淺議電氣化鐵路牽引供電對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備的影響

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摘要：在電氣化鐵路這個(gè)大系統(tǒng)中，由于各個(gè)部門共存，相互之間必然會(huì)產(chǎn)生各種各樣的影響。作為弱電系統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)，在這個(gè)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(hào)系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要問題。本文從電氣化牽引供電對(duì)信號(hào)設(shè)備影響的原因入手，著重介紹了電氣化鐵路對(duì)信號(hào)系統(tǒng)干擾的種類，以及信號(hào)系統(tǒng)所采取的措施。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路信號(hào)抗干擾電磁兼容傳導(dǎo)性 1引言 電氣化鐵路對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國鐵路重載、高速起到了至關(guān)重要的作用。至2007年底，我國的電氣化鐵路營業(yè)里程已達(dá)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(shí)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(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備的影響。近年來，鐵路信號(hào)系統(tǒng)使用了大量的新技術(shù)、新設(shè)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(hào)系統(tǒng)要解決的一個(gè)重要問題。本文就電氣化鐵路對(duì)信號(hào)設(shè)備的影響的原因以及克服的方法進(jìn)行探討。 2我國現(xiàn)有的電氣化鐵路的特點(diǎn) 電力牽引是一種有軌運(yùn)輸?shù)臓恳问健Ｋ秒娔茏鳛閯?dòng)力，驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行?，F(xiàn)有的牽引供電系統(tǒng)主要由牽引供電所、接觸網(wǎng)、軌道回路、回流線以及饋電線組成。其中，牽引電流所經(jīng)過的回路是：牽引變電所———饋電線———接觸網(wǎng)———機(jī)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(yuǎn)、牽引電壓損耗少、對(duì)通信干擾小的特點(diǎn)。 3電氣化牽引供電對(duì)信號(hào)設(shè)備影響的原因及其分類 與電氣化鐵路系統(tǒng)相比，信號(hào)設(shè)備在電氣化鐵路中處于從屬被動(dòng)的地位。電氣化鐵路屬于強(qiáng)電系統(tǒng)，它具有這么幾個(gè)特點(diǎn)：（a）額定電壓高，可達(dá)25kV；(b)牽引電流可達(dá)到數(shù)百安培甚至上千安培；（c）電力機(jī)車為非線性負(fù)載，在整流換相和運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波成分等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)構(gòu)成了電氣化鐵路對(duì)信號(hào)設(shè)備干擾的基本原因。從干擾的種類來說，可分為傳導(dǎo)、感應(yīng)、輻射三種形式，具體影響可分為以下五類： （1）傳導(dǎo)性干擾 傳導(dǎo)性干擾即牽引電流不平衡干擾，它是電氣化鐵路對(duì)軌道電路干擾的主要原因。信號(hào)設(shè)備和牽引電流共用鋼軌這個(gè)通道，由于鋼軌阻抗、接續(xù)線電阻、對(duì)地漏泄、扼流變壓器線圈對(duì)稱度不同等因素，往往是流經(jīng)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(cè)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，它的大小相當(dāng)于扼流變壓器一次側(cè)半個(gè)線圈中流有一個(gè)大小為兩個(gè)鋼軌電流差的電流在次級(jí)線圈中的感應(yīng)值，這個(gè)差值能使扼流變壓器升壓，電壓升到一定程度就會(huì)使軌道繼電器誤動(dòng)。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(wǎng)電壓為25kV，當(dāng)強(qiáng)電線上有一對(duì)地電壓存在時(shí)，由于受擾設(shè)備(如通信線)與大地之間有電壓，強(qiáng)電線與通信線之間就會(huì)有電容耦合，因此必然有電流自強(qiáng)電流分流入受擾設(shè)備，產(chǎn)生靜電感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而形成容性耦合。靜電場(chǎng)的強(qiáng)度與電流大小以及與受擾物的距離有關(guān)。（3）感性耦合 牽引電流可達(dá)數(shù)百安培甚至上千安培，當(dāng)強(qiáng)電線（接觸網(wǎng)）中有電流通過時(shí)，由于強(qiáng)電線與受擾設(shè)備之間有耦合電感（互感），因此，受擾設(shè)備中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)縱向電動(dòng)勢(shì)，從而形成感性耦合。感性耦合不僅與接觸網(wǎng)電流的大小有關(guān)，還與接近的距離、接近的長(zhǎng)度有關(guān)。 （4）輻射性影響 受電弓與接觸網(wǎng)接觸，當(dāng)受電弓升降弓、過分電段、開關(guān)其主斷電路以及駛過有硬點(diǎn)的接觸網(wǎng)時(shí)，會(huì)使?fàn)恳W(wǎng)中產(chǎn)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(hào)在幾個(gè)周期內(nèi)被削弱，從而使軌道繼電器誤動(dòng)。另外，受電弓與接觸網(wǎng)離線時(shí)會(huì)產(chǎn)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(zhì)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(dǎo)入地，使附近的大地電位升高，在大地中雜散電流會(huì)對(duì)通信電纜等產(chǎn)生影響。接觸網(wǎng)短路時(shí)，瞬間電流很大，地電位明顯升高，會(huì)對(duì)設(shè)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(shè)備的正常運(yùn)行，通常利用鋼軌作為接觸網(wǎng)自然接地體。當(dāng)接地裝置的火花間隙失效或有些桿塔不經(jīng)過火花間隙直接連接鋼軌，在同一軌道電路區(qū)段內(nèi)的2個(gè)及以上接觸網(wǎng)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(nèi)桿塔地線經(jīng)貫通的架空地線短路了鋼軌絕緣接頭，就會(huì)造成軌道電力紅光帶。另外，當(dāng)機(jī)車發(fā)生受電弓支持絕緣閃絡(luò)、放電間隙擊穿等接地故障時(shí)，巨大的短路電流會(huì)瞬間使火花間隙反擊穿，也會(huì)影響到信號(hào)設(shè)備。 4信號(hào)設(shè)備采取的措施 不同的信號(hào)設(shè)備對(duì)不同類電氣化干擾的反應(yīng)不同，因此，具體的信號(hào)設(shè)備所采取的措施各不相同。如對(duì)軌道電路，主要考慮的是傳導(dǎo)性干擾，而對(duì)于傳輸電纜主要關(guān)注的是容性干擾、感性干擾。下面就幾種具體信號(hào)設(shè)備所采用的措施進(jìn)行探討。 （1）25Hz軌道電路 25Hz軌道電路主要是傳導(dǎo)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(duì)25Hz軌道電路影響主要有兩個(gè)途徑：一是由不平衡電流所產(chǎn)生的脈沖電流的波形是上下半波不對(duì)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(yù)元件發(fā)生此飽和，從而導(dǎo)致軌道電路中傳輸?shù)?5Hz信號(hào)電流產(chǎn)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(nèi)形成25Hz衰減振蕩，與原有的25Hz信號(hào)可能相加（同相時(shí)），相減（反相時(shí)），從而使軌道電路發(fā)生誤動(dòng)。 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(qiáng)度； （b）在扼流變壓器次級(jí)加繞抗干擾線圈，并加裝適配器； （c）設(shè)計(jì)LC電路使其對(duì)25Hz產(chǎn)生并聯(lián)諧振、增強(qiáng)信號(hào)。 （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(jìn)并國產(chǎn)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(diǎn)，具體如下： （a）線圈選擇：采用空心線圈對(duì)于50Hz牽引電流阻抗特別小，相當(dāng)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(yīng)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(diào)制方式：ZPW-2000選擇角度調(diào)制，角度調(diào)制的抗干擾優(yōu)于幅度調(diào)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(shè)備的帶通濾波器通帶窄、Q值高，且在帶通中僅有一個(gè)偶次諧波干擾，在奇次頻率漂移時(shí)最多影響有兩個(gè)諧次分量，故牽引電流干擾量小。（ 3）機(jī)車信號(hào) 機(jī)車信號(hào)同樣要應(yīng)對(duì)不平衡電流的影響，目前的數(shù)字式機(jī)車信號(hào)采用數(shù)字濾波器和頻譜分析的方法進(jìn)行處理。 （4）計(jì)算機(jī)連鎖，集中調(diào)度，列控中心等電子設(shè)備所采取的措施 電氣化鐵路對(duì)于電子設(shè)備的影響主要是電磁輻射、電磁感應(yīng)、地電位等方面的影響，對(duì)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(yùn)〔2006〕26號(hào)文件，對(duì)于微機(jī)房、機(jī)械室應(yīng)進(jìn)行屏蔽，其中包括微機(jī)房的天花板、各個(gè)墻面和門窗；所有的電子設(shè)備在上道前都要進(jìn)行電磁兼容的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)才能上道。 5結(jié)束語 在鐵路這個(gè)大系統(tǒng)中，強(qiáng)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(yùn)輸?shù)陌踩?、高效，作為弱電系統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)該更加主動(dòng)的采取有效的措施來保護(hù)自己，防止電氣化對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備進(jìn)行干擾，保證鐵路運(yùn)輸和諧、安全、高效、快速的發(fā)展。 參考文獻(xiàn)： [1]安海君,李建清，吳保瑩.25Hz相敏軌道電路[M],北京:中國鐵道出版社，2004 [2]費(fèi)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(hào)抗干擾技術(shù)課件，2007 [4]楊世武.鐵路信號(hào)防雷技術(shù)課件，2007