接觸網(wǎng)的干擾影響及防護(hù)的研究

1、接觸網(wǎng)技術(shù)課程設(shè)計(jì)扌艮告班級：電氣學(xué)號：200708716姓名:指導(dǎo)教師：評語：2011年 3 月 11 日1 基本題目11題目接觸網(wǎng)的干擾影響及防護(hù)的研究1.2題目分析我國干線牽引供電系統(tǒng)采用工頻單相交流制，其牽引網(wǎng)是一種不對稱冋路。當(dāng)牽 引電流流過接觸網(wǎng)時(shí)，將要在接觸網(wǎng)導(dǎo)線周圍形成電場和磁場，這種電場和磁場對沿 線鄰近的通信線路和設(shè)備產(chǎn)生干擾和影響，使通信質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)能危及設(shè)備和人 身安全。因此，在修建電氣化鐵路的同時(shí)，必須考慮防干擾的技術(shù)措施。2.接觸網(wǎng)的干擾影響及防護(hù)的研究2. 1交流電氣化線路的干擾影響 2. 1. 1靜電感應(yīng)電壓影響當(dāng)接觸網(wǎng)加上25kv的工作電壓以后，就在接觸網(wǎng)

2、導(dǎo)線（包括承力索和接觸線） 的四周建立起垂直丁導(dǎo)線表面的交變屯場。ftt丁靜屯感應(yīng)的作用，處于電場內(nèi)的架空 通信線路將產(chǎn)生靜屯感應(yīng)屯位，從而對通信線路產(chǎn)生有害影響?？梢杂靡韵鹿接?jì)算 感應(yīng)電壓的影響。圖1靜電感應(yīng)影響示意圖圖1是牽引網(wǎng)對通信線的靜電影響的示意圖。圖小，1代表接觸導(dǎo)線，2代表鄰 近通信線，3代表接觸導(dǎo)線在地下的鏡彖，b, c分別為接觸導(dǎo)線和通信線距地面的高 度。匕是接觸導(dǎo)線上的電位，匕是通信線上的電位。冇以下公式：（1）丄in171£(2)式屮，斤表示接觸導(dǎo)線單位長度上的電荷；£表示介質(zhì)的介電系數(shù)，©代表接觸導(dǎo)線 半徑。將兩式合并，可得平行于接觸線的

3、通信線上齊點(diǎn)的電位：%u 2bln-r：(3)式屮：t/j接觸網(wǎng)對地電位；匕一接觸導(dǎo)線半徑。 由圖1可知，inin屮2+(比)亠嚴(yán)，d ya2 +(h-c)2 a +b +c因此，接觸線在通信線各處的靜屯感應(yīng)屯壓s的一般公式如下:hea1 +b2 +c2(5)7令k = r-,則14ut=ka2+b2-c2uj(6)2亦rbea2 +/?2 +c2；v2kujpqn + 2pici； +b2 +c2若接觸網(wǎng)長度為厶，通信線的平行接近長度為厶，z|w?2吋，則通信線上的靜電感應(yīng) 電位：(7)實(shí)用計(jì)算屮，采用以下公式:式屮：nl按通信線路上總接地導(dǎo)線數(shù)n的不同而劃分的區(qū)段數(shù);n2按接近距離變化及接

4、地總干線數(shù)不同劃分的區(qū)段數(shù)；k常數(shù)，單線區(qū)段取0.4,復(fù)線區(qū)段取0.6；勺一接觸網(wǎng)和通信線路的平行距離（m）；b一接觸網(wǎng)高度，簡單懸掛為5.8m,鏈型懸掛為6.35m,般口j取6m；c通信線路平均架設(shè)高度，一般取5m；匕一接觸網(wǎng)電壓（v）, 般取25000v；p與接觸懸掛同桿共架的架空回流線或架空地線對靜電感應(yīng)的屏蔽系數(shù)，一 般取0.75；q據(jù)通信線路3m以內(nèi)的連續(xù)不斷樹木對靜電感應(yīng)的屏蔽系數(shù)，取0.7o 相應(yīng)的靜電感應(yīng)屯流為：col卩i 嚴(yán)5（9）41.41g r式中:i-通信線路和接觸網(wǎng)的平行接近程度；c一通信線路高度；r-通信導(dǎo)線半徑；co角頻率，co=27rfo電氣化鐵道對鄰近的其他電

5、路的靜電感應(yīng)的計(jì)算與以上類似。2. 1.2電磁感應(yīng)影響當(dāng)線路上有電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)，接觸網(wǎng)就流有工頻單和交流牽引電流，它在接觸網(wǎng) 的周圍建立起交變電磁場，因而對沿路架設(shè)的通信線路產(chǎn)生電磁交鏈，使通信線中產(chǎn) 生沿導(dǎo)線縱方向的電磁電動勢，稱為縱電動勢。當(dāng)通信線與接觸網(wǎng)距離不遠(yuǎn)，其平行 長度乂較長時(shí)，在通信線路中感應(yīng)的縱電動勢可以達(dá)到危險(xiǎn)的程度。電磁感應(yīng)在和距 100m以外時(shí)，仍有可觀的影響。我國在觀音壩單線區(qū)段的試驗(yàn)中，接觸網(wǎng)和架空線 的平均距離為250m,平行長度為18. 3m,接觸網(wǎng)短路電流為人二1140a,實(shí)測所得縱 電動勢為787824v.通信線路中感應(yīng)的縱向電動勢可以表示為：ea詁詁 j九（

6、10）式中：co角頻率，co=27rf；m“一接觸網(wǎng)與通信線的互感系數(shù)（%»/一接觸網(wǎng)與通信線平行接近長度（km）；ij接觸網(wǎng)電流（a）；血一軌道的反磁效應(yīng)，稱為鋼軌的屏蔽系數(shù)。2.1.3雜音干擾牽引電流是隨時(shí)間波動的電流，當(dāng)采用整流器式電力機(jī)車時(shí)，機(jī)車上的交流將 被整流變?yōu)橹绷?，在整流電流中會出現(xiàn)大量高次諧波，如圖2所示。從圖中可知，不 僅正弦波形發(fā)生了很大的畸變，而且在波峰處產(chǎn)生了諧波成分。因此，交流電流除了 如上所述能在通信線路中產(chǎn)生感應(yīng)縱屯動勢外，其諧波成分也能在通信中造成諧波感 應(yīng)電壓，形成通信中的雜音，這也就是我們通常所說的交流牽引網(wǎng)對沿線通信線路的 雜音干擾。圖2韶山s

7、s1型電力機(jī)車的電流波形2. 2防護(hù)措施由上述分析可知，交流電氣化鐵路接觸網(wǎng)對與之平行的有線通信線路產(chǎn)生很大的 感應(yīng)影響。在通信中引起的危險(xiǎn)電壓和朵音干擾，使通信質(zhì)量下降，其至危及設(shè)備和 運(yùn)行人員的安全。因此，在修建電氣化鐵路的同時(shí)必須采取減小危險(xiǎn)影響和干擾影響 的技術(shù)措施。解決交流電氣化鐵路對通信線路干擾的途徑有兩個(gè)方面：一是在供電方 面采取抑制干擾的措施；二是在通信方面采取提高屏蔽的措施(如電纜化)，或者將 影響的通信線路及設(shè)備遷到影響范圍之外。至于采用何種途徑和何種措施，應(yīng)根據(jù)經(jīng) 濟(jì)技術(shù)比較及其具體情況決定。常規(guī)采用的防干擾措施有：附加回流方式；吸流變壓器一鋼軌方式；吸流變壓器 回流線方

8、式；自耦變壓器(at)方式；同軸電纜方式等。對通信線路，則可以采取 改遷線路或?qū)崿F(xiàn)電纜化。其屮，冋流線方式、吸流變壓器一冋流線(bt)方式及自耦 變壓器(at)方式采用的較為普遍。2. 2.1吸流變壓器一回流線(bt)方式在牽引網(wǎng)中架設(shè)吸流變壓器回流線裝置，是我國目前廣泛采用的一種防護(hù)措 施，它能迫使由軌道冋路和從大地返冋牽引變電所的機(jī)車牽引電流的絕大部分經(jīng)由冋 流線路流冋牽引變電所。這樣，冋流線中的電流與接觸網(wǎng)內(nèi)流過的牽引電流方向相反, 他們形成的屯磁場互相抵消。吸流變壓器xlb的原邊串接在接觸網(wǎng)中，次邊串接在冋流線hlx中，其結(jié)構(gòu)的 接線圖如圖3所示。在兩個(gè)吸流變壓器中間，把軌道和冋流線連

9、接起來，這個(gè)連接線稱為吸上線，它是機(jī)車電流返冋冋流線的通道。吸流變壓器一冋流線方式，其原理接線如圖4所示。吸流變壓器一冋流線的防護(hù) 原理是基于吸流變壓器的作用。當(dāng)牽引電流ij流經(jīng)吸流變壓器原邊時(shí)，在副邊的回流 線中將產(chǎn)生很大的互感電勢，由于電磁的作用，將強(qiáng)迫流經(jīng)軌道的大部分電流通過吸 上線xsx流到冋流線中去，并返冋牽引變電所。由于冋流線電流抵消了絕大部分i大i 接觸網(wǎng)電流產(chǎn)生的電磁感應(yīng)影響，因而對通信線的影響人為減輕。實(shí)踐證明，回流線 越靠近接觸網(wǎng)越好，這樣就把范圍很大的接觸網(wǎng)一地冋路改變成范圍較小的接觸網(wǎng)一 冋流線冋路，從而極人的減弱了接觸網(wǎng)的空間磁場。gw4-35/600(>.&#

10、174;)1 11/ gw4-35/600(雙極) igw1-10/600qb牽引變電所；xlb吸流變壓器；g鋼軌；hlx回流線；j接觸線；xsx吸一上線;/丿一接觸網(wǎng)中的機(jī)車電流；jh回流中返回的電流；鋼軌中的電流但是這種裝置并不能完全抵消牽引網(wǎng)對通信線路的感應(yīng)影響，耒能抵消掉的對 通信線路殘留的感應(yīng)影響，稱為長冋路感應(yīng)影響。這種長冋路感應(yīng)影響是由于機(jī)車電 流和返回屯流不相等，接觸網(wǎng)和回流線相對于通信線的位置不相等，互感系數(shù)不-樣 引起的。這種殘留影響約為無吸流變壓器一冋流線裝置時(shí)電氣化鐵路對通信線路影響 的5%o除了長冋路感應(yīng)影響。這種長感應(yīng)冋路感應(yīng)影響是由于機(jī)車電流和返冋電流 不相等、接

11、觸網(wǎng)和回流線相對于通信線的位置不相等、互感系數(shù)不一樣引起的。這種 殘留影響約為無吸流變壓器一冋流線裝置時(shí)電氣化鐵路對通信線路的影響的5%o除 了長冋路感應(yīng)影響以外，機(jī)車運(yùn)行時(shí)所在的位置對防護(hù)效果也有很大影響，如圖5 所示。當(dāng)機(jī)車載吸流變壓器附近a點(diǎn)時(shí)，機(jī)車牽引電流經(jīng)過軌道、大地，然后經(jīng)回流 線流冋，這是，在ab段內(nèi)接觸網(wǎng)沒有電流，在冋流線中卻有電流，即在ab段內(nèi)相當(dāng) 于沒有防護(hù)。若機(jī)車在吸流變壓器附近的d點(diǎn)時(shí)，從圖5可以看出在cd段內(nèi)接觸網(wǎng) 中有屯流，回流線中卻沒有屯流，即在cd段沒有防護(hù)。以上這兩種情況都為吸流變 壓器一冋流仙劍的長度之半，所以稱這段效應(yīng)為半段效應(yīng)。由此可知，在設(shè)置吸流變 壓

12、器一冋流線時(shí)，對通信線路仍然存在殘余影響，這種影響為長冋路感應(yīng)和半段效應(yīng) 的疊加。吸流變壓器一冋流線方式雖存在長冋路感應(yīng)和半段效應(yīng)，仍有較好的防護(hù)性，i大i 而得到普遍的采用。此外這種吸流變壓器一冋流線裝置還存在一些問題：1. 安設(shè)了這種防護(hù)裝置后使得牽引網(wǎng)單位阻抗加大，供屯屯壓及屯能損失均增加;2. 機(jī)車受電弓通過吸流變壓器分段時(shí)，將產(chǎn)生電弧，燒損接觸線和受電弓滑板。圖5半段效應(yīng)原理示意圖qb牽引變電所；xlb吸流變壓器；g鋼軌；iilx回流線；j接觸線2. 2. 2吸流變壓器一鋼軌方式在國外也有只采用吸流變壓器而不架設(shè)回流線的情況，如圖6所示，實(shí)在吸流變 壓器的作用下，是原來流經(jīng)大地的電流

13、大部分流經(jīng)鋼軌，即沿軌道回路流回牽引變電所，此時(shí)鋼軌和接觸網(wǎng)中產(chǎn)生的電磁影響互相抵消，從而對沿線通信線路起防護(hù)作用。 如前所述，由于鋼軌和大地不是絕緣的，有部分電流依然經(jīng)過軌道流入大地，加上鋼 軌與接觸網(wǎng)相距較遠(yuǎn)，而且他們對通信線路的位置很不對稱，因此這種方式不如吸流 變壓器一冋流線方式防護(hù)效果好。圖6吸流變壓器一鋼軌方式qb牽引變電所；xlb吸流變壓器；g鋼軌；j接觸線2. 2. 3單設(shè)回流線方式所謂單設(shè)回流線方式，實(shí)際是回流線軌道方式，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。此方式是 接觸網(wǎng)支柱上進(jìn)架設(shè)一條與鋼軌并聯(lián)的導(dǎo)線，以使鋼軌屮屮的電流盡可能經(jīng)由回流線 流回牽引變電所，這樣既保持供電回路結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，又

14、能起到一定防護(hù)作用。在設(shè)計(jì)回流線時(shí)應(yīng)設(shè)法使回流線靠近接觸線，以增加二者z間的互感作用，迫使 更多的牽引電流沿著回流線流回牽引變電所，以降低對通信線路的感應(yīng)作用。為此， 回流線的架設(shè)方式有兩種：其一是在接觸懸掛的側(cè)而其二是在接觸懸掛的正上方，后 者要比前者效果好些，但是安裝困難?？偟膩碚f，這種方式的防護(hù)作用的效果耍比吸 流變壓器的方式差些。但是經(jīng)濟(jì)性好，可靠性高，故障率低，維修工作量小，且防干 擾性能不隨負(fù)荷電流改變。同時(shí)，這種方式饋電回路簡單，回路阻抗較小，一次投資 及運(yùn)營費(fèi)均較低，是可推廣的方式z-,臺灣的某些電氣化線路就是采用這種方式。zg圖7回流線方式3-xsxhlxqb牽引變電所；g鋼

15、軌；hlx冋流線；g鋼軌；j接觸線；xsx吸上線2. 2.4自耦變壓器（at）方式口耦變壓器是一種電力變壓器，它并接于接觸網(wǎng)j,鋼軌g和止饋線qz中，其 接入方式如圖8所示。這種方式由接觸網(wǎng)，鋼軌，正饋線和口耦變壓器組成供電冋路, 并在接觸網(wǎng)與止饋線z間每隔10km左右并聯(lián)接入一臺口耦變壓器，其中性點(diǎn)與鋼軌 聯(lián)結(jié)，止饋線與接觸懸掛同桿架設(shè)，止饋線架于接觸懸掛的背后。自耦變壓器供電方式具有良好的防干擾性能，這是由于口耦變壓器本身的性能決 定的。口耦變壓器利用其耦合原理進(jìn)行保護(hù)。例如，當(dāng)機(jī)車運(yùn)行于at?與at3z間的 位置時(shí)，* at2nl, at3m繞組同時(shí)向機(jī)車供應(yīng)電流，根據(jù)變壓器安匝平衡的原

16、理，必 定有一定的機(jī)車電流分量被吸入繞組中，并經(jīng)正饋線返冋電源。當(dāng)忽略變壓器的 勵磁電流，且在ni=n2時(shí)，兩繞組中的電流大小和等，方向和反。也即在at?與at3 的區(qū)間內(nèi)，接觸網(wǎng)與止饋線中將對稱地流過供給機(jī)車的電流，而且方向相反，因而它 們產(chǎn)生的感應(yīng)影響互相抵消。當(dāng)機(jī)車運(yùn)行于at?與at3之間或任意兩相鄰變壓器之間 時(shí)，牽引電流將由兩側(cè)流向機(jī)車，且機(jī)車兩側(cè)鋼軌內(nèi)的電流方向相反，因而在通信線 中的影響也起抵消作用。同時(shí)，機(jī)車的冋歸電流除了機(jī)車在at?與at3區(qū)間z外，均 被限制在正饋線內(nèi)。由于接觸網(wǎng)和正饋線相隔較近，電流大小相等，方向相反，因而 能有效地減弱對通信線的電磁影響?？隈钭儔浩鳎╝t

17、）方式的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，保護(hù)方式繁瑣，且電力損耗較大， 使得運(yùn)營費(fèi)用增加。qbat. 血，必q圖8自耦變壓器接入方式qb牽引變電所；at自耦變壓器；g鋼軌；q正饋線；j接觸線；u牽引網(wǎng)電壓2. 2.4同軸電力電纜方式同軸電力電纜方式是一種新型的防干擾供電方式，適用于電氣化鐵路穿越大城市 或凈空受限的多隧道特殊地段。同軸電纜是沿著電氣化鐵路埋設(shè)的特殊專用電纜，電纜分為內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體。電 纜的內(nèi)導(dǎo)體作為正饋線，與接觸網(wǎng)連接；電纜的外導(dǎo)體作為冋流線，與鋼軌連。每隔 一定距離（約10-15km）分成一個(gè)電纜分段，其接入方式如圖9所示?；谕S屯力屯纜本身所具有的特性，因而冇著防干擾的良好效果。同軸屯力

18、屯 纜內(nèi)、外導(dǎo)體是同軸的，ii彼此絕緣，其間距離13mm,這是任何架空線所不能比擬 的。根據(jù)互感耦合原理，可以認(rèn)為電纜內(nèi)、外導(dǎo)體處于全耦合狀態(tài)，耦合系數(shù)近似為 1,互感系數(shù)m具冇最大值。因此當(dāng)它用于屯氣化鐵路的供電回路是，則進(jìn)一步改善 了供電冋路內(nèi)的對稱性，提高了防干擾性能。影響同軸電纜供電方式的防護(hù)效果的主要因素有：（1）同軸電纜的接入方式，如 下所述，同軸電纜的接入方式冇接觸網(wǎng)不（電）分段和接觸網(wǎng)（電）分段兩種。前者 對鄰近通信線路的電磁感應(yīng)影響稍大，防護(hù)效果稍低。后者對鄰近通信線路的電磁感 應(yīng)影響更小，防護(hù)效果更好。（2）運(yùn)行中電力機(jī)車的位置。（3）供電分區(qū)長度（b）圖9同軸電力電纜供電

19、方式qb牽引變電所；g鋼軌；q一止饋線；j接觸線；s電纜內(nèi)導(dǎo)體;s?電纜外導(dǎo)體；t聯(lián)結(jié)線1 同軸電力電纜一接觸網(wǎng)分段方式接觸網(wǎng)分段方式是把接觸網(wǎng)分成與電纜分段距離大致和同德絕緣分段，如圖9(a) 所示。當(dāng)電力機(jī)車運(yùn)行在任意一根聯(lián)接線時(shí)，牽引電流將立即經(jīng)鋼軌、聯(lián)接線流至電 纜外導(dǎo)體，并沿外導(dǎo)體流回牽引變電所。在整個(gè)供電區(qū)段內(nèi)，接觸網(wǎng)和鋼軌中基木沒 有電流，而只有內(nèi)、外導(dǎo)體中有電流。如前所述，由于電纜內(nèi)、外導(dǎo)體處于全耦合狀 態(tài)，電流吸冋效率高，因此電纜內(nèi)、外導(dǎo)體中電流不對稱，對通信線產(chǎn)生的電磁感應(yīng) 影響很小。但是，當(dāng)機(jī)車運(yùn)行在其他位置時(shí)，例如在分段處附近，則機(jī)車與最近的聯(lián) 結(jié)線z間的接觸網(wǎng)和鋼軌內(nèi)

20、均有電流，這時(shí)將自一小部分電流經(jīng)過大地至聯(lián)結(jié)線。并 通過電纜外導(dǎo)休流冋牽引變電所。因而，在這種條件下，會對通信線產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng) 影響，這種感應(yīng)影響主要是由于局部區(qū)段不對稱供電產(chǎn)生的。2 同軸電力電纜一接觸網(wǎng)不分段方式接觸網(wǎng)不分段方式是使接觸網(wǎng)和電纜內(nèi)導(dǎo)體處于全并聯(lián)狀態(tài)，如圖9 (b)所示。 rtr丁接觸網(wǎng)和屯纜內(nèi)導(dǎo)體在供屯回路上是并聯(lián)的，當(dāng)機(jī)車運(yùn)行在任一聯(lián)結(jié)線吋，在接 觸網(wǎng)和屯纜內(nèi)導(dǎo)體中均有同方向成正比例的屯流流動，其電流人小與其各自的阻抗成 反比例分配，這吋，除電纜內(nèi)、外導(dǎo)體因電流不對稱而対通信線產(chǎn)生電磁感應(yīng)影響外, 接觸網(wǎng)的屯流也會對通信線產(chǎn)生感應(yīng)影響。因此接觸網(wǎng)不分段時(shí)比接觸網(wǎng)分段的防護(hù)

21、 效果差。但是，當(dāng)機(jī)車運(yùn)行在其他位置時(shí)，rti于牽引電流從兩側(cè)流向機(jī)車，在機(jī)車兩 側(cè)靠近聯(lián)結(jié)線的鋼軌內(nèi)，電流方向也相反，見圖9 (b)屮的電流方向，因此對通信 線的感應(yīng)影響起抵消作用，就這種局部區(qū)段而言，其防干擾效果又比前一種方式好， 但總的防護(hù)效果較接觸網(wǎng)分段吋差。幾種供電方式技術(shù)特性的比較如下表:供電方式直供方式冋流線+直供方式(dn)bt方式at方式供電臂(km)25-30302045-50牽引網(wǎng)阻抗(q/km)0.6 0.650.5-0.550.85-0.90.16 0.2牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)由接觸懸掛、 鋼軌組成。最 簡單。由接觸懸掛、鋼軌和回 流線組成。由接觸懸掛、 鋼軌、回流線 和吸流變壓 器組成。由接觸懸掛、鋼 軌、自耦變壓器、 止饋線和保護(hù)線 組成。最復(fù)雜牽引網(wǎng)電壓水平較好良好較差最好牽引網(wǎng)電能損失