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防护交流牵引网对通信线路干扰的措施
实践证明交流牵引网对通信线的干扰影响是十分严重的。为使架空通信线所受到的最大感应电压限制在允许标准以内，一般需远离电气化铁道1 km以上；若要使杂音干扰限制在允许标准以内，则需远离电气化铁道更远一些。为保证通信线路的正常工作和设备、人身的安全，必须对电气化区段的通信线路采取有效的防护措施，使电气化铁道沿线各邻近通信线路所受到的各种感应影响降低到规定标准以内。
防护措施可以从产生影响的牵引供电系统和被影响的通信线路两方面加以考虑。
通信线路可采用的防护措施：
(1)将架空通信明线改为高屏蔽通信电缆或光缆通信线路。光缆通信是利用光波传递信息的一种通信方式。光纤通信技术的基本原理是将一个被传输的电信号，在光发生器中，变换成相应的光脉冲信号，这个光脉冲信号经光缆传输到对方的光接收器中，再变回电信号，以完成通信任务。
光缆通信线路与金属电缆通信线路相比，有如下优点：
①一条光缆线路可同时传输电话路数多，在长途接力电话传输线路中，中继站间隔的距离长，这就可节省大量设备。
②通信质量高，光缆通信属于数字通信，传输的声音不失真。
③光纤是电绝缘介质，不受电、磁干扰影响。为解决电气化铁道和高压输电线对通信线路的影响问题，可大量采用光缆通信线路。
(2)将架空通信明线拆迁到交流电气化铁道影响范围以外。
(3)在通信线路中加装中和变压器、低频绝缘变压器、幻通谐振变压器、屏蔽变压器、横向接地变压器、陶瓷放电管、杂音抑制器等。
(4)在通信器械设备方面，采用增音站、谐振短路器、谐振分路器、杂音补偿器、音响冲击限制器、抗干扰人工电报机等。
在电气化铁道中可采用的防护措施：
(1)采用带架空回流线的直接供电方式，简称DN供电方式。
(2)在牵引网中安装吸流变压器——回流线装置，简称BT供电方式。
(3)在牵引供电系统中采用自耦变压器供电方式，简称AT供电方式。
(4)在牵引供电系统中采用同轴电力电缆供电方式，简称CC供电方式。
(5)限制供电臂的长度。这样，可以限制供电臂对通信线路影响的安培公里，从而减小对通信线路的危险电压影响。
(6)合理选用电力机车类型。目前，我国电气化铁道使用的电力机车，从整流方式而言，可分为硅二极管整流(如SS1型机车等)、半控桥式整流(如SS4型、SS6型机车等)、一段全控一段半控整流(如SS5型、SS7型、SS8型机车等)。后两者由于在整流回路中采用了晶闸管，所以反映在接触网的牵引电流波形畸变较大，谐波电流含量较高，因而对通信线路的杂音干扰影响比硅二极管整流方式的大得多。目前我国正在研制开发的“交-直-交”电力机车，所具有的许多优点之一，就是反应在接触网的牵引电流波形接近于正弦波，谐波电流含量最少，等效杂音干扰电流最小，因而对通信线路的杂音干扰影响最轻。可见，合理选用电力机车类型对减轻电气化铁道给通信线路造成的影响也有很大意义。
(7)牵引变电所加装阻尼装置。这一措施主要用来削弱高次谐波，减少杂音干扰影响。
从牵引供电系统方面采取防护措施，可以使沿线所有受影响的弱电流线路都受到保护，本书主要介绍这方面的防护措施。
目前在交流牵引供电系统中已采取的防护措施有：
(1)采用带架空回流线的直接供电方式。
(2)在牵引网中加装吸流变压器——回流线装置(Booster——Transformer)，简称BT供电方式。
(3)在牵引供电系统中，采用自耦变压器供电方式 (Auto——Transformer)，简称AT供电方式。
(4)牵引供电系统采用同轴电力电缆供电方式 (coaxial——Cable)，简称CC供电方式。
(5)在牵引变电所加装阻尼装置。
一、带架空回流线的直接供电方式
直接供电方式供电回路的构成最简单，工程投资、运营成本和维修工作量都少；但对邻近通信线路的干扰影响严重，钢轨电位比其他供电方式要高。
为了保留直接供电方式的优点，克服其不足，在其结构上增设与轨道并联的架空回流线，就成为带回流线的直接供电方式，简称DN供电方式，如图9-3所示。

图9-3 带回流线的直接供电方式示意图
它与直接供电方式相比，有以下改善：
(1)原来流经轨道、大地的回流，一部分改由架空回流线流回牵引变电所，其方向与接触网中馈电电流方向相反，架空回流线与接触网距离较近，因此相当于对邻近通信线路增加了屏蔽效果。
(2)牵引网阻抗和轨道电位都有所降低。
二、吸流变压器供电方式
1.工作原理
交流牵引供电系统的不对称馈电方式是造成对邻近通信线路产生感应影响的主要原因。吸流变压器——回流线装置就是以加强接触网和回流线间互感耦合的办法来达到比较对称供电的目的。
吸流变压器供电方式就是在牵引网中，每相距1.5～4 km间隔，设置一台变比为1：1的电力变压器。它的一次绕组串接在接触导线上，其二次绕组则串接在特设的回流线或钢轨上。图9-4表示了两种不同的吸流变压器接线方式。

图9-4 吸流变压器的接线示意图
(a)吸-回方式；(b)吸-钢轨方式。
1-吸流变压器；2-接触网；3-回流线；4-吸上线；5-钢轨；6-牵引变电所；7-绝缘轨缝。
吸流变压器一回流线方式[见图9-4(a)]采用专门的导线作为机车负载的回流线。为了给运行于各吸流变压器作用范围内的列车电流提供一个返回回流线的通路，在相邻两吸流变压器的中点用吸上线将回流线与钢轨联接起来，当电力机车恰好在吸上线处运行时，牵引电流可立即通过吸上线返回回流线，因此钢轨中没有电流流通。机车在任意位置时，由于吸流变压器的电磁耦合作用，也将使大部分牵引电流经回流线流回牵引变电所。回流线电流将抵消因接触网电流产生的绝大部分电磁感应影响，使牵引网对通信线的影响大大减轻。
无回流线的方式[见图9-4(b)]需要在吸流变压器处将钢轨作绝缘分段，并将吸流变压器的二次绕组串入进去。依靠吸流变压器的作用使绝大部分回归电流保持在钢轨中。这种方式较之前一种方式在造价上要便宜些，对接触网的运行维护也较有利。但其防护较前者差，而且在绝缘轨缝的两端还可能产生数百伏的电压，这对线路维护人员的人身安全有一定威胁。为了解决这一矛盾，可在吸流变压器处作两个绝缘轨缝，以加大不同电位的钢轨间的距离。此外当列车通过绝缘缝时，吸流变压器也将由于二次绕组被短路而失去作用。我国目前主要采用带有回流线的吸流变压器一回流线供电方式。
用图9-5所示电路说明吸-回方式的工作原理

图9-5 吸-回方式的原理电路
1-接触网；2-轨道；3-回流线，一般装设在接触网支柱外侧的横担上；
4-吸流变压器，变比是1：1，一次线圈串接入接触网，二次线圈串接入回流线；
5-吸上线，一端接回流线，另一端与轨道或扼流变压器线圈中点连接，以提供从电力机车到轨道的返回电流流到回流线去的通路
(一个供电臂内，除了在始端和末端装设吸上线以外，通常在两相邻吸流变压器之闻的中点装设一根吸上线。两相邻吸上线之间称为吸流变压器段，或吸流分段)；6-电力机车，位于远端的吸上线处。
吸-回装置对通信线路的防护作用在于它可使返回电流沿回流线流回牵引变电所，而不经由轨道和大地。从而把本来是距离很大的接触网一轨道大地回路(返回电流经轨道和大地流回的回路)，改变成距离相对很小的接触网一回流线回路(返回电流经回流线流回的回路)。而且回流线和接触网中的电流基本上大小相等，方向相反。两者的交变磁场基本上可互相平衡(抵消)，这样就达到了牵引供电回路比较对称的目的。这种方式使牵引电流在邻近的通信线路中的电磁感应影响大大地减小。
返回电流为什么会沿上述路径流通呢?这是因为吸流变压器在接触网和回流线间集中地加强了互感耦合。说明如下：设吸流变压器原边电流为I1，匝数为w1；副边电流为I2，匝数为 w2。根据变压器原、副边的磁势平衡关系，有I2w2＝I1w1又由于吸流变压器的变比为1：1，即 w2＝w1，所以I2＝I1。I2与I1的差别在于I1中含有吸流变压器的激磁电流I0，I0仍流经轨道和大地，但数值很小。
2.BT供电方式的剩余感应影响
虽然BT供电方式使牵引网对通信线的影响大为减轻，但仍有剩余的感应影响，主要由以下原因引起：
(1)由BT的激磁电流引起的感应影响。在吸流变压器变比为1的条件下，回流线和接触网的电流并不完全相等，实际上前者较后者小一个吸流变压器的激磁电流。激磁电流只在接触网中流通。在正常情况下，吸流变压器的激磁约为一次电流的1％～2％，
(2)接触导线和回流线对通信线的相对位置不同而产生的环路影响。由于接触网和回流线相对通信线距离不同，它们与通信线路间的互感系数也不同，因此，即使接触网和回流线中的电流相等，也还会在通信线中感应电压，此为接触网-回流线环路感应电压。
(3)钢轨内感应电流对通信线产生的二次感应影响。这是由于接触网对钢轨和回流线距离不等，而接触网-回流线环路对钢轨也产生感应，并在钢轨中也产生感应电流。轨道中的感应电流对通信线路产生“二次感应”影响。
以上3种感应影响的总和称为“长回路感应”的影响。它所造成的对通信线路感应剩余影响约为无吸流变压器-回流线装置时交流牵引网对通信线影响的5％。
3.影响吸-回装置对通信线的防护效果的主要因素
(1)运行中的机车位置
运行着的电力机车可能出现在吸流变压器分段的任意位置。当电力机车位于供电臂吸上线处时，吸——回装置具有最佳的防护效果。此时牵引网对通信线的电磁感应影响只有“长回路”影响。当电力机车运行于吸流分段中其余位置时，从机车到邻近吸上线之间的长度内，牵引网仍然是以接触网一轨道大地或轨道大地一回流线不对称回路向电力机车供电，这种因电力机车运行位置变化致使局部供电回路仍按不对称方式工作所产生的电磁感应影响，称为“半段效应”影响。分析如图9-6所示。

图9-6 半段效应示意图
当电力机车运行于图9-6(a)中a、b之间时，牵引网按接触网——轨道大地不对称回路向电力机车供电，接触网中有电流，而回流线中无电流，ab长度内在通信线中产生的感应电势与“长回路”影响在通信线中产生的感应电势方向相同，起增强作用，称为正“半段效应”。当电力机车运行于图9-6(b)中c、d之间时，牵引网按轨道大地-回流线不对称回路向电力机车供电，回流线中有电流，而接触网中无电流，cd长度内在通信线中产生的感应电势与“长回路”影响在通信线中产生的感应电势方向相反，起抵消作用，称为负“半段效应”。
虽然这种不对称供电回路和长度通常比较短，但其感应往往不容忽视。在有吸-回装置的电气化区段对通信线的综合感应影响实际上就是“长回路感应”和可能产生的“半段效应”相叠加。当供电臂内有一列列车以恒定的牵引负荷由始端运行至末端时，其在通信线内产生的感应电压如图9-7所示。

图9-7 列车位置与通信线感应电压的关系
列车自供电端出发，行至第一台吸流变压器前方时，这阶段吸流变压器原边没有电流，吸-回装置还不起作用。回归电流仍是经由钢轨和大地返回。因此接触网每安培公里产生的感应电压较大，在图9-7中表现为该段电压曲线的斜率较陡，当机车一跨过第一台吸流变压器时，牵引回归电流将突然改变方向，回流由钢轨逆流经前方吸上线进入回流线，经吸流变压器二次绕组返回变电所。这时，在供电端至吸流变压器间的一段接触网对通信线的影响相当于“长回路”感应，而吸流变压器和前方吸上线间则相当于负“半段效应”感应，通常“半段效应”感应电压的斜率比“长回路”感应大得多，因此牵引负荷在通过吸流变压器时对通信线的感应将发生突变。随着列车逐渐接近前方吸上线，负“半段效应”感应逐渐减小，通信线上的感应电压有效值是“长回路”感应和“半段效应”感应叠加的结果，最后形成图9-7所示的锯齿形。
(2)通信线与接触网平行接近距离对装置防护效果的影响
当通信线与接触网的平行接近距离较大时(例如大于100 m)，吸-回装置的“长回路”屏蔽系数是十分理想的(不大于0.025)。但当通信线与接触网的平行接近距离较小时，接触网-回流线的环路影响显著增加，导致“长回路”屏蔽系数的迅速恶化。图9-8绘出了单线电气化铁道吸-回装置“长回路”屏蔽系数与平行接近距离的关系曲线。
由图9-8可知，通信线架设在回流线的同侧或异侧(相对于接触导线)，对“长回路”屏蔽系数有显著影响。当通信线在回流线同侧时，回流线与通信线间的互感比接触网与通信线间的互感大，而电流方向又正好相反。即接触网电流稍大于回流线电流，因此两者对通信线的感应影响近似地相互抵消，使“长回路”感应影响较小。而当通信线与回流线架设在回流线的不同侧时，回流线与接触网对通信线的感应影响就不能充分相互抵消，呈现的“长回路”感应影响就显著增大。为了减小装置的“长回路”感应，可适当调整回流线的架设高度，使钢轨的二次感应起着削弱对通信线感应影响的作用。显然，当通信线与回流线分别在接触网两侧时，宜将回流线架设的比接触导线高一些，使钢轨中电流方向与回流线电流相对减小，其“长回路”屏蔽较单线情况又有所改善。

图9-8 “长回路”屏蔽系数与平行接近距离的关系曲线曲线
a-通信线与回流线在不同侧时；曲线b-通信线与回流线在同侧时。
(3)吸-回装置中个别吸流变压器故障解列时对装置防护效果的影响
在整个供电臂范围内，一般有十余台吸流变压器组成一套吸-回装置。运行中吸流变压器故障解列的情况是可能发生的。正确地估计在这种不正常运行条件下的防护作用并在设计装置时适当加以考虑，对保证通信设备和维护人员的安全是必需的。由于吸流变压器解列是一种不正常运行方式，这时的危险电压允许标准与正常方式时有所不同，允许将标准由60 V提高到150 V。在撤出故障吸流变压器后，为了保证接触网和回流线的继续运行，需要将故障吸流变压器的原、次边绕组分别旁路。这时，一切位于故障吸流变压器之后(面对电源侧)的列车牵引负荷，其已被吸入回流线的电流在经过故障吸流变压器区段时，一部分电流又重新返回钢轨和大地，直至下一个吸上线才被重新吸入回流线。所以在故障吸流变压器前、后两吸上线间，吸-回装置的屏蔽作用被削弱了。这时在单根回流线条件下，回流线的屏蔽系数约为0.75。
(4)牵引网短路
当牵引网发生短路时.由于吸流变压器原边绕组中通过的电流急剧增加，铁心严重饱和，使漏磁通显著增大，导致副边绕组吸流不足。吸-回装置的防护效果因此而降低。显然，吸-回装置的防护效果降低的程度与牵引网短路电流的大小有关。短路电流越大，吸流变压器铁心的饱和程度越深，吸-回装置的防护效果就越降低。
4.BT供电方式的牵引网阻抗
(1)单线区段的牵引网阻抗
当牵引网内串接入吸-回装置后，牵引网的阻抗将大大的增加，也不再是均匀分布参数，随着列车位置不同，牵引网单位阻抗还将发生变化。一般在计算中取BT供电方式单线牵引网单位阻抗Z为
Z＝Zc+Zh-2Zch+ZT/L0 (Ω/km) (9-20)
式中 Zh——回流线-地回路自阻抗。即
Zh＝rh+0.05+j0.145lg(Dg/Rωh) (Ω/km)
其中 Rwh——回流线的等效半径；
Zch——回流线-地回路与接触网-地回路间互阻抗，即
Zch＝0.05+j0.145lg(Dg/dch) (Ω/km) (9-21)
其中 dch——回流线与接触网中各导线间的几何均距；
L0——吸流变压器之间的平均距离。
(2)复线区段的牵引网阻抗
由于复线区段的BT供电方式上行(或下行)牵引网基本上是一平衡的供电回路，所以，上、下行回路间的互感影响可忽略不计，即ZⅠⅡ＝0。上行(或下行)的牵引网单位自阻抗ZⅠ(或ZⅡ)的计算与单线区段相同，可直接用式(9-20)计算。不同接触网供电方式的复线区段牵引网等值阻抗Z如下计算：
①两线路接触网并联供电
按图9-9，其电压平衡方程式为