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電氣化鐵路電纜燒損機理分析及工程防護措施探討

文檔作者：劉艷杰1 彭陽2 文檔來源： 1.中鐵通信信號勘測設計（北京）有限公司 2.西安交通大學，		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年12月13日
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Technological Exchange 技術(shù)交流
86
電氣化鐵路電纜燒損機理分析及工程防護措施探討
劉艷杰1 彭 陽2
（1.中鐵通信信號勘測設計（北京）有限公司，北京 100036
2.西安交通大學，西安 710049）
摘要：基于Z P W -2000 軌道電路數(shù)字信號電纜結(jié)構(gòu)，分析電纜燒損機理，并建立仿真模型，定量的
給出貫通地線與電纜金屬外皮電位差的分布情況，最后根據(jù)分析結(jié)論提出信號電纜燒損的防護措施
及建議。
關(guān)鍵詞：ZPW-2000 軌道電路；電纜；仿真
Abstract: Based on the structure of digital signal cable of ZPW-2000 track circuit, the paper presents the
analysis of the cable burning mechanism, the establishment of simulation model, as well as the quantitative
distribution of potential difference between the earth wire and the cable metal sheath, and it puts forward
the protection measures and suggestions of signal cable burning loss according to the analysis conclusions.
Keywords: ZPW-2000 track circuit; cable; simulation
DOI: 10.3969/j.issn.1673-4440.2017.04.025
近年來，電氣化鐵路燒信號電纜現(xiàn)象屢屢出
現(xiàn)，其中不乏一次燒損10 余條，恢復延時10 h 以
上，大大影響運輸效率。經(jīng)過對車站電纜引入、橋
梁兩端部、橋梁上、隧道口及其他處所燒電纜情況
的分析，可以清晰地了解引發(fā)燒電纜的原因，進而
提出有效防范措施。燒信號電纜雖屬小概率的偶發(fā)
事件，但有其發(fā)生的必然性。防止燒電纜必須針對
電纜燃燒的原因采取措施，特別是合理確定工程防
護方案。
1 鐵路數(shù)字信號電纜結(jié)構(gòu)及燒損機理分析
1.1 電纜結(jié)構(gòu)
鐵路數(shù)字信號電纜（SPT）是ZPW-2000 型軌
道電路的信號傳輸電纜，隨著該制式軌道電路的推
廣應用，已在全路大范圍使用。以我國高鐵常用的
SPTYWPL03-8A 型雙四線組信號電纜為例，其結(jié)
構(gòu)由兩組沿順時針方向平滑對角扭絞的四芯線組成，
如圖1 所示。
外護套
內(nèi)襯層
繞包層
繞包層
內(nèi)屏蔽層
芯線絕緣
銷裝
護套
線芯
空氣
空氣
空氣
y
x
（a)橫截面圖（b)縱剖面圖
圖1 雙四線組信號電纜結(jié)構(gòu)示意圖
鐵路通信信號工程技術(shù)(RSCE） 2017年8月，第14卷第4期
萬方數(shù)據(jù)
87
Technological Exchange 技術(shù)交流
最外層為外護套，其特點為：
a . 絕緣性能較好， 絕緣耐壓不小于交流
4 000 V ；
b . 非阻燃，當乙烯護套出現(xiàn)破損（多為施工過
程電纜在地面拖拽損傷、防護不良或老化）時，護
套內(nèi)的鋼帶與護套外金屬物存在足夠大電位差，將
發(fā)生“火花放電”，并殃及破損處周邊乙烯材料；在
土中掩埋隔絕空氣時，上述“火花放電”仍會損傷
乙烯材質(zhì)，但無氧氣不
發(fā)生燃燒現(xiàn)象；
c . 聚乙烯護層具有
較差的延燃性，從火花
引發(fā)燃燒以及蔓延均需
一個較長時間過程。
d . 聚乙烯護層起
燃后具有極強的燃燒
能力，足以引燃周邊電
纜，并造成電纜芯線絕
緣護層熔化直至短路。
鋼帶護層，其特點
如下：
a. 良好的導電性；
b . 在乙烯護層-1 內(nèi)呈帶狀纏繞狀，其邊沿鋒
刃易割破護層。
內(nèi)襯層也具有較高的絕緣耐壓，該護層受鋼帶
等保護，一般不易損傷，鋁護套與鋼帶間電位差不
致構(gòu)成放電。特殊情況下，如電纜敷設受外界不正常
應力破壞，內(nèi)襯層破損，鋁護套與鋼帶間也可造成
“火花放電”損傷電纜（包括鋁護套、電纜芯線等）。
鋁護套：導電性能良好；
四芯組（含屏蔽層、排
流線）：信號傳輸線纜。
1.2 燒損機理
電纜燒損主要原因為
不同金屬物間的電位差導
致拉弧放電引燃，尤其電
氣化鐵路牽引電流較大，
不同電氣環(huán)境或地段環(huán)境
均會引起電纜與其他金屬
物間的電位差。
1.2.1 電位差來源
電纜鋼帶或鋁護套與其他金屬間電位差主要由
下面兩個途徑構(gòu)成。
1）電磁耦合
鐵路信號電纜沿鋼軌線路放置于線路旁，在電
氣化鐵路上，不可避免的要與供電線路、鋼軌、貫
通地線等進行電磁耦合，在電纜鋼帶、鋁護套與地
線形成的回路中，形成感應電流，如圖2 所示。
圖2 電磁耦合示意圖
供電線路
供電線路與電纜耦合
鋼軌
電纜鋼帶、鋁護套
貫通地線
完全橫向連接點
鋼軌與電纜耦合鋼軌與電纜耦合
完全橫向
連接點
鋼軌
供電線路與電纜耦合
SVA
電纜外皮與地線構(gòu)成的回路中形成耦合電流
供電線路
貫通地線
完全橫向連接點
完全橫向
連接點
鋼軌鋼軌
電纜外皮與地線構(gòu)成的回路中形成耦合電流
電纜鋼帶、鋁護套
間距約1 km 斷離 地2
SVA
地1
圖3 電謊傳導示意圖
2）電流傳導
電流傳導途徑主要發(fā)生在電纜外皮雙端接地，
且未敷設貫通地線或敷設的貫通地線斷裂情況下。
此時，不同接地極之間電位不等，由空芯線圈引入
的工頻電流通過電纜外皮形成回流，如圖3 所示。
當圖3 中地1 與地2 不等電位且連接其的貫通
地線斷離或未設置貫通地線時，SV A 引入的工頻電
流會通過電纜外皮流通。
1.2.2 燒損原因分析
電氣化鐵路中，電纜外皮一般單端接地。當電
纜外皮中有上述耦合或傳導電流流過時，電氣回路
No.4 劉艷杰，彭 陽:電氣化鐵路電纜燒損機理分析及工程防護措施探討
萬方數(shù)據(jù)
Technological Exchange 技術(shù)交流
88
中會因電纜外皮自身阻抗、貫通地線自身阻抗的存
在使得電纜外皮與貫通地線間存在一定的電位差，
如圖4 所示。
貫通地線
電纜鋼帶、鋁護套l
Z外皮
Z外皮
電位差放電
圖4 燒電纜放電回路原理示意圖
2 電纜放電模型及仿真分析
S P T 電纜為多芯扭絞的多導體傳輸線且扭絞周
期重復，可將長電纜等效看作由多個單扭絞周期的
多導體傳輸線鏈接而成。因此，可先進行單扭絞周
期的建模分析，而后按電纜長度進行級聯(lián)。
2.1 單扭絞周期
2.1.1 分布參數(shù)計算
單扭絞周期電纜模型中涉及的分布參數(shù)包括：
電容、導納，電感、電阻。
1）電容和導納
由電磁場知識可知，頻率對電容和導納參數(shù)影
響不大，可按靜電場方法計算獲得。靜電場能量W
與自電容Cii 和互電容Cij 的關(guān)系如式(1) 所示。
(1)
式（1）中，n=12 為導體根數(shù)，Ui、Uj 分別為
第i 根和第j 根導體施加激勵電壓，Cii 為第i 根導體
的自電容，Cij 為第i 根和第j 根導體之間的互電容。
2）電感和電阻
頻率對電感和電阻影響較大，計算時通過循環(huán)
以電流為激勵源的方法進行激勵，其關(guān)系矩陣，如
式(2) 所示。
Ri = (UiR IiR - UiI IiI)/(I2
iR + I2
iI）
Lii=(UjR IiI+UiI IiR)/[2πf (I2
iR + I2
iI)] (2)
Lij=(UjR IiI+UiI IiR)/[2πf (I2
iR + I2
iI)]
式（2）中，IiR、IiI 為第i 根導體的激勵電流的
有效值實部和虛部，UiR、UiI 為第i 根導體的電位有
效值實部和虛部，UjR、UjI 為第j 根導體的電位有效
值實部和虛部。
2.1.2 單個扭絞周期電纜參數(shù)計算
在上述每段單位長度分布參數(shù)基礎上，計算各
分段級聯(lián)的鏈參數(shù)矩陣Φk(ΔZk)，如式(3) 所示。
V (Zk,S)
I (Zk,S)
V (Zk-1,S)
I (Zk-1,S)
Φ11(ΔZk,S) Φ12(ΔZk,S)
Φ21(ΔZk,S) Φ22(ΔZk,S)
= (3)
式（3）中，Φ11(ΔZk,S)、Φ12(ΔZk,S)、Φ21(ΔZk,S)、
Φ22(ΔZk,S) 為Φk(ΔZk) 的12×12 子矩陣，V(Zk,S) 為第
Zk 段均勻傳輸線末端電壓、I(Zk, S) 為第Zk 段均勻傳
輸線末端電流向量，V(Zk-1，S) 為第Zk-1 段均勻傳輸線
末端電壓、I(Zk-1，S) 為第Zk-1 段均勻傳輸線末端電流
向量。一個扭絞周期電纜傳輸線鏈參數(shù)矩陣如式(4)
所示：
Φ(p)=ΦN(ΔZN)×… ×Φi(ΔZi)×… ×Φ1(ΔZ1)
= Φk(ΔZN)
(4)
式中，N=10，Φ(p) 為整個扭絞周期長度電纜傳
輸線鏈參數(shù)矩陣，Φk( ΔZk ) 為第k 段均勻傳輸線鏈
參數(shù)矩陣。
根據(jù)式(4)，單位長度阻抗和導納參數(shù)矩陣如式
(5) 所示。
Z(S)=2(Φ-1
21 - Φ11 Φ-1
21)/p
Y(S)=Φ21/p
(5)
2.2 完整電纜的建模
根據(jù)最大長度小于λ/10 時可采用集總參數(shù)電路
等效的原則，將上述傳輸線矩陣等效為π 型電路，
如圖5 所示，垂直分支是導納矩陣Yl /2，其水平分
支是阻抗矩陣Z(S) l。圖中Znn 為第n 根導體內(nèi)阻抗，
Zin 為第n 根和第i 根導體間的互阻抗，ynn 為第n 根
導體對參考導體電導，yin 為第n 根和第i 根導體間
的互電導。
導體 n
導體 l
參考
長度i
2 2
ynn
znn
yll
zll
z0
2
yln zln 2
yln
2
yll
2
ynn
圖5 集總 兀 型籌效電路近似迭代結(jié)構(gòu)
2.3 電纜外皮電位差仿真分析
根據(jù)上述建模方法在EMT P 中搭建仿真模型，
計算模型中貫通地線與信號電纜平行鋪設10 km，每
1 km 進行一次單端接地，當貫通地線流過電流為
20 A 時，在平行信號電纜上的感應電動勢與貫通線
鐵路通信信號工程技術(shù)(RSCE) 2017年8月
萬方數(shù)據(jù)
89
Technological Exchange 技術(shù)交流
間距關(guān)系計算結(jié)果如圖6 所示，數(shù)據(jù)如表1 所示，貫
通線與信號電纜間距從5 c m 逐漸增大到100 m，距
離越靠近感應電動勢急劇增加，距離40 cm 時電纜
感應電壓幅值為98 V，實際工程中應該盡量將信號
電纜與貫通地線的間距控制在60 cm 以上。保持電
纜與貫通線間距60 cm 不變，改變信號電纜接地電
阻，從0.1 增加到15 Ω，電纜芯線感應電動勢計算
結(jié)果如表2 所示，信號電纜單端接地情況下，感應電
動勢基本不隨接地電阻變化而變化。
140
120
100
80
60
40
20
0 20 40 60 80 100
電纜芯線電位／V
貫通線與電纜距離／m
圖6 貫通地線與電纜距離對應芯線感應電壓關(guān)系
表1 平行信號電纜感應電壓與貫通間距關(guān)系計算結(jié)果
信號電纜與貫通地線距離/m 信號電纜感應電動勢/V
0.05 125
0.1 120
0.2 107
0.4 98
0.8 89.7
1 86.8
2 78.2
5 66.8
10 58
20 49.6
50 38.4
100 30
表2 不同接地電阻時通信信號電纜感應電動勢(間距0.6 m)
接地電阻/Ω 信號電纜感應電動勢/V
0.1 93.31
0.2 93.31
0.5 93.31
1 93.31
5 93.31
10 93.32
15 93.32
3 小結(jié)
綜上所述，在電纜敷設時，應注意電纜與貫通
底線同槽敷設時，物理隔離距離不小于60 c m，并
用軟土掩埋與空氣隔離；在橋梁地段不采用金屬托
盤或金屬槽道；電纜鋼帶、鋁護套按規(guī)定接地；以
及可靠地實現(xiàn)相關(guān)金屬間等電位等防護措施。
參考文獻
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信號設計規(guī)范[S]. 北京: 中國鐵道出版社，2006.
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清華大學出版社，2013.
[4] 楊世武，馬滄海，楊波，等. 重載條件下牽引電流對橋
梁區(qū)間信號電纜的影響研究[ J ] . 鐵道學報，2014，36（5），
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[8] 馬滄海，楊世武，劉倉，等. 重載橋梁區(qū)段信號電纜防
護牽引電流影響的改造措施[ J ] . 鐵路通信信號工程技術(shù)，
2014，11（2）：8-11.
（收稿日期：2017-05-18）
No.4 劉艷杰，彭 陽:電氣化鐵路電纜燒損機理分析及工程防護措施探討
* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *
中國鐵路通信信號上海電信測試中心：是經(jīng)國家認證認可委員會認證的專門從事鐵路、城市
軌道交通通信、信號系統(tǒng)工程與設備檢測，具有國家級資質(zhì)的第三方檢測扔構(gòu)，證書編號為2012002077N。
2012 牟中心被認定為“高新技術(shù)企業(yè)”。
本期廣告企業(yè)簡介
（詳見后插2）

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