甘世新，杨清舟，叶丽莎，周文俊，殷建刚，谢 敬

（1.湖北省电力勘测设计院，湖北 武汉 430040；2.武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072；3.国网湖北省电力公司，湖北 武汉 430077）

0 引言

地铁是城市轨道交通系统的重要组成部分，地铁系统的轨道线路位于地下，对城市环境的噪声影响较小，且能有效缓解城市交通拥堵，以其快捷、高效、舒适等多种优势成为各大城市发展公共交通的首要选择，给现代城市居民的日常工作和生活带来了极大的便利[1-2]。

地铁的安全可靠运行离不开电力和通信，电力、通信、信号电缆的敷设是铁路工程建设的重要组成部分。由于电力走廊资源紧张，导致越来越多的电力线路采用地下电力电缆敷设形式，并且地下电力电缆线路往往与地铁隧道邻近建设。由于电磁感应作用，电力电缆线路在运行或发生故障时，可能会对邻近地铁隧道通信线路产生干扰和危险影响，危及信号系统的正常运行，损坏与信号电缆相连的设备，危及检修工作人员的人身安全，因此研究地下电力电缆对地铁信号电缆的影响对地铁通信及地铁的安全运行具有重要的意义[3]。

目前武汉市已运行的轨道交通线路有3条线路，其中1号线（汉口北—东吴大道）为轻轨线路，2号线（金银谭—光谷广场）、4号线（黄金口—武汉火车站）为地铁线路。地铁线路3号线、6号线、7号线、8号线等正在建设，至2017年武汉市将有8条线路投入运营，总规模将达到215.3 km，基本覆盖全市。由于城市空间的局限性，武汉市地下电力电缆线路与已建或在建的轨道交通线路存在平行、相对距离小或交叉等情况[4]。随着城市的发展，地下电力电缆与轨道交通线路的增多，这些情况将更加普遍[5]。因此，需对武汉市轨道交通信号电缆与地下电力电缆目前的典型布置情况进行计算，以确定武汉轨道交通通信系统的安全运行。

1 地下电力电缆对地铁信号电缆的影响

1.1 理论计算公式

根据DL/T 5033-2006《输电线路对电信线路危险和干扰影响防护设计规程》[6]，当电力电缆正常运行或通过故障电流时，在平行敷设的信号电缆中将产生感应电动势，其公式为

式中：E为信号电缆上的感应电动势；ω为电力电缆通过电流的角频率，ω=2 pF，f=50 Hz；M为电力电缆和信号电缆之间单位长度互感系数；l为电力电缆和信号电缆的平行长度；I为电力电缆通过电流；k为各个屏蔽系数的乘积，包括电力电缆金属护套屏蔽系数k1，信号电缆金属护套的屏蔽系数k2，地铁实际运行环境屏蔽系数k3。

互感系数M与电力电缆和信号电缆的间距、频率和土壤电阻率相关，分析比较DL/T 5033-2006《输电线路对电信线路危险和干扰影响防护设计规程》、相关文献[7]中互感系数M的计算公式，在相同条件下由两个公式得到的互感系数值基本相同，但后者公式相对精简，如下所示。

式中：ρ为土壤电阻率；d为电力电缆与信号电缆间距。

电力电缆金属护套的屏蔽系数k1反映了金属护套的分流情况，经地回流的电流与所有对地短路电流之比为

式中：Rm为电缆金属护套自阻抗；Lm为电缆金属护套自感抗，一般取值范围为1.5×10-3～2.0×10-3H/km；r1为金属护套内半径；r2为金属护套外半径。

那么，流过护套的电流与所有对地短路电流之比即k1为

地铁信号电缆屏蔽层的屏蔽系数k2近似计算公式为[8]

式中:Rm2为信号电缆金属护套自阻抗；Lm2为信号电缆金属护套自感抗，一般取值1.5×10-3～2.0×10-3H/km；r3为信号电缆金属护套内半径；r4为信号电缆金属护套外半径。

系统集中存储检查中的问题并进行分级分类，安全管理人员可进行多纬度的统计分析，发现集中及突出的问题并辅助确定下一阶段的改进计划。

目前电力电缆隧道和地铁隧道主要为钢筋混凝土结构，网状结构的钢筋有较好的电导率和磁导率，对工频电场、工频磁场均有较好的屏蔽作用。因此地下电力电缆对地铁信号电缆影响的计算需考虑地下电力电缆隧道和地铁隧道钢筋混凝土的屏蔽系数。根据目前研究中的典型情况[9]，钢筋网结构的屏蔽系数可取为0.596。

在地铁隧道的实际工况中，地铁信号电缆均敷设在轨道侧附近，地铁轨道一般含有钢性物质，对电磁场具有屏蔽作用，电气化单轨线或双轨线的屏蔽系数均为0.5[10]。

综合上述分析，地铁实际运行环境屏蔽系数k3即地下电缆隧道屏蔽系数、地铁隧道屏蔽系数、地铁轨道屏蔽系数三者的乘积。

GB 6830-1986《电信线路遭受强电线路危险影响的容许值》[11]与DL/T 5033-2006《输电线路对电信线路危险和干扰影响防护设计规程》中均规定了强电线路对邻近电信线路的干扰影响与危险影响允许值。

当电力电缆处于正常运行状态时，信号电缆缆芯上的磁感应电压（包含磁感应纵电动势和磁感应对地电压）允许值为60 V；当电力电缆处于故障运行状态时，信号电缆缆芯上的磁感应电压（包含磁感应纵电动势和磁感应对地电压）允许值为430 V。

1.2 单相地下电力电缆对典型地铁用信号电缆的影响

目前电力系统中广泛使用的电力电缆有三芯和单芯两种规格，本文是针对高压单芯电力电缆进行研究。对于三相供电回路，每根电缆即一相电力电缆，三相电力电缆本身具有对称性和一定的独立性。单回电缆发生单相接地故障时只有三相电缆中的某相电缆处于故障运行，其余的两相电缆仍处于正常运行状态，单回、多回地下电力电缆发生单相接地故障时对地铁信号电缆的影响主要取决于故障相对地铁信号电缆的影响。因此为了简单、准确评估单回、多回地下电力电缆以及不同排列形式的地下电力电缆对地铁信号电缆的危险影响，应采用单相地下电力电缆发生短路故障对地铁信号电缆的危险影响进行评估。

地下电力电缆正常运行时，用0.8 kA和1.0 kA电流模拟地下电力电缆正常运行电流，地铁信号电缆的磁感应纵电动势与其和地下电力电缆的间距关系如图1所示。地下电力电缆发生单相接地故障时，用常用高压断路器的额定短路开断电流20.0、25.0、31.5、40.0、50.0 kA 模拟地下电力电缆单相接地故障电流。地铁信号电缆的磁感应纵电动势与其和地下电力电缆的间距关系如图2所示，地下电力电缆通过不同故障电流时信号电缆与地下电力电缆敷设的临界距离见表1，该距离及后文中临界距离均指地铁信号电缆和与之平行的地下电力电缆的空间距离。

观察图1可知，地下电力电缆在正常运行时，地铁信号电缆的磁感应纵电动势均在规范允许值60 V以内，不会影响信号电缆的正常运行。

图1 地下电力电缆正常运行时地铁信号电缆的磁感应纵电动势Fig.1 The magnetic induction electromotive force during normal operation of the subway underground power cable signal cable

图2 地下电力电缆发生单相接地故障时地铁信号电缆的磁感应纵电动势Fig.2 The magnetic induction electromotive force of underground power cables when the single-phase grounding fault happens subway signal cable

表1 地下电力电缆发生单相接地故障时，地铁信号电缆与地下电力电缆敷设的临界距离Tab.1 Distance of the subway signal cable and the underground power cable laid by the ground fault of the underground power cable.

通过图2可知，当地下电力电缆发生单相接地故障，电力电缆通过的短路电流在25 kA以内时，在实际敷设距离下地铁信号电缆所受到的危险影响一般不会超过磁感应允许值430 V，不会损坏信号电缆。当地下电力电缆发生单相接地故障且故障电流很大时，地下电力电缆与地铁信号电缆的间距过近可能会使地铁信号电缆的磁感应纵电动势超过磁感应允许值430 V，对地铁信号电缆产生危害。增大地铁信号电缆与地下电力电缆敷设距离能减轻危险影响的程度，地下电力电缆通过大故障电流时地铁信号电缆与地下电力电缆敷设的临界距离如表1所示。

2 武汉市典型地下电缆对轨道交通信号电缆的影响

2.1 典型情况

由于城市空间的局限性，武汉市地下电力电缆线路与已建或在建的轨道交通线路存在平行、相对距离小或交叉等情况。随着城市的发展，地下电力电缆与轨道交通线路的增多，这些情况将更加普遍，目前最典型的情况如下。

1）玉带门地下电力电缆线路与已建轨道交通1号线相对最近，部分地下电力电缆线路与轨道交通1号线平行，并且玉带门地下电力电缆线路在轨道交通1号线宗关站处与在建轨道交通3号线发生交叉，如图3所示。

图3 玉带门地下电力电缆线路与轨道交通1号线、3号线的相对位置Fig.3 The relative position of the jade door of underground power cable lines and the Metro Line 1,3

2）钢都四回地下电力电缆线路与已建轨道交通4号线相对最近，最近处相距约660 m，如图4所示。

图4 钢都四回地下电力电缆线路与已建轨道交通4号线的相对位置Fig.4 The relative position of all the four underground power cable lines have been built with rail transit line 4

3）李王线地下电力电缆线路与在建轨道交通6号线发生交叉，交叉情况如图5所示。

在以上典型情况中，钢都四回地下电力电缆线路与已建轨道交通4号线的最近距离为660 m。由2.2节可知，当地下电力电缆发生单相接地故障且通过较大的短路电流50 kA时，地下电力电缆与信号电缆的临界距离为19.52 m，而钢都四回地下电力电缆线路与4号线的最近距离远大于此临界距离，故不会影响轨道交通4号线信号电缆的正常工作。

图5 李王线地下电力电缆线路与在建轨道交通6号线的相对位置Fig.5 The relative position of the cable line and the 6 line in the construction of the railway line

下面针对武汉市地下电力电缆线路与轨道交通信号电缆较近平行距离及交叉两种情况，计算轨道交通信号电缆受到的影响。

2.2 平行段的影响

玉带门地下电力电缆隧道中心与已运行轻轨1号线中心最近水平间距为22 m，该平行段总长为3.8 km。在此平行段中地下电力电缆隧道采用了顶管隧道和排管隧道两种布置方式，其中从宗关站至汉西一路站附近地下电力电缆隧道采用顶管隧道布置方式，总长约为1.2 km，从汉西一路站至古田二路附近地下电力电缆隧道采用排管隧道布置方式，总长约为2.6 km。

1号线轻轨轨顶高度约为15 m，信号电缆敷设离轨道垂直距离约2.5 m，离轻轨隧道中心水平距离约为1.5 m。地下电力电缆顶管隧道埋深约7 m，地下电力电缆排管隧道埋深约2 m，两种地下电力电缆隧道中电力电缆均布置在离隧道顶部垂直距离约2 m，离隧道中心距离约0.5 m处。由于地下电力电缆隧道布置方式的不同，故计算玉带门地下电力电缆线路对轨道交通1号线信号电缆平行段的影响需分别计算两种地下电力电缆隧道布置方式下相应平行段信号电缆的影响，两者叠加即为玉带门地下电力电缆线路对轨道交通1号线信号电缆平行段的影响。为计算最严重的情况，假设信号电缆、地下电力电缆位于相对距离最近的一侧，且由于信号电缆、玉带门地下电力电缆的直径相对于两者的距离很小，可忽略不计。则轻轨1号线信号电缆与顶管隧道中的地下电力电缆平行长度约1.2 km，水平距离约20 m，垂直距离约26.5 m，即两者的空间距离约33.2 m。轻轨1号线信号电缆与排管隧道中的地下电力电缆平行长度约2.6 km，水平距离约20 m，垂直距离约21.5 m，即两者的空间距离约29.36 m。根据目前玉带门电力电缆线路系统规划进行模拟计算，得到轻轨1号线与电缆隧道最近位置处的最大单相短路故障电流为15 kA，即为此次计算的最大评估值。

当玉带门地下电力电缆正常运行时，根据分析计算可知此时两种地下电力电缆隧道布置方式下轨道交通1号线信号电缆缆芯上产生磁感应纵电动势均很小，不会影响信号电缆的正常工作。当玉带门地下电力电缆发生单相接地故障时，运用式（1）～式（7）可分别计算两种电缆隧道布置方式下地下电力电缆线路对轨道交通1号线相应平行段信号电缆的影响，计算结果叠加即为玉带门地下电力电缆线路对轨道交通1号线信号电缆平行段的影响，如表2所示。

表2 玉带门地下电力电缆发生单相接地故障时，轨道交通1号线平行段信号电缆的磁感应纵电动势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，当玉带门地下电力电缆线路发生单相接地故障时，轨道交通1号线信号电缆上产生的磁感应纵电动势低于危险影响允许值430 V，不会对信号电缆造成危险影响。

2.3 交叉段的影响

玉带门地下电力线路对轨道交通3号线及李王线地下电力电缆线路对轨道交通6号线信号电缆交叉段的影响。

根据DL/T5033-2006《输电线路对电信线路危险和干扰影响防护设计规程》可知[11]，信号电缆与地下电力电缆交叉时互感M的计算方法有所改变，一般交叉情况如图6所示。O为交叉点，lA、lB分别为交叉点左、右两边的电力电缆长度，aA、aB分别交叉点两边信号电缆与电力电缆的最大垂直距离。

图6 电力电缆与信号电缆交叉情况Fig.6 Power cable and signal cable crossing

当x≤6时，

当x＞6时，S(x)=701.69-400x1。

观察图3和图5可发现，玉带门地下电力电缆线路与在建的轨道交通3号线、李王线地下电力电缆线路与在建的轨道交通6号线基本垂直交叉，故地铁信号电缆的长度即为其与地下电力电缆的垂直距离。由于距离交叉点越远的电力电缆对信号电缆的影响越小，且距离交叉点越远的信号电缆所受到的电力电缆的影响也越小，故取交叉点左右两边地下电力电缆、信号电缆10 m为研究对象，即lA、lB、aA、aB均为10 m。

当地下电力电缆线路正常运行时，3根地下电力电缆流过三相对称电流，对外界产生的磁场有相互抵消作用，对地铁信号电缆产生电磁干扰叠加后将很小，不会影响其正常工作。当地下电力电缆发生单相接地故障时，根据式（1）～式（8）计算地下电力电缆发生单相接地故障时，与其垂直交叉的信号电缆的磁感应纵电动势，如表3所示。

表3 地下电力电缆发生单相接地故障时，交叉段信号电缆的磁感应纵电动势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，当玉带门地下电力电缆线路、李王线地下电力电缆发生单相接地故障时，与其垂直交叉的信号电缆上产生的磁感应纵电动势均很小，远小于规程允许值，不会影响信号电缆的正常运行。因此，地下电力电缆与信号电缆垂直交叉布置时基本不会对地铁线路信号电缆的运行造成影响。

3 结论

本文通过对武汉地下电力电缆对轨道交通信号电缆的影响进行理论分析和实例计算，得到以下结论：

1）为了简单、准确评估单回、多回地下电力电缆以及不同排列形式的地下电力电缆对地铁信号电缆的危险影响，应采用单相地下电力电缆发生短路故障对地铁信号电缆的危险影响进行评估；

2）通过理论计算得到电缆线路在正常及故障状态下运行对信号电缆的影响，以及地下电力电缆发生单相接地故障时，地铁信号电缆与地下电力电缆敷设的临界距离；

3）通过对武汉市轨道交通信号电缆与地下电力电缆目前的典型布置情况进行计算，可知目前已建的布置情况下，地下电力电缆均不会对轨道交通信号电缆造成干扰影响或危险影响。

4）对于武汉市未来轨道交通信号电缆与地下电力电缆的临近建设，可依据实际情况进行理论计算，确定地铁信号电缆与地下电力电缆敷设的临界距离，以对其提供建设依据。

（References）

[1]曹小曙，林强.世界城市地铁发展历程与规律[J].地理学报，2008，63(12):1257-1266．Cao Xiaoshu,Lin Qiang.The evolution of world⁃wide metro systems:a study on their scales and network indexes[J]. Acta Geographica Sinica,2008,63(12):1257-1265.

[2]梁宁慧，刘新荣，曹学山，等．中国城市地铁建设的现状和发展战略[J]．重庆建筑大学学报，2008，30(6)：81-85．Liang Ninghui,Liu Xinrong,Cao Xueshan,et al.Present situation and developing strategy of urban subway construction in P.R.China[J].Journal of Chongqing Jianzhu University,2008,30(6):81-85.

[3]闫莎莎．铁路强电磁干扰对信号系统的影响[D]．北京：北京交通大学，2014．Yan Shasha.The influence of railway strong elec⁃tromagnetic interference on the signal system[D].Beijing:Beijing Jiaotong University,2014.

[4]唐剑．电力线路对邻近并行埋地金属管道电磁干扰影响的研究[D]．保定：华北电力大学，2004．Tang Jian.Research of electromagnetic interference from power lines to a nearby underground metallic pipeline[D].Baoding:North China Electric Power University,2004.

[5]钱国峰.地铁隧道内高压电力电缆输电系统对有线通信的影响[J].都市快轨交通，1989(2):10-12．Qian Guofeng.Effect of high voltage power cable transmission system on cable communication in metro tunnel[J].Urban Rail Transit,1989(2):10-12.

[6]DL/T5033-2006输电线路对电信线路危险和干扰影响防护设计规程[S].2006.DL/T5033-2006 The design rules of telecommunica⁃tion lines against danger and interference effects from power transmission lines[S].2006.

[7]门汉文，崔国璋，王海.电力电缆及电线[M].北京:中国电力出版社，2001.Men Hanwen,Cui Guozhang,Wang Hai.Power ca⁃bles and wires[M].Beijing:China Power Press,2001.

[8]王婧婧，沈保国.电气化铁路信号电缆接地对其屏蔽性能的影响[J].科技信息，2011，27(5):751-752.Wang Jingjing,Shen Baoguo.Influence of electric railway signal cable grounding on shielding perfor⁃mance[J].Science and Technology Information,2011,27(5):751-752.

[9]游步新，邓文东，李扬，等.钢筋网尺寸参数对配电房母排磁场屏蔽效能的影响研究[J].深圳信息职业技术学院学报，2009，7(4):74-78.You Buxin,Deng Wendong,Li Yang,et al.Influ⁃ence of steel grid parameter on its shielding effec⁃tiveness for indoor distribution substation[J].Jour⁃nal of Shenzhen Institute of Information Technolo⁃gy,2009,7(4):74-78.

[10]李国征.电力电缆线路设计施工手册[M].北京:中国电力出版社，2007.Li Guozheng.Manual of design and construction of powercables[M].Beijing:China Electric Power Press,2007.

[11]GB6830-86电信线路遭受强电线路危险影响的容许值[S]．1986 GB 6830-86 The tolerable 1imits of danger ontele⁃communication lines from power line[S].1986.