邹 军，袁建生，周宇坤，马信山
清华大学电机系，北京100084
1 引言
电力线路对地下通信电缆线路危险影响的分析计算在线路走廊的选取中具有重要意义。当危险影响超过一定标准（如电力部规程［1］）时，实际工程中通常采用在通信电缆附近敷设屏蔽线或在通信电缆外套装金属管道的方法进行电磁屏蔽保护，以达到规程要求。虽然电磁屏蔽基本计算理论并不复杂，但是精确计算金属管道或屏蔽线对通信电缆的屏蔽效果却存在许多问题需要解决，因为这不仅需要有合适的计算模型而且还与通信电缆、电力线路、屏蔽管线参数、布置方式以及大地参数等因素有关。从计算方法来讲，规程方法只适用于通信电缆和电力线路平行或者交叉的简单情况［1，2］；传输线方法只适用于通信电缆和电力线路为平行或者分段平行的情况［3，4］。对于通信电缆和电力线路布置复杂，并同时考虑感性耦合和阻性耦合时的地下电缆电磁屏蔽问题时宜借助于电磁场数值计算技术［5，6］来计算。
本文提出了同时考虑感性耦合和阻性耦合时地下导体电磁屏蔽的计算模型，并利用该模型进行了金属管道或屏蔽线对地下电缆的电磁屏蔽计算。根据计算结果，分析比较了金属管道和屏蔽线对通信电缆屏蔽的效果。
2 计算模型和方法
本文以无铠装通信电缆套设金属管道屏蔽保护或沿电缆平行敷设屏蔽线保护计算为例，简述电磁屏蔽数值计算模型和方法。为叙述方便，将金属管道和屏蔽线统称为屏蔽体。图1是电力线路、地下电缆和屏蔽体所组成的系统示意图。从图1可以看出，在故障条件下，电力线路纵向电流与通信电缆之间的感性耦合和电力线路的横向入地电流与通信电缆之间的阻性耦合是通信电缆的电磁干扰源；而电缆的体和土壤直接接触，必然存在横向泄漏传导电流。将屏蔽体划分成N小导体单元，以每个单元中纵向电流Ik为待解量。图2是地下直埋导体单元示意图，在每个单元建立局部坐标系0－ζ，考虑横向泄漏电流的影响，对Ik采用线性插值
Ik＝akζk＋bk（1）
式中 ak为单位长度横向泄漏电流系数；bk为ζk＝0处的纵向电流。
根据电磁场理论，考虑各单元之间经土壤产生的阻性耦合和经空间产生的感性耦合，列写电压平衡方程和电流连续性方程，解出ak和bk即可获得屏蔽体内的电流分布。然后进一步作相应的电磁屏蔽计算。
图2 直埋导体单元示意图
电压平衡方程是沿屏蔽体表面内侧和土壤形成的回路列写的。在正弦稳态条件下，屏蔽体表面内侧电场强度满足
式中 A为矢量磁位；U为电位。
考虑该电场强度等于屏蔽体单位长度内阻抗Zk与Ik电流的乘积，因此第k单元电压平衡方程式
在局部坐标系中可表示为
沿长度方向ζ作线积分，并将Ak分解成由电力线路电流产生的分量（一次分量）Apk和由屏蔽体电流产生的分量（二次分量）Ask，则
式（4）右端为电力线在屏蔽体纵向产生的感应电动势。当电力线电流分布确定后，该项为已知项。左端Ask可用屏蔽体各单元纵向电流（非电力线路电流）表示，考虑各单元之间的感性耦合关系
式中 Pki和cosφki分别为屏蔽体第i单元和第k单元之间的感性耦合系数和方向余弦［7］。
式（4）左端Uk可用屏蔽体各单元横向电流表示。考虑单元之间通过土壤产生的阻性耦合关系，则
为屏蔽体第i单元和第k单元之间的阻性耦合系数［7］。
由式（4）（5）（6）可得
式（7）即为未知量Ik所满足的电压平衡方程式。将Ik＝akζk＋bk和dIi／ dζi ＝ ai代入式（7），可得ak和bk所满足的电压平衡方程式。
电流连续性方程是可在屏蔽体相邻单元的节点列写，如第k单元和第k＋1单元节点处，应用KVL有
对整个屏蔽体作一个闭合面，应用广义KVL亦可列写一个方程。N段屏蔽体单元未知量ak和bk共2N个，分别应用电压平衡方程和电流连续性方程各可列写N个方程，则方程总数为2N个，方程可解。
对于无铠装通信电缆，尚需考虑电缆铅包的屏蔽作用。铅包有良好的绝缘，不考虑有泄漏电流，故可设铅包中电流亦为待解量，但设为一恒定值。沿铅包－大地回路列写电压平衡方程，同时屏蔽体单元各电压平衡方程中增加由铅包电流引起的互感电压项。此时，未知量个数和方程式个数均为2N＋1个，解该线性方程组即可得屏蔽体和铅包中的电流分布。根据所求得的电流分布以及电力线路的电流分布，同时考虑感性耦合和阻性耦合的影响，则可求取通信电缆的屏蔽系数。
3 计算实例及屏蔽效果分析
图3是某500kV输电系统和地下通信电缆系统图。线路甲在图中所示短路点发生单相对地短路时，采用相分量法可以计算线路甲和双回线路乙中的短路电流、架空地线中返回电流以及杆塔的入地电流（详细计算方法将另文报道），计算结果作为对通信电缆的电磁干扰源。地下通信电缆埋深为1m。屏蔽方式为电缆套装金属管道或在电缆附近与电缆相同深处平行敷设屏蔽线，敷设范围是从电缆节点1至节点5。屏蔽体和电缆铅包两端通过接地电阻集中接地（如图1所示）。以该系统为例分析50Hz时的感性耦合与阻性耦合影响及屏蔽规律。
图3 电力线路与地下通信电缆布置示意图
3．1 两端接地电阻对屏蔽效果的影响
以套装金属管道保护为例说明接地电阻对屏蔽效果的影响。管道外直径／厚度为0．08m／0．02m。铅包外直径／厚度为0．0296m／0．0016m。大地电导率为0．02S／m。表1为不同接地电阻情况下电缆的综合屏蔽系数。从表可见，随着接地电阻的增大，屏蔽系数亦相应增大，屏蔽效果变差。从物理概念上讲，两端接地电阻的增大，屏蔽体和铅包中的纵向感应电流减小，因此其综合去磁作用减弱。
表1 接地电阻对屏蔽系数的影响
3．2 管道外直径及厚度对屏蔽效果的影响
管道厚度一定的情况下，管道直径增大，其自阻抗减小，从而感应电流增大，有利于电缆的屏蔽保护；另一方面，管径增大后，与电缆轴线之间的距离亦增大，两者的互阻抗减小，这又削弱了管道对电缆的屏蔽。因此，管径大小对屏蔽效果的影响尚需通过计算才能得出结论。表2是管道厚度为0．002m时不同管径情况下的屏蔽系数。从表可见，在一定范围内，增大管径有利于电缆屏蔽。
表2 管道外直径对屏蔽效果的影响
3.3 屏蔽线材料和敷设位置对屏蔽效果的影响
在电缆附近平行埋设屏蔽线是一种简单易行的屏蔽保护措施。屏蔽线对通信电缆的保护可从屏蔽线的材料、直径和屏蔽线敷设位置等方面来考虑。为了便于与金属管道的屏蔽效果相比较，取屏蔽线的截面积和金属管道导体截面积相同，对应外直径为0.08m厚度为0.002m的管首,选实心屏蔽线的直径为0.02498m。屏蔽线和铅包的接地电阻为0.5Ω。表3和表4给出了材料和屏蔽线距电缆轴线距离不同时，电缆的综合屏蔽系数。从表可见，屏蔽线的材料对电缆屏蔽效果影响较大，而屏蔽的敷设位置对屏蔽效果的影响较小。从表1和表3中直径为0.08m时的结果可以看出,对相同材料,当屏蔽线蹁电缆的水平距离等于管道的外径时,管道屏蔽的效果比屏蔽线要好,但相差不大。从表3和表4可看出，屏蔽线越粗屏蔽效果越好。
表3 屏蔽线材料、直径和布置位置对屏蔽系数的影响
4 结束语
（1）电力线路对临近地下通信电缆的危险影响计算应同时考虑感性耦合影响和阻性耦合影响。
（2）对地下通信电缆屏蔽保护的两种方式：套装钢管和敷设屏蔽线的选择应考虑到屏蔽效果、防雷、防腐蚀等诸多因素。若仅从感性耦合的屏蔽效果考虑，则屏蔽线与外套金属管道的效果相近，而屏蔽线的敷设施工要简便得多。若从阻性耦合影响和对防雷影响的屏蔽效果考虑，则套装金属管道的效果要优于敷设屏蔽线。
参考文献：
[1] 中华人民共和国电力工业部.送电线路对电信线路危险影响设计规程[S].1994
[2] 能源部东北电力设计院,电力工程高压送电线路设计手册[S].北京;水利电力出版社,1991.
[3] Frazier M,Dunlap J.Power line induced AC potential on natural gas pipelines for complex rights-of-way configurations[R[.EPRI EL－3106，1983．
[4］Haubrich H J，Flechner B A，Machczynski W．A universitymodelfor the computation of the electromagnetic interference onearth return circuits［J］．IEEE Trans on Power Delivery，1994，9（3）：1593－1599．
[5］Dawalibi F．Electromagnetic fields generated by overhead andburied conductors，Part1－Singal conductor［J］．IEEE Trans on Power Delivery ，1986，PWRD－1（4）：105－111．
[6］Dawalibi F．Electromagnetic fields generated by overhead andburied conductors，Part2－Ground network［J］．IEEE Trans on Power Delivery ，1986，PWRD－1（4）：112－119．
[7］Sunde E D．Earth conduction effects in transmission systems
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