，一般取值1.5×10-3～2.0×10-3H/km；r3為信號(hào)電纜金屬護(hù)套內(nèi)半徑；r4為信號(hào)電纜金屬護(hù)套外半徑。

系統(tǒng)集中存儲(chǔ)檢查中的問(wèn)題并進(jìn)行分級(jí)分類，安全管理人員可進(jìn)行多緯度的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)集中及突出的問(wèn)題并輔助確定下一階段的改進(jìn)計(jì)劃。

目前電力電纜隧道和地鐵隧道主要為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鋼筋有較好的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，對(duì)工頻電場(chǎng)、工頻磁場(chǎng)均有較好的屏蔽作用。因此地下電力電纜對(duì)地鐵信號(hào)電纜影響的計(jì)算需考慮地下電力電纜隧道和地鐵隧道鋼筋混凝土的屏蔽系數(shù)。根據(jù)目前研究中的典型情況[9]，鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)的屏蔽系數(shù)可取為0.596。

在地鐵隧道的實(shí)際工況中，地鐵信號(hào)電纜均敷設(shè)在軌道側(cè)附近，地鐵軌道一般含有鋼性物質(zhì)，對(duì)電磁場(chǎng)具有屏蔽作用，電氣化單軌線或雙軌線的屏蔽系數(shù)均為0.5[10]。

綜合上述分析，地鐵實(shí)際運(yùn)行環(huán)境屏蔽系數(shù)k3即地下電纜隧道屏蔽系數(shù)、地鐵隧道屏蔽系數(shù)、地鐵軌道屏蔽系數(shù)三者的乘積。

GB 6830-1986《電信線路遭受強(qiáng)電線路危險(xiǎn)影響的容許值》[11]與DL/T 5033-2006《輸電線路對(duì)電信線路危險(xiǎn)和干擾影響防護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)程》中均規(guī)定了強(qiáng)電線路對(duì)鄰近電信線路的干擾影響與危險(xiǎn)影響允許值。

當(dāng)電力電纜處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，信號(hào)電纜纜芯上的磁感應(yīng)電壓（包含磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)和磁感應(yīng)對(duì)地電壓）允許值為60 V；當(dāng)電力電纜處于故障運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，信號(hào)電纜纜芯上的磁感應(yīng)電壓（包含磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)和磁感應(yīng)對(duì)地電壓）允許值為430 V。

1.2 單相地下電力電纜對(duì)典型地鐵用信號(hào)電纜的影響

目前電力系統(tǒng)中廣泛使用的電力電纜有三芯和單芯兩種規(guī)格，本文是針對(duì)高壓?jiǎn)涡倦娏﹄娎|進(jìn)行研究。對(duì)于三相供電回路，每根電纜即一相電力電纜，三相電力電纜本身具有對(duì)稱性和一定的獨(dú)立性。單回電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)只有三相電纜中的某相電纜處于故障運(yùn)行，其余的兩相電纜仍處于正常運(yùn)行狀態(tài)，單回、多回地下電力電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)對(duì)地鐵信號(hào)電纜的影響主要取決于故障相對(duì)地鐵信號(hào)電纜的影響。因此為了簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確評(píng)估單回、多回地下電力電纜以及不同排列形式的地下電力電纜對(duì)地鐵信號(hào)電纜的危險(xiǎn)影響，應(yīng)采用單相地下電力電纜發(fā)生短路故障對(duì)地鐵信號(hào)電纜的危險(xiǎn)影響進(jìn)行評(píng)估。

地下電力電纜正常運(yùn)行時(shí)，用0.8 kA和1.0 kA電流模擬地下電力電纜正常運(yùn)行電流，地鐵信號(hào)電纜的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)與其和地下電力電纜的間距關(guān)系如圖1所示。地下電力電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)，用常用高壓斷路器的額定短路開(kāi)斷電流20.0、25.0、31.5、40.0、50.0 kA 模擬地下電力電纜單相接地故障電流。地鐵信號(hào)電纜的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)與其和地下電力電纜的間距關(guān)系如圖2所示，地下電力電纜通過(guò)不同故障電流時(shí)信號(hào)電纜與地下電力電纜敷設(shè)的臨界距離見(jiàn)表1，該距離及后文中臨界距離均指地鐵信號(hào)電纜和與之平行的地下電力電纜的空間距離。

觀察圖1可知，地下電力電纜在正常運(yùn)行時(shí)，地鐵信號(hào)電纜的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)均在規(guī)范允許值60 V以內(nèi)，不會(huì)影響信號(hào)電纜的正常運(yùn)行。

圖1 地下電力電纜正常運(yùn)行時(shí)地鐵信號(hào)電纜的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)Fig.1 The magnetic induction electromotive force during normal operation of the subway underground power cable signal cable

圖2 地下電力電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)地鐵信號(hào)電纜的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)Fig.2 The magnetic induction electromotive force of underground power cables when the single-phase grounding fault happens subway signal cable

表1 地下電力電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)，地鐵信號(hào)電纜與地下電力電纜敷設(shè)的臨界距離Tab.1 Distance of the subway signal cable and the underground power cable laid by the ground fault of the underground power cable.

通過(guò)圖2可知，當(dāng)?shù)叵码娏﹄娎|發(fā)生單相接地故障，電力電纜通過(guò)的短路電流在25 kA以內(nèi)時(shí)，在實(shí)際敷設(shè)距離下地鐵信號(hào)電纜所受到的危險(xiǎn)影響一般不會(huì)超過(guò)磁感應(yīng)允許值430 V，不會(huì)損壞信號(hào)電纜。當(dāng)?shù)叵码娏﹄娎|發(fā)生單相接地故障且故障電流很大時(shí)，地下電力電纜與地鐵信號(hào)電纜的間距過(guò)近可能會(huì)使地鐵信號(hào)電纜的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)超過(guò)磁感應(yīng)允許值430 V，對(duì)地鐵信號(hào)電纜產(chǎn)生危害。增大地鐵信號(hào)電纜與地下電力電纜敷設(shè)距離能減輕危險(xiǎn)影響的程度，地下電力電纜通過(guò)大故障電流時(shí)地鐵信號(hào)電纜與地下電力電纜敷設(shè)的臨界距離如表1所示。

2 武漢市典型地下電纜對(duì)軌道交通信號(hào)電纜的影響

2.1 典型情況

由于城市空間的局限性，武漢市地下電力電纜線路與已建或在建的軌道交通線路存在平行、相對(duì)距離小或交叉等情況。隨著城市的發(fā)展，地下電力電纜與軌道交通線路的增多，這些情況將更加普遍，目前最典型的情況如下。

1）玉帶門地下電力電纜線路與已建軌道交通1號(hào)線相對(duì)最近，部分地下電力電纜線路與軌道交通1號(hào)線平行，并且玉帶門地下電力電纜線路在軌道交通1號(hào)線宗關(guān)站處與在建軌道交通3號(hào)線發(fā)生交叉，如圖3所示。

圖3 玉帶門地下電力電纜線路與軌道交通1號(hào)線、3號(hào)線的相對(duì)位置Fig.3 The relative position of the jade door of underground power cable lines and the Metro Line 1,3

2）鋼都四回地下電力電纜線路與已建軌道交通4號(hào)線相對(duì)最近，最近處相距約660 m，如圖4所示。

圖4 鋼都四回地下電力電纜線路與已建軌道交通4號(hào)線的相對(duì)位置Fig.4 The relative position of all the four underground power cable lines have been built with rail transit line 4

3）李王線地下電力電纜線路與在建軌道交通6號(hào)線發(fā)生交叉，交叉情況如圖5所示。

在以上典型情況中，鋼都四回地下電力電纜線路與已建軌道交通4號(hào)線的最近距離為660 m。由2.2節(jié)可知，當(dāng)?shù)叵码娏﹄娎|發(fā)生單相接地故障且通過(guò)較大的短路電流50 kA時(shí)，地下電力電纜與信號(hào)電纜的臨界距離為19.52 m，而鋼都四回地下電力電纜線路與4號(hào)線的最近距離遠(yuǎn)大于此臨界距離，故不會(huì)影響軌道交通4號(hào)線信號(hào)電纜的正常工作。

圖5 李王線地下電力電纜線路與在建軌道交通6號(hào)線的相對(duì)位置Fig.5 The relative position of the cable line and the 6 line in the construction of the railway line

下面針對(duì)武漢市地下電力電纜線路與軌道交通信號(hào)電纜較近平行距離及交叉兩種情況，計(jì)算軌道交通信號(hào)電纜受到的影響。

2.2 平行段的影響

玉帶門地下電力電纜隧道中心與已運(yùn)行輕軌1號(hào)線中心最近水平間距為22 m，該平行段總長(zhǎng)為3.8 km。在此平行段中地下電力電纜隧道采用了頂管隧道和排管隧道兩種布置方式，其中從宗關(guān)站至漢西一路站附近地下電力電纜隧道采用頂管隧道布置方式，總長(zhǎng)約為1.2 km，從漢西一路站至古田二路附近地下電力電纜隧道采用排管隧道布置方式，總長(zhǎng)約為2.6 km。

1號(hào)線輕軌軌頂高度約為15 m，信號(hào)電纜敷設(shè)離軌道垂直距離約2.5 m，離輕軌隧道中心水平距離約為1.5 m。地下電力電纜頂管隧道埋深約7 m，地下電力電纜排管隧道埋深約2 m，兩種地下電力電纜隧道中電力電纜均布置在離隧道頂部垂直距離約2 m，離隧道中心距離約0.5 m處。由于地下電力電纜隧道布置方式的不同，故計(jì)算玉帶門地下電力電纜線路對(duì)軌道交通1號(hào)線信號(hào)電纜平行段的影響需分別計(jì)算兩種地下電力電纜隧道布置方式下相應(yīng)平行段信號(hào)電纜的影響，兩者疊加即為玉帶門地下電力電纜線路對(duì)軌道交通1號(hào)線信號(hào)電纜平行段的影響。為計(jì)算最嚴(yán)重的情況，假設(shè)信號(hào)電纜、地下電力電纜位于相對(duì)距離最近的一側(cè)，且由于信號(hào)電纜、玉帶門地下電力電纜的直徑相對(duì)于兩者的距離很小，可忽略不計(jì)。則輕軌1號(hào)線信號(hào)電纜與頂管隧道中的地下電力電纜平行長(zhǎng)度約1.2 km，水平距離約20 m，垂直距離約26.5 m，即兩者的空間距離約33.2 m。輕軌1號(hào)線信號(hào)電纜與排管隧道中的地下電力電纜平行長(zhǎng)度約2.6 km，水平距離約20 m，垂直距離約21.5 m，即兩者的空間距離約29.36 m。根據(jù)目前玉帶門電力電纜線路系統(tǒng)規(guī)劃進(jìn)行模擬計(jì)算，得到輕軌1號(hào)線與電纜隧道最近位置處的最大單相短路故障電流為15 kA，即為此次計(jì)算的最大評(píng)估值。

當(dāng)玉帶門地下電力電纜正常運(yùn)行時(shí)，根據(jù)分析計(jì)算可知此時(shí)兩種地下電力電纜隧道布置方式下軌道交通1號(hào)線信號(hào)電纜纜芯上產(chǎn)生磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)均很小，不會(huì)影響信號(hào)電纜的正常工作。當(dāng)玉帶門地下電力電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)，運(yùn)用式（1）～式（7）可分別計(jì)算兩種電纜隧道布置方式下地下電力電纜線路對(duì)軌道交通1號(hào)線相應(yīng)平行段信號(hào)電纜的影響，計(jì)算結(jié)果疊加即為玉帶門地下電力電纜線路對(duì)軌道交通1號(hào)線信號(hào)電纜平行段的影響，如表2所示。

表2 玉帶門地下電力電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)，軌道交通1號(hào)線平行段信號(hào)電纜的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)Tab.2 When single-phase ground fault occurs in the Yudai door underground power cables,track traffic on the 1st line section parallel signal cable magnetic induction longitudinal electro motive force

由表2可知，當(dāng)玉帶門地下電力電纜線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，軌道交通1號(hào)線信號(hào)電纜上產(chǎn)生的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)低于危險(xiǎn)影響允許值430 V，不會(huì)對(duì)信號(hào)電纜造成危險(xiǎn)影響。

2.3 交叉段的影響

玉帶門地下電力線路對(duì)軌道交通3號(hào)線及李王線地下電力電纜線路對(duì)軌道交通6號(hào)線信號(hào)電纜交叉段的影響。

根據(jù)DL/T5033-2006《輸電線路對(duì)電信線路危險(xiǎn)和干擾影響防護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)程》可知[11]，信號(hào)電纜與地下電力電纜交叉時(shí)互感M的計(jì)算方法有所改變，一般交叉情況如圖6所示。O為交叉點(diǎn)，lA、lB分別為交叉點(diǎn)左、右兩邊的電力電纜長(zhǎng)度，aA、aB分別交叉點(diǎn)兩邊信號(hào)電纜與電力電纜的最大垂直距離。

圖6 電力電纜與信號(hào)電纜交叉情況Fig.6 Power cable and signal cable crossing

當(dāng)x≤6時(shí)，

當(dāng)x＞6時(shí)，S(x)=701.69-400x1。

觀察圖3和圖5可發(fā)現(xiàn)，玉帶門地下電力電纜線路與在建的軌道交通3號(hào)線、李王線地下電力電纜線路與在建的軌道交通6號(hào)線基本垂直交叉，故地鐵信號(hào)電纜的長(zhǎng)度即為其與地下電力電纜的垂直距離。由于距離交叉點(diǎn)越遠(yuǎn)的電力電纜對(duì)信號(hào)電纜的影響越小，且距離交叉點(diǎn)越遠(yuǎn)的信號(hào)電纜所受到的電力電纜的影響也越小，故取交叉點(diǎn)左右兩邊地下電力電纜、信號(hào)電纜10 m為研究對(duì)象，即lA、lB、aA、aB均為10 m。

當(dāng)?shù)叵码娏﹄娎|線路正常運(yùn)行時(shí)，3根地下電力電纜流過(guò)三相對(duì)稱電流，對(duì)外界產(chǎn)生的磁場(chǎng)有相互抵消作用，對(duì)地鐵信號(hào)電纜產(chǎn)生電磁干擾疊加后將很小，不會(huì)影響其正常工作。當(dāng)?shù)叵码娏﹄娎|發(fā)生單相接地故障時(shí)，根據(jù)式（1）～式（8）計(jì)算地下電力電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)，與其垂直交叉的信號(hào)電纜的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)，如表3所示。

表3 地下電力電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)，交叉段信號(hào)電纜的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)Tab.3 The underground power cable when the single-phase grounding fault happens,the magnetic induction electromotive force cross section signal cable

由表3可知，當(dāng)玉帶門地下電力電纜線路、李王線地下電力電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)，與其垂直交叉的信號(hào)電纜上產(chǎn)生的磁感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)均很小，遠(yuǎn)小于規(guī)程允許值，不會(huì)影響信號(hào)電纜的正常運(yùn)行。因此，地下電力電纜與信號(hào)電纜垂直交叉布置時(shí)基本不會(huì)對(duì)地鐵線路信號(hào)電纜的運(yùn)行造成影響。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)武漢地下電力電纜對(duì)軌道交通信號(hào)電纜的影響進(jìn)行理論分析和實(shí)例計(jì)算，得到以下結(jié)論：

1）為了簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確評(píng)估單回、多回地下電力電纜以及不同排列形式的地下電力電纜對(duì)地鐵信號(hào)電纜的危險(xiǎn)影響，應(yīng)采用單相地下電力電纜發(fā)生短路故障對(duì)地鐵信號(hào)電纜的危險(xiǎn)影響進(jìn)行評(píng)估；

2）通過(guò)理論計(jì)算得到電纜線路在正常及故障狀態(tài)下運(yùn)行對(duì)信號(hào)電纜的影響，以及地下電力電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)，地鐵信號(hào)電纜與地下電力電纜敷設(shè)的臨界距離；

3）通過(guò)對(duì)武漢市軌道交通信號(hào)電纜與地下電力電纜目前的典型布置情況進(jìn)行計(jì)算，可知目前已建的布置情況下，地下電力電纜均不會(huì)對(duì)軌道交通信號(hào)電纜造成干擾影響或危險(xiǎn)影響。

4）對(duì)于武漢市未來(lái)軌道交通信號(hào)電纜與地下電力電纜的臨近建設(shè)，可依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行理論計(jì)算，確定地鐵信號(hào)電纜與地下電力電纜敷設(shè)的臨界距離，以對(duì)其提供建設(shè)依據(jù)。

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