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    谈客运专线长距离电缆贯通线电磁兼容性 DH贯通电缆

    时间:2020-02-14 07:24:47来源:百花范文网本文已影响

    谈客运专线长距离电缆贯通线电磁兼容性

    摘要:本文作者从电磁场的形成、电磁兼容性的机理入手进行分析,阐述了电磁干扰的计算及减轻电磁干扰的措施,分析了长距离电缆线路对并行的信号等信息线路的干扰,确定了客运专线电缆贯通线的电磁兼容性。  

    关键词:长距离  电缆  贯通线  干扰  电磁兼容性    

    引言  

    客运专线负荷主要分布在车站及区间,负荷分布的特点是车站负荷容量大且集中;
    区间负荷容量小,设置点多且分散。由于区间平均约1.5~3千米1处供电点,且负荷大部分为通信、信号等与行车密切相关的一级负荷,因此,一般建2回10kV电力贯通线(1回综合贯通线、1回一级负荷贯通线)向全部通信、信号及区间负荷供电。
    电力贯通线可采用以架空为主、电缆敷设为辅的混合方式和全电缆敷设两种架(敷)设方式。由于电力贯通线两种架(敷)设方式均存在明显的优缺点,从维护工作最小化、社会发展及对环境美化的要求等角度考虑,客运专线两回10kV电力贯通线一般采用全电缆敷设方式,电缆可采用单芯和三芯电力电缆。  

    由于客运专线长距离电缆贯通线沿路基、隧道、桥梁及站场等电缆槽敷设,与决定着客专动车机组能否正常运行的信号控制电缆一直长距离并行敷设,那么电力电缆对信号控制电缆是否存在电磁干扰或影响、是否影响信号设备的正常运行,单芯和三芯电力电缆哪个干扰更大等一系列电磁兼容性的问题,值得进行分析与研究。  

    1 电磁兼容性的机理  

    所谓电磁兼容性(EMT)是指电场和磁场对电气和电子器材功能的作用。  

    在电气或电子设备之间的每种电磁交互影响的根源都是电场和磁场。电场产生于不同电位点之间,电场强度取决于这些点之间的电位差。在电力电缆中,屏蔽电缆的电场出现在导线和屏蔽之间;
    对无导电层、有共同金属护套的多芯电缆,电场也出现在导线之间;
    对无屏蔽电缆,电场也出现在导线之间以及导线和周围环境之间。只要导线上有电压,即使没电流,也都存在电场。  

    为了设计一个系统的电磁兼容性,必须了解干扰系统(干扰源)耦合机理和受干扰系统(干扰汇)的灵敏性。干扰源、干扰汇可通过测量易于求得,但耦合机理,大多是非预见的,且具有非期望的效应。  

    不管是电磁放射(干扰发射)还是电磁污染(干扰影响),都可能以通过线路或者作为不通过线路的辐射出现。耦合机理一般分为四种:电流耦合、电容耦合、电感耦合和辐射耦合。  

    1.1 电流耦合  

    如果若干电流回路,全部或局部地共用相同导线,则产生电流耦合,也称欧姆耦合。沿着这段导线,由所有电流共同引起的电压降,在每一个电流回路中,以其全值出现,而非以各自电流引起的分量值出现。电流耦合属于受导线约束的干扰,因为它总需要一根导线。例如一个信号回路,信号源和信号汇装置的外壳被用作信号回流线,由于两外壳点的不同电位引起的干扰电流在外壳回流线中造成额外的电压降,这就使信号接收器(信号汇)上的原始信号电压失真。  

    1.2 电容耦合  

    这种耦合是基于不同电位导线之间的电场产生的。由某一导线(干扰源)中的交变电压引起的交变场,通过耦合电容,推动一个干扰电流通过被干扰的电路(干扰汇),并通过外壳或地回流至干扰源。实际上,在频率小于30MHz时,电感耦合的强度和重要性大多比电容性耦合的大得多。所以,一般说只有电流的磁场才有意义。  

    1.3 电感耦合  

    垂直于一个电路的馈线和回流线构成的平面的交变磁场,感生一个干扰电压。  

    1.4 辐射耦合  

    在功率或控制电子技术中,干扰线路的长度大致和由它传输的高频谐波长度一样或更长,则由其发射出电磁波。同时总有一个电场和一个与其垂直的磁场,它们通过周围空间的波阻抗相互耦合。它与电容耦合的区别在于,在此电缆纵向上的电场分量也有意义。  

    辐射是电波,所以不受导线的约束。这种波同时具备磁场分量和电场分量。它们侵入屏蔽层并在其中引发带磁场的电流。基于高频,屏蔽本身也会发射电磁波。  

    2电磁干扰的计算  

    根据国际电信电报咨询委员会(CCITT)和德国电工委员会(DKE)的规定,在用保护装置(变换器、避雷器之类)闭合时受信息回路短时间干扰(0.5s)情况下,电缆测试电压的百分数为60%。一般测(标)定信息电缆线芯对地的测试电压为2000V(有效值),允许干扰电压就是1200V,一个电缆设施的构造就应当使干扰电压不超过1200V。在用电压泄电器或其他与“导线-地”电路短接的元件闭合的情况下,由保护元件的定位点之间感应干扰造成的理论计算的由电缆导线和地构成的电路中的纵向电动势(EMK)Ei,容许在电缆测试电压的120%以下。在这些情况下,在有局部干扰(即在被干扰线段的中心对地短接)时,要求电缆绝缘同样仅只约60%的测试电压。纵向电动势的计算见公式2-1。  

                   Ei=ω*M"Ee*l*I*r                             (2-1)  

    式中Ei-感生电动势;
      

        ω-回路频率,S-1
      

        M"Ee-施加干扰和受干扰的电线之间单位长度互感量,H/km;
      

        l-平行引线长度,km;
      

    I-感生电流(对地短路电流),A;
      

    r-各类衰减因数的乘积(合量衰减因数)。  

    这类衰减因数有:  

    rki-电力电缆金属护套的衰减因数;
      

    rku-通信电缆金属护套的衰减因数;
      

    rS-钢轨的衰减因数,双线电气化铁路取0.5;
      

    rE-地线的衰减因数;
      

    rX-邻近的补偿线、管线或其他接地金属导线的衰减因数。  

    2.1 互感量MEe  

    互感量MEe取决于施加干扰的和被干扰的导线间距、频率和单位对地电阻。近似地采用公式2-2进行计算。  

    MEe=10-4ln(1+ρ/(ω*π*10-7*a2))H/km             (2-2)  

    式中ρ-对地单位电阻,Ωm;
      

        a-间距,m。  

        当某一信号控制电缆倾斜靠近电力电缆时,用平均间距a计算,它是由在端部接近的距离a1、a2,并通过公式2-3进行计算  

                                                                        (2-3)  

    2.2 施加干扰的电力电缆电流衰减因数rki  

    电流衰减因数rki是一个金属护套屏蔽作用的尺度。在对地短路情况下,所有经导线流向故障点的有效短路电流IKI在故障点分成两个分电流,其中一个经电缆护套,另一个经地回流,对此衰减因数为经地回流的电流与所有对地短路电流之比。由于强电电缆接地电阻的影响大多都很小,接地回路的欧姆阻抗可忽略不计,一个施加干扰的电力电缆的电流衰减因数rki简化计算见公式2-4。  

                               (2-4)  

    式中rki -电力电缆金属护套的衰减因数;
      

        -金属护套的单位长度直流电阻,Ω/m;
      

    ω-角频率,S-1
      

    L’E-接地回路单位长度电感(约2*10-6),H/km。  

    2.3 被干扰的信息电缆电压衰减因数rku  

    对于非钢带铠装的结构类型,计算见公式2-5。  

                                (2-5)  

    式中rku -受干扰电缆的电压衰减因数;
      

        -金属护套的单位长度直流电阻,Ω/m;
      

    ω-角频率,S-1
      

    L’E-接地回路单位长度电感(约2*10-3),H/km.  

    对于有钢带铠装的受干扰电缆,衰减因数取决于在这根电缆所在位置被感生的Ei,其计算见公式2-6。  

    E"i=ω*M"Ee*l*I rki * rX                     (2-6)  

    对于地线的衰减因数rE、补偿线衰减因数rX可通过德国电工委员会规定的DIN VDE0228标准、《电力电缆及电线》手册、电缆生产厂家资料查表获得或计算得到。  

    3 减轻电磁干扰的措施  

    3.1 地和壳的功能  

    在电磁兼容性方面,地和壳之间的概念区分是非常必要的。  

    由于纯功能原因,一个电路大多不需要对地连接。地的功能是为了使电气设备安全运行而需要接地,接地线仅在故障状态下导引电流。实际上并不是在每一处接地保护线都有地电位。  

    壳或者引导壳电位的导线,尤其在控制和调节电路中用作电路的共同基准导线。所有电压数据都是针对壳电位的。基准导线按照运行引导电流,因为它们习惯地被用作各个电路共同的回流线。所以,壳可以但不是必须具有地电位。如果壳在不同地点多次接地,就产生接地回路。在接地电位不同的情况下,补偿电流通过这些壳连接线,流通在不对称电路中导致干扰电压。  

    一个接地的、引导壳电位的导线的电位,离接地越远,与接地电位的差异越大。  

    3.2金属护套的作用  

    所有铁磁性材料或者其他能够借以建立反向磁场的金属材料都适合用于降低电磁干扰,在电力电缆中,就是金属护套。  

    在电力技术中常用屏蔽两端接地,而在控制技术中往往只一端接地,但一端接地对电磁场没有保护作用。  

     3.2.1 对电容耦合的保护  

    屏蔽必须起码一处接地。由干扰系统来的电场线终止在屏蔽上,电容性电流通过接地屏蔽流回到干扰源,它不沿导线流过连接的电气系统,以致在那儿不产生干扰电压。由于金属丝和编织屏蔽都不是“密实的”,它的表面没有用金属完全盖住,所以这种屏蔽不能完全阻止电容性耦合。  

     3.2.2 对电感耦合的保护  

    磁场穿透非磁材料的屏蔽,在这种情况下干扰磁场与一反向磁场的结构相遇,一般壁厚的铁磁性护套,如金属丝或带铠装,屏蔽磁场也不完全,只有通过钢管才能达到目的。只有当屏蔽两端接地构成一个封闭的电流回路时,屏蔽才对防电感耦合有效。  

     3.2.3 对电流耦合的保护  

    在某些情况下,屏蔽对电流耦合起保护作用。  

     3.2.4 对辐射耦合的保护  

    通过屏蔽的两端接地达到最佳屏蔽作用。  

    对于屏蔽的有效性,尤其重要的是其在电缆终端的连接方式。适合电磁兼容性的连接应有尽可能小的阻抗。  

    3.3 电缆结构的影响  

    三相电流传输的电力电缆对称结构,在直至4~5MHz左右频率谐波的情况下,有关EMT特性方面是很好的。对称负载时,三相导线的磁场,直至公差限定的余量,都彼此抵消了。不绞合的单芯电缆用于输送三相或交变电流时,不如相线对称安排的多芯电缆,但单芯电缆集束敷设时各导线的磁场彼此间也大部分抵消,优于并列敷设。带屏蔽(如铠装层)的电缆,电场被限制在导线和电屏蔽之间区域,磁场被进一步削弱。  

    4 长距离电缆贯通线电磁兼容性  

    客运专线长距离贯通线电力电缆为满足电力电缆抗压、抗拉强度,防老鼠咬等要求,三芯电力电缆可采用铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套钢带铠装电力电缆;
    单芯电力电缆可采用铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套铠装电力电缆,其铠装层可采用铝合金铠装、不锈钢铠装、铜铠装等形式,但因不锈钢铠装、铜铠装电力电缆价格昂贵,一般单芯电力电缆可采用铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套铝合金带铠装电力电缆。由于采用钢带铠装层或铝合金带铠装层、品字型敷设方式等措施,磁场绝大部分被抵消,电磁干扰大大降低。  

    因此通过以上公式计算和采取的减轻干扰的措施,虽然长距离贯通线单芯电力电缆对信号控制电缆的干扰电压比三芯电力电缆略大,但均小于1200V的限定值,均满足电磁兼容性要求。  

       

    参考文献:1、《电力电缆及电线》(【德】L.Heinhoid,R.Stubbe(HRsg))  中国电力出版社  

              2、《高速铁路概论》(第二版)    中国铁道出版社  

       

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