高速铁路通信干扰防护方法

交流电气化铁路是以接触网—钢轨（大地）为回路的单相不对称供电系统，其牵引网是一种特殊形式的单相工频交流高压输电线路。当牵引电流流过接触网时，接触网的周围产生电场和磁场，这种电场和磁场对邻近的通信线路产生危险影响和干扰影响。危险影响和干扰影响的国家标准和行业容许标准值如表1.1～表1.4所示[17]。

表1.1　危险影响容许值

表1.2　通信线路干扰影响容许值

表1.3　广播线路干扰影响容许值

表1.4　电气化铁道与短波及超短波调幅收信台防护距离

如果电气化铁道不采取防护措施，那么为了使危险影响和干扰影响限制在规定标准以内，保证通信线路正常工作和人身、设备安全，架空明线应远离电气化铁道1 km以上。如果距离达不到要求，必须采取有效的防护措施。电气化铁道通过采用带架空回流线的直接供电方式（简称DN方式）、自耦变压器供电方式（简称AT供电方式）、吸流变压器供电方式（简称BT供电方式）和同轴电缆供电方式（简称CC供电方式）[1，3，16]来降低对通信线路的危险影响和干扰影响，并使其限制在规定标准以内。

1．DN供电方式

在接触网支柱上架设一条与接触线平行的回流线（NF），并隔一定距离设置连接导线将回流线与钢轨并联，就构成了带回流线的直接供电方式，如图1.19所示。

图1.19　DN供电方式原理接线

由于NF线和钢轨并联连接，使正常运行时钢轨中负荷电流的一部分分流到NF中去，从而可降低钢轨对地电位，减少流入地中的电流，同时NF线与接触导线距离较小，增强了对接触网负荷电流磁场的去磁效应。由于这两方面的原因，可减轻对通信线路的干扰影响，并使牵引网单位阻抗降低，有利于减小电压损失和功率损失。

这种供电方式，牵引网结构简单，经济性好，因而在国内外得到了广泛的应用。但其防干扰效果不如AT供电方式和BT供电方式，故主要用于对通信干扰防护效果要求不高的场合。

2．BT供电方式

在DN供电方式的基础上，如果在牵引网的接触导线和回流线中串联接入变比为1∶1的吸流变压器（BT），即构成BT供电方式，其原理接线如图1.20所示。其中BT原边串联接入接触网，次边串联接入回流线。(www.xing528.com)

图1.20　BT供电方式原理接线

当牵引负荷电流流经BT原边时，其副边产生一个大小相等的互感电流，迫使负荷电流沿回流线流回牵引变电所而不经由轨道和大地。由于回流线与接触线中的电流反向，从而极大地减弱了牵引网周围磁场，有效降低了牵引电流对邻近通信线的干扰影响。

这种供电方式的缺点是存在半段效应，也就是当电力机车靠近BT近变电所一侧时，如图1.20所示位置时，BT3原边无电流流过，则l段对应的回流线中没有感应电流，故不能消除该段接触网所产生的磁场，失去了防护效应。l段长度约为两吸上线间距的一半，故称为半段效应。为了缩小半段效应，提高防护效果，通常牵引网每隔2～4 km设置一台BT，如此一来，半段效应对整个供电区段抗干扰的影响就很有限了。但牵引网中串联接入大量的吸流变压器后，将使牵引网阻抗大大增加，从而增大了牵引网的功率损失和电压损失，与简单直供方式相比，牵引网阻抗和电压损失约增大51%，牵引网电能损失约增大56%。由于牵引网阻抗增大，牵引变电所距离需缩短，所以供电系统成本也明显增加。由于BT串入接触网后，每一个BT原边必须与一个电分段绝缘间隙并联，当牵引列车运行通过这些电分段绝缘间隙时，BT原边绕组瞬时被短路，从而在BT的原边绕组中产生很高的自感电势，并在电力机车受电弓与接触线间产生很强的电弧，可能烧损接触线和电力机车受电弓滑板。特别是在高速列车和大负荷电流条件下，这种损害更为严重。因此，这种供电方式的应用受到了很大限制。

3．AT供电方式

为了克服吸流变压器供电方式存在的严重缺陷，提出了牵引网并联AT供电方式，其原理电路示于图1.21。图中SS为牵引变电所，其输出电压为2×27.5 kV，AT1、AT2、AT3为自耦变压器，变比为2∶1，W2∶W1=1∶1，其一端与接触网连接，另一端与负馈线连接，中点与轨道连接。两自耦变压器之间的距离一般为10 km左右。实际AT间隔按对通信线防干扰及牵引供电要求核算后确定。

图1.21　AT供电方式原理接线

若AT阻抗为零、电力机车位于AT2处，此时机车电流将被AT2全部吸上，根据变压器磁势平衡原理，流经AT2的W2与W1的电流必大小相等、方向相反，且为I/2，根据节点电流定律，流经接触网和负馈线电流也必为I/2，且该电流由牵引变电所沿接触网流出，沿负馈线流回牵引变电所。轨道中的电流为零。由于接触网与负馈线中的电流大小相等、方向相反，两者之间的距离相对很小，所以两者的交变磁场相互抵消，不存在牵引电流对邻近通信线路的电磁干扰影响。实际上AT存在着很小的阻抗。因此，在全供电臂内将有部分牵引电流流经轨道（大地）返回变电所。故仍存在对邻近通信线路的电磁干扰影响，但由于流经轨道、大地返回变电所的电流极小，因此对邻近通信线路的电磁干扰影响也必然很小。

当电力机车位于两台AT之间，如位于AT2与AT3之间时，电力机车电流将分两路流经轨道、大地，两路电流I1、I2大小分别与两分路的阻抗成反比，分路阻抗基本与机车距两AT间距成正比，所以。两分路电流在流向AT2和AT3时都有一部分流入大地。但由于I1l1=I2l2，所以在l1和l2两个长度内的电磁感应影响大小相等而方向相反，对平行于该AT段的通信线产生的电磁感应影响总合为零。

与其他供电方式相比，AT供电方式的优点是：

（1）无须提高牵引网的绝缘水平即可将供电电压提高一倍。在相同的牵引负荷条件下，接触网和负馈线中的电流大致可减小一半；牵引网阻抗小，约为直供方式牵引网阻抗的1/4，从而提高了牵引网的供电能力，大大减小了牵引网的电压损失和电能损失。牵引变电所间距可增大到90～100 km，从而减小变电所数量，降低投资。

（2）无须在AT处实行电分段，故有利于高速、重载列车顺利通过。

（3）经分析和试验表明，AT供电方式对邻近通信线的综合防护效果优于BT供电方式。

这种供电方式的缺点是：变电所接线复杂，使用变压器数量多，投资和维护费用高。例如，采用YN，d11接变压器至少需要两台（或一台三相三绕组）工作变压器；开闭所、分区亭和自耦变压器站接线也比较复杂。

当前有不少国家电气化铁道采用了这种供电方式，如日本、法国、比利时，我国北京—秦皇岛、大同—秦皇岛、郑州—武昌等电气化铁路也采用了这种供电方式。我国新建客运专线，也采用了AT供电方式。

4．CC供电方式[3]

这种供电方式又可分为接触网开口方式和不开口方式。CC供电方式不需要另设像AT供电方式的负馈线或BT供电方式的回流线那样的架空电线，对净空要求低，接触网结构简单，对邻近通信线路防护效果好，是一种优良的供电方式和防护措施。但由于其造价昂贵，无法在实际系统中大量正式采用。