屏蔽变压器在电气化铁路信息传输电缆防干扰中的应用

2021-11-13常媛媛张博闻

电气化铁道 2021年5期

常媛媛，张博闻，杨蕾

0 引言

电磁感应原理决定了变化的电流将在其周围产生磁场，当磁场与邻近的导电回路产生交链时，将在导电回路中产生感应电压。在电气化铁路环境中，前者为干扰源，后者为受扰对象，当前者的等效干扰电流为零时，称其为平衡系统，此时对后者不产生电磁干扰。

电气化铁路牵引供电方式的发展过程也是对电磁干扰问题的思考与改进的过程。从直接供电到带吸流变压器（BT）的直接供电，再到自耦变压器（AT）供电，牵引供电系统的电磁不平衡度逐渐降低，到AT 供电方式时，牵引供电系统相对于沿线的弱电设备及电缆的电磁不平衡度得到很大改善，理想情况下接近于平衡系统[1，2]。AT 供电方式的出现使电气化铁路内部电磁环境对弱电设备电缆的电磁影响大大降低，但是随着电气化铁路改造及新建市域铁路中直接供电方式的应用，电磁干扰问题再度出现。因此，只有真正解决电磁感应对沿线弱电系统设备的电磁干扰，才能有效保证运输安全和旅客生命财产安全。

1 电气化铁路直接供电方式电磁干扰

当接触网供电臂内有机车运行时，直接供电方式接触导线将在其周围空间内产生交变电磁场，对沿线信息传输电缆产生磁感应耦合，在电缆芯线上产生感应电压。长白电气化铁路即采用直接供电方式，电磁感应模型简化示意如图1 所示。

图1 接触网对电缆感应干扰简化模型

根据电磁感应方程，接触网电磁干扰导致电缆芯线产生的感应电压为

式中：K为感应系数，K=Z1A/ZA，Z1A为牵引供电系统和信息传输电缆间的互阻抗，ZA为信息传输电缆阻抗；I1为接触网电流（即施感电流），A；lp为信息传输电缆与接触网之间的平行接近长度，km；x为测点到电缆始端距离；γ为信息传输电缆传播常数；Zc为信息传输电缆特性阻抗。

当电缆处于正常工作状态下，沿线电缆芯线对地近似绝缘，这时电缆芯线两端的对地感应电压大小相等，相位相反，并为沿线对地感应电压的极值，而芯线中点处的对地感应电压为零，故可得电缆芯线始端和终端的电位差为

由此可知，当绝缘的电缆芯线受平行接近的交流电气化铁路接触网电磁感应影响时，在接近段内，芯线始端和终端对地电压的极值为两端间感应纵电势的一半。

电缆芯线上的感应电压分布与电缆的接地方式有关，接地方式不同，接触网电磁影响导致电缆芯线产生感应电压的分布也不同。

图2 感应电压电流分布（一）

（2）电缆始端绝缘，终端接地。V0= -E；Vl=0；I0= 0；Il=kmI1th(γl)。此时电缆感应电压和电流变化曲线如图3 所示。

图3 感应电压电流分布（二）

图4 感应电压电流分布（三）

（4）电缆两端接地。V0=Vl= 0；I= -kmI1。此时电缆感应电压电流变化曲线如图5 所示。

图5 感应电压电流分布（四）

2 屏蔽系数

为降低铁路沿线信息传输电缆芯线上的感应电压，确保信息正常传输，可在铁路沿线设置屏蔽导体对电缆芯线进行屏蔽保护；同时，钢轨、桥隧的钢筋结构也可对电缆芯线起到屏蔽保护作用；电缆外皮可充当屏蔽层对芯线实施屏蔽保护，保护方式为双端接地。在实际测量和计算中，用屏蔽系数来表征屏蔽层对电缆芯线的电磁防护效果，屏蔽系数越小，防护效果越好。屏蔽系数的计算式为

式中：u0为没有屏蔽层时芯线的感应电压；u为有屏蔽层时芯线的感应电压。

2.1 钢轨屏蔽系数

由于交流电气化铁路是一个以接触网为去线，钢轨、回流线和贯通地线、大地等回流导体为回线的不平衡供电回路，因此钢轨中的电流与接触网中的电流方向相反，对邻近电缆的磁感应影响起抵消作用。钢轨电流的这种抵消作用通常用屏蔽系数来衡量。钢轨电流屏蔽系数包括钢轨全电流屏蔽系数和钢轨感应电流屏蔽系数。当电力机车远离牵引变电所时，即在距电力机车及牵引变电所3～5 km 的钢轨内，将只存在感应电流分量，传导分量基本漏泄入地，此时钢轨屏蔽系数即为钢轨感应电流屏蔽系数[3]。

2.2 牵引供电系统屏蔽系数

类似钢轨屏蔽系数的分析，牵引供电系统对信息传输电缆的电磁防护作用由各回流导体对电缆芯线的屏蔽系数的乘积决定。当牵引供电系统相对于电缆呈一个平衡回路时，去线电流和等效回线电流在信息传输电缆芯线上的感应电压完全抵消。

2.3 桥隧等的屏蔽系数

当交流电气化铁路穿越长大钢架结构的桥梁或长大隧道时，桥梁钢架及隧道内的钢筋结构物、厚土层等对邻近的信息传输电缆线路具有屏蔽作用，其屏蔽效果因桥梁钢架尺寸、长度及隧道的长度和结构不同而异，应通过实测确定。

3 屏蔽变压器的防护原理

屏蔽变压器防护原理是通过提高电缆金属护套和芯线之间的互感，增加电缆护套电流对芯线的感应作用，从而提高电缆屏蔽效果[4，5]。

假设牵引电流在电缆金属护套上感应的纵电动势E1和在芯线上感应的纵电动势E2基本相等，而护套两端接地，则在护套上产生的感应电流为

金属护套中的电流I2在芯线中又产生一个感应电动势E2′，其与电流I2在护套阻抗上产生的电压降方向相反，大小近似相等，其值为

可见，护套-大地回路电感LR越大，芯线上剩余电压越小，则屏蔽性能就越好。

采用屏蔽变压器的方式，由于屏蔽变压器电感LRT可以比LR足够大，比采用钢带铠装的防护效果好。钢带铠装相当于铁心变压器，其初级（金属护套）和次级（电缆芯线）各有1 匝，而屏蔽变压器的初、次级线圈可以做成若干匝，且其之间的互感和匝数m的平方成正比，即

式中：μ′为铁心的相对磁导率；A为变压器绕组导线的横截面积，m2；lb为变压器绕组长度，m；m为变压器匝数。

因此，屏蔽变压器初级和次级线圈之间的互感可以根据屏蔽性能的要求做到足够大，而电缆铠装无法实现。其次，普通钢带电感量低，可通过采用高导磁率的钢带提高电感量，然而导磁率高的钢带目前不能承受如电缆铠装所采用的加工方式，而屏蔽变压器可以采用高导磁率铁心材料，从而可以达到良好的屏蔽效果。

4 工程应用设计及设置原则

假设被保护的电缆金属护套与地绝缘，经理论分析和试验证明，变压器采用1∶1 的变比可获得较理想的屏蔽效果，根据电缆屏蔽系数的定义，忽略变压器的漏感，可以得到加装屏蔽变压器后的电缆理想屏蔽系数γ0：

式中：MR′ 为电缆金属护套和变压器初级线圈的直流电阻，Ω；LR为电缆金属护套-大地回路的电感，通常取2 mH/km；LRT为屏蔽变压器电感量，H。

因LRT>>LR，且MR′ ≈RM，则式（8）可以写为

求得LRT后，就可按一般的变压器设计原则进行设计。确定屏蔽变压器的参数须具备下述条件：

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（1）应补偿的电压频率和幅值；

（2）加装屏蔽变压器后电缆的屏蔽系数γ0；

（3）电缆被影响段长度及该长度上不同区段的影响长度；

（4）被影响电缆的结构，即芯线数、导线直径、扭绞特性、金属护套结构及直径、铠装结构及金属护套单位直流电阻等；

（5）确定接地条件，即电缆外护层的接地电阻。

在工程应用设计中，屏蔽变压器安装数量依据影响段内电缆芯线上的感应纵电动势的大小而定。屏蔽变压器将纵电动势分段，每段的纵电动势不得超过允许值。一个信息传输电缆段内需要安装的屏蔽变压器数量可由下式确定：

式中：E为电缆长度上的纵向感应电动势，V；u为纵电动势允许值，V。

屏蔽变压器设置的原则：（1）屏蔽变压器应尽可能安装在电缆被保护段的中间位置。（2）尽可能做到在电缆上感应纵电动势等于允许值的每一个影响区段内安装1 台屏蔽变压器。如果电缆与交流电气化铁路为复杂接近，每一小段感应电压不等，每1 台屏蔽变压器的实际保护长度也不同，在这种情况下，为了提高变压器屏蔽效果，应根据实测纵电动势的分布情况合理确定屏蔽变压器的位置。（3）考虑电缆的平衡问题，屏蔽变压器应尽可能安装在电缆接头处。

5 屏蔽变压器屏蔽效果测试

5.1 测试布置

结合长白电气化铁路现场测试及防护需求，设计了工程应用屏蔽变压器，其外形如图6 所示。

图6 屏蔽变压器实物

本次设计的屏蔽变压器额定电压60 V，额定电流10 A，变压器变比1∶1，初次级匝数各36 匝，设计初次级接线端子，初级为1 组接线，次级可同时接入8 组芯线对。

5.2 屏蔽效果测试及分析

为了测试该屏蔽变压器的屏蔽效果并应用于实际工程，设计了屏蔽效果测试电路，并搭建了测试平台进行屏蔽效果测试。

当50 Hz 基波及谐波发生器输出不同的电压时，变压器次级回路将耦合出相应的电压，调整滑动变阻器阻值，外护层、芯线回路电压将发生变化。调整电流发生器，分别进行了施感电压为10、20、30、40、50、60、70 V 的测试；在每一次测试中，分别调整滑动变阻器阻值，观察不同阻值条件下芯线感应纵电动势的变化。测试结果及分析如下：

（1）电缆外护层接地电阻为1 Ω，未接入和接入屏蔽变压器时芯线感应纵电动势的测试值见表1。