淺議電氣化鐵路牽引供電對鐵路信號設備的影響

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摘要：在電氣化鐵路這個大系統(tǒng)中，由于各個部門共存，相互之間必然會產生各種各樣的影響。作為弱電系統(tǒng)的信號系統(tǒng)，在這個環(huán)境中處于從屬地位，如何提高自身的抗干擾能力，是保證信號系統(tǒng)正常運行的重要問題。本文從電氣化牽引供電對信號設備影響的原因入手，著重介紹了電氣化鐵路對信號系統(tǒng)干擾的種類，以及信號系統(tǒng)所采取的措施。

關鍵詞：電氣化鐵路信號抗干擾電磁兼容傳導性 1引言 電氣化鐵路對于實現(xiàn)我國鐵路重載、高速起到了至關重要的作用。至2007年底，我國的電氣化鐵路營業(yè)里程已達到了24046.6km，占我國鐵路總營業(yè)里程的37.8%，各大干線都已實現(xiàn)了電氣化。但是，隨著電氣化鐵路的建成，電氣化鐵路也帶來了許多新的問題，特別是對鐵路信號設備的影響。近年來，鐵路信號系統(tǒng)使用了大量的新技術、新設備，使這方面的矛盾更加突出，如何解決好這些問題，是鐵路信號系統(tǒng)要解決的一個重要問題。本文就電氣化鐵路對信號設備的影響的原因以及克服的方法進行探討。 2我國現(xiàn)有的電氣化鐵路的特點 電力牽引是一種有軌運輸?shù)臓恳问?。它利用電能作為動力，驅動列車運行。現(xiàn)有的牽引供電系統(tǒng)主要由牽引供電所、接觸網、軌道回路、回流線以及饋電線組成。其中，牽引電流所經過的回路是：牽引變電所———饋電線———接觸網———機車———鋼軌———回流線———變電所。我國目前所采用的供電方式主要是自耦變壓器供電（AT方式），它具有供電距離遠、牽引電壓損耗少、對通信干擾小的特點。 3電氣化牽引供電對信號設備影響的原因及其分類 與電氣化鐵路系統(tǒng)相比，信號設備在電氣化鐵路中處于從屬被動的地位。電氣化鐵路屬于強電系統(tǒng)，它具有這么幾個特點：（a）額定電壓高，可達25kV；(b)牽引電流可達到數(shù)百安培甚至上千安培；（c）電力機車為非線性負載，在整流換相和運行過程中會產生大量諧波成分等特點。這些特點構成了電氣化鐵路對信號設備干擾的基本原因。從干擾的種類來說，可分為傳導、感應、輻射三種形式，具體影響可分為以下五類： （1）傳導性干擾 傳導性干擾即牽引電流不平衡干擾，它是電氣化鐵路對軌道電路干擾的主要原因。信號設備和牽引電流共用鋼軌這個通道，由于鋼軌阻抗、接續(xù)線電阻、對地漏泄、扼流變壓器線圈對稱度不同等因素，往往是流經兩根鋼軌上的電流不等，從而形成了不平衡電流。由于不平衡電流的存在，在扼流變壓器二次側產生一個感應電動勢，它的大小相當于扼流變壓器一次側半個線圈中流有一個大小為兩個鋼軌電流差的電流在次級線圈中的感應值，這個差值能使扼流變壓器升壓，電壓升到一定程度就會使軌道繼電器誤動。衡量不平衡電流的參數(shù)是不平衡系數(shù)，它是不平衡電流與總電流的比值（%）。如一根鋼軌中的電流為I1，另一根鋼軌中的電流為I2，則不平衡系數(shù)為：k=（I1-I2）/（I1+I2）×100%。 （2）容性耦合 接觸網電壓為25kV，當強電線上有一對地電壓存在時，由于受擾設備(如通信線)與大地之間有電壓，強電線與通信線之間就會有電容耦合，因此必然有電流自強電流分流入受擾設備，產生靜電感應電動勢，從而形成容性耦合。靜電場的強度與電流大小以及與受擾物的距離有關。（3）感性耦合 牽引電流可達數(shù)百安培甚至上千安培，當強電線（接觸網）中有電流通過時，由于強電線與受擾設備之間有耦合電感（互感），因此，受擾設備中會產生感應縱向電動勢，從而形成感性耦合。感性耦合不僅與接觸網電流的大小有關，還與接近的距離、接近的長度有關。 （4）輻射性影響 受電弓與接觸網接觸，當受電弓升降弓、過分電段、開關其主斷電路以及駛過有硬點的接觸網時，會使牽引網中產生大的沖擊電流。鋼軌是牽引電流的回線，脈沖電流瞬間沖擊使扼流變壓器飽和，25Hz信號在幾個周期內被削弱，從而使軌道繼電器誤動。另外，受電弓與接觸網離線時會產生電火花，引發(fā)無線電干擾脈沖，從而影響到無線通信的質量。 （5）阻性耦合/地電位影響 牽引回流通過鋼軌與大地之間漏導入地，使附近的大地電位升高，在大地中雜散電流會對通信電纜等產生影響。接觸網短路時，瞬間電流很大，地電位明顯升高，會對設備或人身安全造成隱患。 （6）其他干擾 現(xiàn)有的供電系統(tǒng)中，為了保證人員的安全和設備的正常運行，通常利用鋼軌作為接觸網自然接地體。當接地裝置的火花間隙失效或有些桿塔不經過火花間隙直接連接鋼軌，在同一軌道電路區(qū)段內的2個及以上接觸網桿塔地線分別接在兩根鋼軌上，或者不同軌道電路區(qū)段內桿塔地線經貫通的架空地線短路了鋼軌絕緣接頭，就會造成軌道電力紅光帶。另外，當機車發(fā)生受電弓支持絕緣閃絡、放電間隙擊穿等接地故障時，巨大的短路電流會瞬間使火花間隙反擊穿，也會影響到信號設備。 4信號設備采取的措施 不同的信號設備對不同類電氣化干擾的反應不同，因此，具體的信號設備所采取的措施各不相同。如對軌道電路，主要考慮的是傳導性干擾，而對于傳輸電纜主要關注的是容性干擾、感性干擾。下面就幾種具體信號設備所采用的措施進行探討。 （1）25Hz軌道電路 25Hz軌道電路主要是傳導性干擾，即牽引電流不平衡所引起的干擾。牽引電流不平衡對25Hz軌道電路影響主要有兩個途徑：一是由不平衡電流所產生的脈沖電流的波形是上下半波不對稱的近似正弦波形，其中包含有直流成分，容易使軌道電路中扼流變壓器等鐵磁預元件發(fā)生此飽和，從而導致軌道電路中傳輸?shù)?5Hz信號電流產生陷落現(xiàn)象；二是由于脈沖干擾在軌道電路接受器中線性濾波器的通帶內形成25Hz衰減振蕩，與原有的25Hz信號可能相加（同相時），相減（反相時），從而使軌道電路發(fā)生誤動。 25Hz軌道電路采取的措施： （a）增加扼流變壓器的氣隙，增加鐵芯的飽和電流強度； （b）在扼流變壓器次級加繞抗干擾線圈，并加裝適配器； （c）設計LC電路使其對25Hz產生并聯(lián)諧振、增強信號。 （2）ZPW-2000所采取的措施ZPW-2000的前身是法國的UM71，它是九十年代引進并國產化的一種無絕緣的移頻軌道電路。作為一種移頻軌道電路，ZPW-2000具有移頻軌道電路抗干擾的各種特點，具體如下： （a）線圈選擇：采用空心線圈對于50Hz牽引電流阻抗特別小，相當于斷路，從而起到了平衡牽引電流的作用。 （b）載頻選擇：由于牽引電流不僅僅存在著50Hz基波，還有相應的奇次諧波、偶次諧波。從能量分布來看，奇次諧波所占的能量比較大，奇次諧波能量隨著頻率的增加而減小。因此，ZPW-2000在選擇載頻上，選擇高的偶次諧波，從而避開牽引電流的影響。 （c）調制方式：ZPW-2000選擇角度調制，角度調制的抗干擾優(yōu)于幅度調制，傳輸過程中不易受到干擾。 （d）頻偏選擇：由于選擇的頻偏較小，接收設備的帶通濾波器通帶窄、Q值高，且在帶通中僅有一個偶次諧波干擾，在奇次頻率漂移時最多影響有兩個諧次分量，故牽引電流干擾量小。（ 3）機車信號 機車信號同樣要應對不平衡電流的影響，目前的數(shù)字式機車信號采用數(shù)字濾波器和頻譜分析的方法進行處理。 （4）計算機連鎖，集中調度，列控中心等電子設備所采取的措施 電氣化鐵路對于電子設備的影響主要是電磁輻射、電磁感應、地電位等方面的影響，對于這些問題主要的解決方法就是屏蔽，從傳播途徑上切斷電磁輻射的來源。根據(jù)鐵道部鐵運〔2006〕26號文件，對于微機房、機械室應進行屏蔽，其中包括微機房的天花板、各個墻面和門窗；所有的電子設備在上道前都要進行電磁兼容的實驗，實驗達到標準才能上道。 5結束語 在鐵路這個大系統(tǒng)中，強電系統(tǒng)和弱電系統(tǒng)共存，而且，它們還使用共同的通道鋼軌。為了鐵路運輸?shù)陌踩⒏咝?，作為弱電系統(tǒng)的信號系統(tǒng)應該更加主動的采取有效的措施來保護自己，防止電氣化對鐵路信號設備進行干擾，保證鐵路運輸和諧、安全、高效、快速的發(fā)展。 參考文獻： [1]安海君,李建清，吳?，?25Hz相敏軌道電路[M],北京:中國鐵道出版社，2004 [2]費錫康.無絕緣軌道電路分析[M],北京:中國鐵道出版社，1993 [3]楊世武.鐵路信號抗干擾技術課件，2007 [4]楊世武.鐵路信號防雷技術課件，2007