牵引供电系统对通信线路电磁干扰的机理与防护路径

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牵引供电系统对通信线路电磁干扰的机理与防护路径

摘要：单相工频交流制牵引网采用接触线送电、钢轨与大地回流的非对称供电结构，牵引电流入地后形成的交变电磁场会对沿线通信线路产生静电感应、电磁感应和传导电流三类影响，按性质又可分为危险电压影响和杂音干扰影响。本文依据《牵引供电系统》学习包中关于牵引网干扰成因、影响分类及防护措施的论述，梳理干扰产生的物理机理，归纳从牵引供电系统侧和通信线路侧两个方向采取的防护手段，重点分析回流线、吸流变压器—回流线装置、自耦变压器供电方式及同轴电力电缆供电方式的作用逻辑，并讨论供电臂长度控制与机车类型选择对谐波干扰程度的影响，为供电专业人员理解干扰治理思路提供参考。

关键词：牵引供电；通信干扰；电磁感应；回流线；供电方式

引言

单相工频交流制是我国电气化铁道自建设之初即采用的电流制。学习包在比较四种牵引电流制时指出，工频单相交流制具有牵引供电系统结构简单、供电电压高、变电所结构简化等优点，但同时也存在三个方面的主要问题，其中之一便是牵引网中的单相工频电流将对沿线通信线路造成较大的电磁干扰。这一问题的根源在于牵引供电系统本身的供电结构：牵引网是一种不对称供电方式，作为送电导线的是架空接触线，而担任回流导线的则是钢轨和大地。正是这种“接触线送电、钢轨—大地回流”的格局，使牵引电流不可能完全沿钢轨返回牵引变电所，一部分电流泄入大地后又在远处返回轨道，形成地中电流分量，进而在周围空间产生未被平衡的交变电磁场，对邻近通信线路和其他弱电线路造成影响。

对铁路供电专业人员而言，理解这一干扰问题的价值不在于通信专业本身的线路设计，而在于认清牵引供电系统侧可以采取哪些措施来削弱干扰源。学习包明确将防护措施分为“通信线路可采用”和“在电气化铁道中可采用”两大类，并指出从牵引供电系统方面采取防护措施，可以使沿线所有受影响的弱电流线路都受到保护。本文即围绕这一判断展开，依据学习包中关于干扰成因、影响分类和防护措施的论述，梳理干扰产生的机理链条，分析各类供电侧防护方式的作用逻辑，并讨论供电臂长度控制和机车类型选择对干扰程度的影响，最后给出供电专业视角下的结论与建议。

一、牵引网干扰的成因与分类

学习包对牵引网干扰成因的描述从电流分布入手。电力机车牵引电流的一部分经轨道流入大地，另一部分沿轨道流回牵引变电所；沿轨道流回的电流又相继泄入大地，之后又相继由地中流回轨道。其结果是，沿轨道的电流呈现“先多、后少、最后又多”的分布，而地中电流则呈现“先少、后多、最后又少”的分布。在运行的电力机车与牵引变电所之间的中段，轨道中的电流只剩感应电流，地中电流占有相当大的部分。学习包指出，地回路可用一条等值地回线代替，其入地深度近千米。由于钢轨与大地距接触线的距离相差很大，将在其周围空间产生未被平衡的交变电磁场，对邻近通信线路产生较为严重的影响，可以破坏这些线路的正常工作，甚至危及设备及人身安全。

在此基础上，学习包将交流电气化铁道对通信线路的影响按产生根源分为三类：静电感应影响、电磁感应影响和传导电流影响。其中静电感应影响和电磁感应影响分别由牵引网的电压和电流所引起；传导电流影响则是由于牵引电流流过钢轨—大地时使大地不同点出现不同电位所引起。学习包特别指出，传导影响仅限于对采用“导线—地”传输形式的弱电线路，因为这种形式的电路有位于不同地点的两个或两个以上的工作接地点，当牵引电流使这些工作接地点间产生电位差时，就会产生干扰电流，从而破坏原线路的正常工作。

按影响性质，学习包又将其分为危险电压影响和杂音干扰影响两种。前者指牵引网对邻近通信线路的感应影响严重到足以危及设备绝缘或接触这些被感应线路和设备的人员的人身安全；后者指这种影响破坏了通信线路的正常工作，例如使电话线路中出现干扰杂音、降低通信质量。学习包由此得出结论：研究电气化铁道对通信线路的影响和防护措施，是单相工频交流制电气化铁道的重要技术课题之一。

二、供电侧防护措施的作用逻辑

学习包在防护措施部分明确区分了两个方向：通信线路侧的措施和电气化铁道侧的措施，并指出本书主要介绍从牵引供电系统方面采取的防护措施。已采取的供电侧防护措施包括四类供电方式：采用带架空回流线的直接供电方式（DN供电方式）；在牵引网中加装吸流变压器—回流线装置（BT供电方式）；在牵引供电系统中采用自耦变压器供电方式（AT供电方式）；采用同轴电力电缆供电方式（CC供电方式）。此外还包括限制供电臂长度、合理选用电力机车类型以及牵引变电所加装阻尼装置等措施。

这四类供电方式的共同逻辑，是改变牵引电流的回流路径，使回流电流尽可能靠近接触线，从而削弱接触线与回流路径之间因距离悬殊而形成的未被平衡电磁场。以带架空回流线的直接供电方式为例，回流线架设在接触线附近，为牵引电流提供一条与接触线空间距离较近的回流通路，使原本经钢轨—大地返回的电流更多地转移到回流线中，减小地中电流分量，从而降低对通信线路的电磁感应影响。吸流变压器—回流线装置则通过吸流变压器的作用，强制牵引电流经由回流线返回，进一步压缩地中电流的比例。自耦变压器供电方式和同轴电力电缆供电方式同样围绕回流路径的优化展开，前者通过自耦变压器接线改变供电结构，后者以同轴电缆的芯线和外皮分别承担送电与回流功能，使送电与回流导体同轴布置，空间电磁场相互抵消的程度更高。

学习包还指出，限制供电臂长度可以限制供电臂对通信线路影响的安培公里，从而减小对通信线路的危险电压影响。这一措施的逻辑在于：干扰强度与牵引电流和并行长度的乘积相关，缩短供电臂即缩短了牵引网与通信线路的并行距离，在电流条件不变的情况下降低累积影响。牵引变电所加装阻尼装置则主要用来削弱高次谐波，减少杂音干扰影响，其作用点在于干扰源中的谐波分量而非基波分量。

三、机车类型与谐波干扰的关系

学习包在供电侧防护措施中专门讨论了合理选用电力机车类型对减轻通信线路影响的意义，这一内容对供电专业人员理解干扰源特性具有直接价值。学习包按整流方式将我国电气化铁道使用的电力机车分为三类：硅二极管整流（如SS1型机车等）、半控桥式整流（如SS4型、SS6型机车等）、一段全控一段半控整流（如SS5型、SS7型、SS8型机车等）。学习包指出，后两者由于在整流回路中采用了晶闸管，反映在接触网的牵引电流波形畸变较大，谐波电流含量较高，因而对通信线路的杂音干扰影响比硅二极管整流方式的大得多。

学习包同时提到，我国正在研制开发的“交—直—交”电力机车，所具有的许多优点之一，就是反映在接触网的牵引电流波形接近于正弦波，谐波电流含量最少，等效杂音干扰电流最小，因而对通信线路的杂音干扰影响最轻。这一比较说明，牵引电流的波形质量直接决定杂音干扰的强弱，而波形质量又取决于机车的整流方式。对供电专业而言，这意味着干扰治理不仅涉及供电设施本身，也与运用机车的电气特性密切相关；在供电侧加装阻尼装置削弱高次谐波，与在机车侧改善电流波形，是同一问题的两个作用点。

四、防护措施的分类与适用方向

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参考资料

《牵引供电系统》学习包

引用依据：
《《牵引供电系统》学习包 (1)》

资料使用说明：本文依据已抽取铁路专业原始文本整理，仅供学习参考。涉及规章、技术参数和作业要求时，请以现行有效文件为准。

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