HVDC对铁路通信线路影响的仿真研究

2013-08-09吕思卓文俊刘连光曹雯佳周思玉

电力建设 2013年4期

吕思卓，文俊，刘连光，曹雯佳，周思玉

(华北电力大学电气与电子工程学院，北京市 102206)

0 引言

国民经济的持续快速发展促使我国的铁路与电网建设得到跨越式发展。电力牵引与其他牵引方式相比，具有高效、节能、环保等优点，因此电气化成为我国铁路实现跨越式发展的必然选择［1］。铁路提速对铁路信号的安全稳定性提出了更高的要求。高压直流输电(high-voltage direct current，HVDC)因其在远距离、大容量输电方面的独特优势成为我国电网跨越式发展的重要选择。我国的高压直流输电工程在输电总容量、线路总长度及最高电压等级等方面均处于世界领先水平。

高压直流输电，特别是直流输电线路，对铁路信号系统是一个重要的干扰源。一方面，当单极直流输电工程的线路发生接地短路故障时，故障电流通过电磁感应对附近的铁路信号电缆会产生危险影响，可能导致信号电缆绝缘被击穿，危及行车安全以及运行、检修人员的生命安全。另一方面，正常运行时，换流器产生的谐波电流会对附近的铁路通信线路中的音频电话回路产生干扰影响。轻者将影响铁路信号系统的正常运行，产生错误的信号输出，影响运输效率，重者会使信号设备烧毁，威胁铁路运输安全。

有关铁路信号电缆受强电线路干扰影响的研究是:①铁路牵引供电系统对信号电缆的影响。文献［2］阐述了牵引供电系统对通信系统产生干扰信号的原理，深入分析了造成干扰的原因，研究了干扰信号影响铁路信号系统的方式和途径;文献［3］建立了铁路10 kV三相单芯电力电缆对邻近的信号电缆产生纵向感应电压的计算模型，结合仿真计算分析了电力电缆短路时对信号电缆的影响;文献［4］计算和分析了电气化铁路电力电缆对信号电缆的干扰问题。②高压直流输电线路对电信线路的影响。文献［5］评估了±800kV直流输电线路对电信线路的感性耦合危险影响和干扰影响，分别用感应电动势和杂音电动势作为评价影响大小的指标;文献［6］分析了输电线路等效干扰电流值对周围通信回路的影响，结合对直流输电工程中输电线与通信线路相对位置的调查结果，得到对邻近通信线路的干扰程度;文献［7-8］针对直流输电线路故障时，采用理论计算与实测对比相结合的方法推导出了感应电动势的计算公式。

本文基于电磁感应原理，对直流输电线路故障使铁路通信线路上产生感应电动势，进而出现危险影响的机理进行了研究;在此基础上，对感应电动势进行计算，并基于PSCAD/EMTDC软件平台建立了单极两端高压直流输电仿真模型，针对不同电压等级、不同大地电导率以及不同接近距离下直流输电线路的影响进行仿真，其结果揭示了这些因素的危险影响及干扰影响的程度。

1 HVDC对铁路通信线路影响的机理

1.1 危险影响

当单极直流输电系统的输电线路发生接地短路故障时，HVDC控制系统通过快速调节作用，使故障电流的稳态值保持较小，不超过额定电流的20%，稳态电流通常不会对铁路通信线路产生严重的影响。但是在故障发生瞬间，由于直流线路的电容发生放电，会使故障电流的瞬时最大值达额定电流的3倍左右。故障电流的频率大多为20～40 Hz，这些电流会通过耦合作用在邻近的铁路通信线路上产生感应电动势［9］。感应电动势的计算有以下2种方法。

1.1.1 计算方法1

当单极直流输电系统线路发生接地故障时，故障电流在附近的铁路通信线路上通过电磁感应作用产生的感应电动势为

式中:E为通信线路上的感应电动势，V;ω为短路电流的视在角频率，rad/s;Mi为30 Hz时导线间的互感系数，H/km;li为输电线路与铁路通信线路在第i段接近段的长度，km;Is为电短路电流的各频率分量加权值之和，A;s、t为屏蔽系数［8］。

1.1.2 计算方法2

直流输电线路短路电流与交流线路有所不同，线路正常工作时基本为直流电流，不会对邻近铁路通信线路产生感应电压。而在故障情况下，由于故障电流的快速变化会产生感应电压。输电线路发生故障时的等效电路如图1所示。

图1 直流输电线路短路等值电路Fig.1 Equivalent circuit of DC transmission line in short circuit condition

由图1列出暂态微分方程

式中:Ud为直流电压，kV;Rt为输电线路短路回路总的等效电阻，Rt=Rl+Ra，Ω;Rl为直流线路等效电阻，Ω;Ra为换流器的内阻，Ω;Lt为短路回路总电感量，Lt=Ld+lpL;Ld为平波电抗器电感量，H;L为输电线路对地的电感量，H/km;lp为输电线路的长度，km;C为输电线路的等效电容，F;id为发生故障时换流站侧的电流，kA。

解式(2)可得

故障电流变化率did/dt在直流输电线路发生短路的瞬间，即t=0时能达到极大值

若故障发生在换流站附近时，lp=0，仅平波电抗器起作用。例如，当Ud=500kV，Ld=0.5H，did/dt=1 kA/ms。换流器控制在5～10 ms内起作用，此时故障电流一般为额定电流的2～3倍。由于计算是在换流站而忽略线路电容，而当故障在直流线路上时，线路电容的放电电流为来自换流站侧电流的kf倍。则故障线路由于电容放电的电流上升率为

式中:if为故障点处线路电容的放电电流，A;kf为线路的结构系数，一般取0.2～0.3，无工程资料时取0.25。

那么，直流输电线路上的任意点故障时，故障电流整流站的电流加上线路电容放电电流，则故障点来自整流站侧电流变化率的最大值为

来自逆变站侧故障电流的上升速率，因只有线路电容放电电流，线路故障电流变化率的最大值为

式中:l为直流输电线路全长，km;li为直流输电线路与通信线路间第i段接近段长度，km。

感应电动势计算公式为

将式(6)和式(7)带入式(8)，则可以得到感应电动势。

1.2 干扰影响

直流输电工程在换流时，换流器会产生大量谐波电流，这些谐波电流通过直流输电线路传播时，会在附近的空间内感应出交变的磁场，由于直流输电线路与铁路通信线路之间存在互感，因此会在通信线路上感应出杂音电动势。杂音电动势的计算公式为［10］

式中:Zm800为800 Hz下的输电线路和通信线路之间的磁耦合阻抗，Ω;K800为通信线路在参考频率800 Hz下的(静电)屏蔽系数;Kgw为直流线路中架空地线的屏蔽系数;η800为通信线路在800 Hz参考频率下的敏感系数。

Ieq为等效干扰电流，其表达式为

式中:Ie(x)R、In(x)I分别是由整流器侧和逆变器侧谐波电流产生的等效干扰电流分量幅值，mA。由整流器或逆变器谐波电流所产生的的等效干扰电流为

式中:In(x)为线路在x处的第n次谐波电流的均方根值，mA;Pn为第n次谐波频率下的视听加权系数;Hf为耦合系数;n为谐波次数;N为最高次谐波次数，通常取50。

2 HVDC对通信线路影响的限值

2.1 危险影响限值

我国电力行业标准《高压直流线路对电信线路危险影响防护设计技术规定》［11］明确规定:当直流输电线路极导线发生接地故障时，通信线路的芯线上感应产生的电动势允许值应符合如下规定

式中:UDt为直流试验电压，取1800 V;US为直流输电线路发生故障时，通信线路芯线上的感应电动势(峰值)，V。

2.2 干扰影响限值

在《电信工程设计手册——长途光通信系统(铁路专用网)》中，关于铁路通信线路产生受到干扰影响时，要求在通信线路中的音频双线回路终端所测量的杂音电动势不大于表1中的值［12］。

表1 铁路通信线路遭受影响的干扰限值Tab.1 Interference limit of influence on railway communication lines

3 HVDC对铁路通信线路影响的仿真

直流输电线路对铁路通信线路的危险影响程度用感应电动势表示，感应电动势取决于:直流输电线路电压等级、直流输电线路的结构、直流输电线路与铁路通信线路的接近距离和接近长度、大地电导率、通信线路类型及其影响允许值等因素。干扰影响的评价指标为杂音电动势，由式(9)可知，影响铁路通信线路上杂音电动势的因素主要有等效干扰电流、直流输电线路与通信线路间的接近距离，以及综合静电屏蔽系数等。

3.1 计算条件

本文以±500kV、1000 MVA单极直流输电线路为例，计算直流输电线路对铁路信号电缆的危险影响和干扰影响，分别用感应电动势和杂音电动势作为评价影响大小的指标。当直流输电线路与信号电缆的水平距离d在0～1500 m变化时，针对直流架空线路对地的高度H分别为20、30、40、50 m，大地电导率 σ 分别为1 ×10－3、5 ×10－3、10 ×10－3和 30 ×10－3S/m，计算感应电动势E的大小;在等效干扰电流Ieq分别为1000、3000、6000 mA时计算杂音电动势的大小。高速铁路信号电缆放置在沿铁路线的电缆槽中，直流输电线路与信号电缆的平行长度取1 km，其中信号电缆的直流电阻相比直流输电线路大得多。本计算中未考虑铁路信号电缆屏蔽系数。

3.2 危险影响的各种因素

3.2.1 直流输电线路架设高度的影响

当σ=10×10－3S/m时，直流输电线路架设高度H对感应电动势的影响见图2。当直流输电线路与铁路通信线路间的水平距离d小于100 m时，直流输电线路架设的高度越低，信号电缆上的感应电动势就越大。而且当直流输电线路与铁路通信线路间的水平距离小于100 m时，感应电动势的变化幅度很大。这是由于距离越近，电磁感应作用越大，距离较远时，静电场衰减严重所致。

图2 高压直流输电线路架设高度的影响Fig.2 Effects of height of HVDC lines

3.2.2 水平距离的影响

由图2结果表明，感应电动势E随着直流输电线路与信号电缆间水平距离d的增大而减小，这是由于直流输电线路与信号电缆间的互感系数M随d的减小呈快速增加趋势，由式(1)可见，M的增加直接导致感应电动势呈相同规律的变化。水平距离是影响感应电动势的主要因素。

3.2.3 大地电导率的影响

当H=30 m时，大地电导率σ对感应电动势的影响如图3所示。结果表明:电导率越小，信号电缆上产生的感应电动势就越大。只有在接近距离大于500 m，而且大地电导率大于5×10－3S/m时，直流输电线路对通信线路的感应电压满足要求。而当大地电导率很小时，即使接近距离大于1000 m，感应电动势仍然大于危险影响允许值。

3.2.4 直流输电线路电压等级的影响

当直流输电的电压等级分别为 ±500、±660、±800、±1100kV时，得到电压等级对感应电动势的影响如图4所示。从图中可看出，随着直流线路电压等级的升高，感应电动势相应增大。这是因为直流输电线路电压等级越高，所产生的静电场强度越强，通信线路上的感应电动势也就越大。还可以看到，水平距离d越短，感应电动势的变化幅度越大。

3.3 干扰影响的各种因素

等效干扰电路对杂音电动势的影响结果如图5所示。由图5可知，杂音电动势U随着输电线路与铁路通信线路间水平距离d的增大而减小，这是因为距离的变化引起2条线路间的耦合电感变化的结果。当等效干扰电流为1000 mA时，即使通信线路与直流输电线路水平很近，等效干扰电流在通信线路上的杂音电动势也能满足要求。当等效干扰电流为6000 mA时，水平间距大于500 m时才能满足要求。

图5 杂音电动势影响的计算结果Fig.5 Calculation results of disturbance voltage's influence

4 实例计算

本文对±800kV向家坝—上海特高压直流输电工程线路对渝黔铁路地埋信号电缆危险影响进行仿真计算。直流输电线路运行在单极方式下，直流架空线路与地面水平排列，运行电压为800kV，电流为4000 A，导线对地平均高度30 m，直流输电线路采用6分裂导线，分裂导线直径20 mm，将直流输电线路与铁路交汇的部分分为14段，其与铁路信号电缆的相对位置如图6所示［13］(为简略，未考虑各类屏蔽系数)。

图6 直流输电线路与渝黔铁路地埋信号电缆相对位置Fig.6 Relative location of HVDC transmission line and signal cable in Yuqian railway

分别利用公式(8)和PSCAD仿真计算铁路信号电缆上的感应电动势，计算结果见表2。

表2 感应电动势计算结果Tab.2 Calculation results V

由表可知，计算得到信号电缆芯线上的最大感应纵电动势为839 V，仿真得到信号电缆芯线上的最大感应纵电动势为1288 V，均未超过信号电缆感应电动势的限值1800×0.85 V=1530 V。

5 抑制措施

当直流输电线路对铁路通信线路产生危险影响时，应采取防护措施以保证人身和设备的安全。防护措施应根据直流输电线路和铁路通信线路的等级、安全和质量进行经济比较来确定。可选用下列防护措施。

(1)在直流输电线路方面:直流输电线路与铁路通信线路保持合理的隔距，一般应大于500 m;在直流线路上装设滤波器以减小直流侧谐波;限制单极导线短路电流，如加大平波电抗器电感量;缩短接地故障时间［14］。

(2)在铁路信号电缆方面:计算输电线路正常运行状态下和短路故障下的危险影响，当超过允许值时，对通信线路应采用保护套电缆或安装其他防护措施;受直流输电线路影响的通信线路，其金属护套应安装专用的屏蔽地线，当有多根信号电缆时，应对其保护套之间进行屏蔽;电气化铁路区段内应采用带有铝护套的铁路数字信号电缆［15］。