近年來(lái)，隨著我國(guó)電力事業(yè)的飛速發(fā)展，城市地下電纜隧道日益增加。機(jī)器人巡檢自動(dòng)化的發(fā)展為電纜隧道安全巡檢提供了有效途徑。然而，電纜隧道的特殊環(huán)境嚴(yán)重制約了傳統(tǒng)天線系統(tǒng)的通信距離和質(zhì)量，因此需在電纜隧道內(nèi)沿線敷設(shè)漏泄電纜線路作為移動(dòng)巡檢機(jī)器人的通信線路。相對(duì)于架空線路，由于電纜隧道空間狹小，機(jī)器人通信線路與電力電纜線路共用公共走廊，2者不可避免要平行并且非常接近，電力電纜周圍的電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)通信線路造成影響。

本文從電磁場(chǎng)基本理論出發(fā)，推導(dǎo)出適用于電纜隧道內(nèi)的電力線路對(duì)通信線路電磁影響的計(jì)算公式，供電纜隧道巡檢機(jī)器人通信線路設(shè)計(jì)者參考。

主要內(nèi)容

1 電力電纜線路與通信線路間的容性耦合計(jì)算

1.1 電纜隧道巡檢機(jī)器人通信線路

與自由空間不同，電纜隧道空間狹長(zhǎng)，存在拐角和岔口，加上隧道內(nèi)鋪設(shè)有大量的電力電纜與掛架，形成了一種閉域空間環(huán)境。這種特殊環(huán)境造成了傳統(tǒng)天線系統(tǒng)無(wú)線通信距離短、信號(hào)衰減快、場(chǎng)強(qiáng)分布不穩(wěn)定等問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)電纜隧道內(nèi)巡檢機(jī)器人的無(wú)線移動(dòng)通信功能，可以采用漏泄電纜進(jìn)行沿線敷設(shè)，并配合光纖干線實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信。此時(shí)將面臨一個(gè)新問(wèn)題，即電力線路的高電壓在其周圍空間形成電場(chǎng)，會(huì)對(duì)其鄰近的機(jī)器人通信線路產(chǎn)生影響。因該影響通過(guò)兩線路之間的互電容耦合，故稱為容性耦合影響，或稱電影響。

1.2 基于鏡像法的容性耦合分析

用解析法直接求解電纜隧道內(nèi)電位微分方程的定解問(wèn)題比較困難，因此本文采用鏡像法進(jìn)行求解。

以圓形地下電纜隧道為例進(jìn)行分析，如圖1所示。設(shè)有一無(wú)限長(zhǎng)細(xì)直導(dǎo)線1放置在電纜隧道內(nèi)，且與圓柱隧道軸線平行，相距為b，隧道半徑為

R>b，導(dǎo)線工作電壓為U1，實(shí)導(dǎo)線1的線電荷密度為q1，鏡像導(dǎo)線1′的線電荷密度為′q1，場(chǎng)點(diǎn)a到實(shí)導(dǎo)線1的距離為D1a，場(chǎng)點(diǎn)a到鏡像導(dǎo)線1′的距離為D′1a，ε0、ε1分別為兩介質(zhì)的介電系數(shù)。

由于沿圓柱軸向的電荷分布具有均勻性，則實(shí)導(dǎo)線1在圓形隧道外的鏡像是與軸平行的鏡像導(dǎo)線1′，且應(yīng)與實(shí)導(dǎo)線1和圓柱軸共面，設(shè)鏡像導(dǎo)線1′的線密度為q′1 ，到圓柱軸心的距離為d。則如何求解滿足邊界條件的未知數(shù)q′1 和d是問(wèn)題所在。

圖1 實(shí)導(dǎo)線1在隧道內(nèi)任一點(diǎn)a處產(chǎn)生的電勢(shì)示意圖

1.3單線電力電纜線路與通信線路間的容性耦合

單線電力電纜線路與巡檢機(jī)器人通信線路的位置關(guān)系如圖2所示。

設(shè)單線電力電纜線路導(dǎo)線1和機(jī)器人通信線導(dǎo)線a的工作電壓分別為U1和Ua，其單位長(zhǎng)度電荷分別為q1和qa，根據(jù)公式推導(dǎo)，可得在單位長(zhǎng)度機(jī)器人通信線路上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓Ua。

圖2 單線電力線路與巡檢機(jī)器人通信線路位置關(guān)系圖

1.4三相電力電纜線路與通信線路間的容性耦合

設(shè)三相電力電纜線路各相工作電壓分別為U1、U2、U3，其單位長(zhǎng)度電荷分別為q1、q2、q3，機(jī)器人通信線路導(dǎo)線的工作電壓為Ua，其單位長(zhǎng)度電荷為qa，同樣地根據(jù)公式推導(dǎo)，可得由三相電力電纜線路的容性耦合影響在通信線路上感應(yīng)產(chǎn)生的電壓Ua。

2 計(jì)算實(shí)例、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及其分析

2.1容性耦合危險(xiǎn)影響計(jì)算分析

電力電纜線路對(duì)巡檢機(jī)器人通信線路的容性耦合危險(xiǎn)影響，主要表現(xiàn)在隧道內(nèi)作業(yè)人員接觸通信線路導(dǎo)線時(shí)，感應(yīng)電流通過(guò)人體放電引起觸電。

2.1.1單線電力線路對(duì)通信線路危險(xiǎn)影響分析

對(duì)于單線電力線路，單線間的容性耦合影響主要受通信線路與軸心距離a、電力線路與軸心距離b以及兩軸心距間的夾角θ等影響。下面將計(jì)算分析當(dāng)a和b保持不變時(shí)，不同夾角θ下的通信電纜感應(yīng)電流。此時(shí)不同夾角θ下通信電纜感應(yīng)電流I如圖3所示。表1給出了不同夾角處通信電纜感應(yīng)電流。

表1 不同夾角處通信電纜感應(yīng)電流

圖3 單線電力線路下通信電纜感應(yīng)電流變化曲線

2.1.2三相電力線路對(duì)通信線路危險(xiǎn)影響分析

三相電力線路與通信線路間的容性耦合影響受三相電力電纜布線方式、電力線路與軸心距離、通信線路與軸心距離以及兩軸心距間的夾角θ等影響。三相導(dǎo)線布線方式如圖4所示，典型布線方式下不同夾角θ的通信電纜感應(yīng)電流如圖5所示。

圖4 3種布線方式示意圖

圖5 不同布線方式下通信電纜感應(yīng)電流變化曲線

2.2計(jì)算實(shí)例及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

220 kV某一回地下電纜隧道斷面示意圖見(jiàn)圖6。圖中左側(cè)一回電纜C相右側(cè)為工作人員的行走通道。電纜設(shè)計(jì)工作電壓為220 kV，其中B相導(dǎo)線架設(shè)在距離軸心0.8 m處，其余兩導(dǎo)線如圖6所示。若通信電纜長(zhǎng)度為500 m，此時(shí)不同夾角θ對(duì)通信電纜感應(yīng)電流的影響如圖7所示。

為了驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性，在單回地下電纜隧道中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。電纜線路布線方式與北京某一回相同，測(cè)試時(shí)電纜線路電壓為220 kV。漏泄通信電纜采用HLRHTMY(YZ)−50−42型號(hào)，長(zhǎng)度為200 m，架設(shè)在距離軸心0.9 m處。試驗(yàn)中，分別測(cè)量通信電纜與B相電力電纜軸心距夾角為0°，10°，20°，40°，80°和100°處的感應(yīng)電流。

實(shí)驗(yàn)所采用的測(cè)試方法如圖8所示。漏泄通信電纜芯線一端接地，另一端接測(cè)試儀，可測(cè)得電力電纜線路電壓在通信線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電流。

通信電纜感應(yīng)電流現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與計(jì)算值如表2所示。

圖6 220 kV某一回地下電纜隧道斷面示意圖

圖7 電纜隧道通信電纜感應(yīng)電流

圖8 漏泄通信電纜感應(yīng)電流測(cè)試方法示意圖

表2 通信電纜感應(yīng)電流現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與計(jì)算值

研究結(jié)論

1)單線電力線路對(duì)通信線路的容性耦合影響較大，通信電纜感應(yīng)電流最大值出現(xiàn)在兩軸心距夾角等于0處，且該電流最大值隨著夾角的增大而指數(shù)衰減。

2)三相電力電纜不同的布線方式對(duì)通信電纜感應(yīng)電流影響較大。對(duì)于垂直布線方式，通信電纜感應(yīng)電流最大值出現(xiàn)在兩軸心距夾角等于0處，其值在3種布線方式中最大，并隨著夾角的增大而指數(shù)衰減。對(duì)于水平布線和三角形布線方式，通信電纜感應(yīng)電流的變化趨勢(shì)特性與垂直布線類似，其最大感應(yīng)電流較垂直布線小。同時(shí)，三相電力線路對(duì)通信線路的容性耦合影響較單線電力線路來(lái)說(shuō)有所降低，其中三角形布線方式和水平布線方式對(duì)減小感應(yīng)電流有較好的效果，其次為垂直布線方式;但是通信電纜上的感應(yīng)電流均超過(guò)國(guó)標(biāo)規(guī)定的15 mA容許值，此時(shí)隧道內(nèi)三相電力電纜線路對(duì)通信線路的容性耦合影響是有危害的。

3)通過(guò)分析電纜隧道電力電纜對(duì)通信電纜的容性耦合，能夠?yàn)殡娎|隧道通信線路的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，對(duì)電纜隧道機(jī)器人巡檢自動(dòng)化的發(fā)展有著很重要的意義。

原標(biāo)題:學(xué)術(shù)研究 | 通信線路在電纜隧道內(nèi)受何影響？