直埋金属管道对其内铠装通信电缆的电磁屏蔽计算邹军　袁建生　陆家榆　马信山摘要：建立了一种考虑感性耦合与阻性耦合影响时，铠装电缆套加装金属管道后电磁屏蔽计算的通用模型。该模型是在场路结合的基础上，对导体采用线性化单元离散，建立相应的方程组，求得导体中的电流分布，从而可对地下通信电缆系统进行电磁屏蔽的近似计算。最后给出了计算实例。
关键词：电力线路；通信电缆；电磁屏蔽；危险影响；通用模型
中图分类号：TM153　　　文献标识码：A
文章编号：0258-8013(2000)04-0044-06ELECTROMAGNETICSHIELDINGCALCULATIONOFTHETELECOMMUNICATIONCABLESURROUNDEDBYBURIEDPIPELINESZOUJun，YUANJian-sheng，LUJia-yu，MAXin-shan
(TsinghuaUniversity,Beijing100084，China)ABSTRACT：Auniversalmodeloftelecommunicationcablesurroundedbytheburiedmetalpipelineforcalculatingtheircurrentdistributionandshieldingeffectsispresented,whichtakestheinductivecouplingandresistivecouplingwitheachotherinthepresenceofauniformhalfspaceconductivemedium(earth)intoaccount.Themodelisbasedonthecombinationofthecircuittheoryandtheelectromagneticfieldtheory.Bymeansofdividingtheconductorelementusingalinearinterpolationmethod,adiscreteequationgroupisconstructedtosolvethecurrentdistributionandthencalculatetheshieldingeffectoftheundergroundtelecommunicationcablesystem.Infact,themodeldevelopedcanbegeneralizedeasilytosolvethecurrentdistributionofthemulti-conductorsystem.Thevalidationofthemodelisverifiedbyapracticalproblemcase.
KEYWORDS：powerline;telecommunicationcable;electromagneticshielding;dangerousinfluence;universalmodel1　引言　　电力线路对地下通信电缆线路的危险影响的分析计算是一项十分有意义的课题。当危险影响超过一定标准时(如电力部规程^［1］)，常见的方法是施工时在通信电缆附近安装屏蔽线或在通信电缆外套装金属管道等方法进行电磁屏蔽，以期系统达到规程要求。对于这种同时考虑直埋金属管线、电缆屏蔽层和铠装所构成的多层导体系统的电磁屏蔽计算的方法目前尚未见报道。
　　涂有外被层的地下金属管道对地泄漏电流很小，计算电流时一般忽略管道纵向不同部分之间的阻性耦合，此时可根据传输线理论求解^［2～5］。对于直埋金属管道和直埋铠装电缆，阻性耦合影响较大，用传输线理论求解困难。加拿大学者Dawalibi博士在分析接地网导体中电流分布时，考虑阻性耦合影响，将导体泄漏电流集中于若干点流入大地^［6～9］，这与直埋金属管道、铠装电缆分散接地的特点有较大差异。针对这一特点，本文对直埋导体单元中电流采用线性插值，同时，对管道内的铠装，提出了铠装—管道计算模型。在Sunde理论^［10］与现代数值计算技术基础上，建立地下电缆系统电流分布的离散化方程组，求解电流分布，然后进行相应的电磁屏蔽计算。2　计算模型　　图1是架空电力线路和套有金属管道的铠装电缆系统示意图。对电力线路，考虑在故障条件下，线路纵向电流和沿杆塔入地电流对通信电缆的影响。上述相互耦合的多导体系统，采用离散化方法形成相应的电网络模型。为此，作如下假设：(1)屏蔽层、铠装、管道为同轴且均匀的管状圆柱体，在计算分析时，将其作用集中在电缆轴线上，即将均匀管状圆柱体等效为线状导体；(2)屏蔽层与铠装之间忽略横向泄漏电流，即屏蔽层电流沿轴向均匀分布；(3)忽略铠装与管道之间的横向电容电流，只考虑其介质中阻性泄漏电流，进一步假设铠装与管道之间横向泄漏电阻沿轴向均匀。图1　架空电力线路与地下通信电缆系统示意图
Fig.1　Diagramofthepowerlineand
undergroundtelecommunicationcablesystem　　基于上述假设，可将管道、电缆铠装视为由若干均匀线段构成的或者说离散化为若干单元，同时保证每一单元为直线段。屏蔽层电流不随距离而变化，可不作离散化处理。离散化单元可分为三类：(1)直接与大地接触的管道、铠装单元，应考虑单元分散接地的特点；(2)管道内的铠装单元，铠装与管道为点接触，由假设(3)介质中泄漏电流可近似认为集中在单元两端；(3)屏蔽层单元电流恒定，其与管道、铠装单元的作用仅为感性耦合。因此，在分析时，可先不考虑屏蔽层电流，待管道、铠装单元离散化后，用外推的方法追加其影响。同时，忽略电缆系统中电流对电力线路的反作用，则电力线路电流是逐段均匀的。2.1　直埋单元的离散化模型(不考虑屏蔽层电流)　　将直埋管道单元与直埋铠装单元统一编号，单元总数为N；电力线路共M段，每段电流为I_Fm；电力线路入地电流共M＋1个，记为I_En。图2是直埋单元与电力线路示意图，在大地表面建立全局坐标系(x,y,z)，以每单元中点为原点建立局部坐标系(ξ，η，ζ)。图2　电力线路和直埋单元示意图
Fig.2　Diagramofthepowerlineandburiedelement　　设A_k(ζ),E_k(ζ),U_k(ζ)分别为第k单元外表面的矢量磁位、电场强度和电位。在正弦稳态条件下，大地中任一点处相应量为A_e(x,y,z)，E_e(x,y,z)，U_e(x,y,z)三者之间满足下述关系　　　　　　　　　　　　　　　(1)　　若M点位于外导体单元表面处，则由位函数的连续性得A_e(x,y,z)，U_e(x,y,z)沿ζ轴方向的分量A_ek＝A_k(ζ)，U_ek＝U_k(ζ)，从而E_e(x,y,z)沿ζ轴方向的分量E_ek(ζ)为　　　　　　　　　　　　　　　(2)　　沿导体外表面电场强度E_k(ζ)可表示为^［11］E_k(ζ)＝Z_kI_k(ζ)式中　Z_k为导体单元单位长外表面内阻抗；I_k(ζ)为纵向电流。
　　导体直埋于大地中，E_ek(ζ)＝E_k(ζ)，故　　　　　　　　　　　　　　　(3)　　在第k单元上积分，由标量电位的性质，式(3)可改写为[1][2][3][4][5]下一页