強(qiáng)磁暴對(duì)軌道電路的影響分析

范婷霞 宗 偉 劉連光 蔣智化

范婷霞:華北電力大學(xué) (北京)電氣與電子工程學(xué)院 碩士研究生 102206 北京

蔣智化:華北電力大學(xué) (北京)電氣與電子工程學(xué)院 博士研究生 102206 北京

宗 偉:華北電力大學(xué) (北京)電氣與電子工程學(xué)院 教授102206 北京

劉連光:華北電力大學(xué) (北京)電氣與電子工程學(xué)院 教授102206 北京

磁暴是由太陽風(fēng)擾動(dòng)與地球磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的，指太陽活動(dòng)引起全球性地磁場(chǎng)劇烈擾動(dòng)，又稱地磁暴，是災(zāi)害性空間天氣的地面效應(yīng)?？臻g天氣 (Space Weather，俗稱太陽風(fēng)暴)是上世紀(jì)90年代提出的新概念，指包括太陽耀斑、日冕、太陽風(fēng)、磁層、電離層和地球表面的空間狀態(tài)和物理?xiàng)l件。源自太陽活動(dòng)的災(zāi)害性空間天氣 (空間電磁環(huán)境)，曾直接或間接地導(dǎo)致大量衛(wèi)星、通信、電網(wǎng)、鐵路系統(tǒng)的重大事故，磁暴電磁環(huán)境及其影響的研究已成為國(guó)家行為和國(guó)際行為。

磁暴來襲時(shí)，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知:時(shí)變磁場(chǎng)將在地面感應(yīng)出電場(chǎng)，形成地面感應(yīng)電勢(shì)(ESP)，并通過地面長(zhǎng)距離導(dǎo)體 (鋼軌、輸電線路、石油管道等)與大地構(gòu)成的回路，產(chǎn)生地磁感應(yīng)電流 (GIC)，進(jìn)而可能對(duì)地面技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾。GIC的峰值可以達(dá)到200A，頻率成分一般為0.1～0.001 Hz，對(duì)一般系統(tǒng)相當(dāng)于準(zhǔn)直流。地磁場(chǎng)的水平變化率、大地電性結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)是GIC幅度的主要影響因素，并且隨著中低緯度地磁活動(dòng)的減弱，大地和地面網(wǎng)絡(luò)特性對(duì)GIC的影響更為顯著。

我國(guó)大部分地區(qū)處于極光亞帶 (中緯度)，尤其是東北北部和新疆北部地區(qū)接近或進(jìn)入極光帶(高緯度)，同時(shí)我國(guó)有廣泛分布的火成巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此存在發(fā)生較大規(guī)模GIC的潛在威脅?，F(xiàn)在關(guān)于GIC的研究大部分集中在電力系統(tǒng)和輸油管道上，而對(duì)鐵路設(shè)備的影響知之甚少，國(guó)內(nèi)這方面的研究工作還沒有起步。然而，在1989年和2000—2005年的強(qiáng)磁暴期間，中緯度的俄國(guó)北部和Gorky電氣化鐵路區(qū)段的一些信集閉系統(tǒng)操作被觀測(cè)到了許多異常。據(jù)有關(guān)2004年中緯度地區(qū)西伯利亞鐵路區(qū)段發(fā)生的2176次異常統(tǒng)計(jì)資料顯示，磁暴發(fā)生時(shí)這些異常出現(xiàn)的幾率是平時(shí)的5～7倍，通過用拋物線擬合這些列車的異常率N和磁暴的相關(guān)指數(shù)Kp、Ap和Dst(Kp是地磁暴警報(bào)指數(shù)、Ap是地磁暴預(yù)報(bào)指數(shù)、Dst是地磁活動(dòng)指數(shù))，得到的相關(guān)系數(shù)K分別是0.85、0.95和0.97?？梢钥闯鰪?qiáng)烈的磁暴會(huì)通過干擾信號(hào)和控制系統(tǒng)來影響鐵路的正常運(yùn)行，鐵路系統(tǒng)所出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象與磁暴的干擾是密切相關(guān)的。

高速鐵路由于其速度高，同時(shí)也增加了其在自然環(huán)境災(zāi)害面前的脆弱性、高風(fēng)險(xiǎn)性。高鐵軌道電路系統(tǒng)乃至整個(gè)高鐵信號(hào)系統(tǒng)電磁環(huán)境干擾是關(guān)系高鐵行車安全的重大問題，因此也是我國(guó)高鐵科學(xué)研究的前沿課題。

1 瑞典鐵路區(qū)段的異常及影響因素分析

在1982年、1989年以及2000—2005年的強(qiáng)磁暴期間，瑞典和俄國(guó)北部一些鐵路區(qū)段信號(hào)系統(tǒng)的異常主要表現(xiàn)在軌道電路上。由于軌道電路系統(tǒng)總體上屬于弱電系統(tǒng)，所以極易受到外部電磁干擾的影響。

有關(guān)1982年7月13—14日磁暴中太陽風(fēng)的數(shù)據(jù)由IMP8飛船和ACE飛船測(cè)得，地磁指數(shù)、地磁數(shù)據(jù)來自瑞典北部附近的3個(gè)地磁觀測(cè)站。此次磁暴在7月13日當(dāng)?shù)貢r(shí)間的午夜達(dá)到最大值，當(dāng)時(shí)地磁分量Bx下降到了－5000nT(Tesla—磁通密度單位)，△Bx達(dá)到了2500nT/min，△By大約700nT/min，Dst=－325nT，Ap=400。

在13—14日午夜的強(qiáng)磁暴期間，位于瑞典南部45 km處的鐵路段出現(xiàn)了一些異常:鐵路信號(hào)燈在沒有任何原因的情況下出現(xiàn)了紅色，一會(huì)又變回了綠色，隨后又變成了紅色，即在磁暴期間出現(xiàn)了“閃紅”現(xiàn)象。與此同時(shí)在延平城市的一個(gè)電站，保護(hù)設(shè)備被燒毀，而在其他電站，報(bào)警器開始鳴響，這些都是強(qiáng)磁暴干擾的原因。

分析該磁暴期間的異常在于感應(yīng)地電場(chǎng)對(duì)軌道繼電器產(chǎn)生了影響。在這次磁暴中，感應(yīng)地電場(chǎng)的值大約是4～5V/km，這就足以對(duì)軌道繼電器勵(lì)磁吸起的3～5 V電壓產(chǎn)生影響。磁暴期間，當(dāng)感應(yīng)電壓和電源電壓相反時(shí)，電源電壓被削弱，導(dǎo)致軌道繼電器失磁，信號(hào)燈閃現(xiàn)紅色，就好像有列車占用;當(dāng)感應(yīng)電壓和電源電壓相同時(shí)，信號(hào)燈恢復(fù)綠色，感應(yīng)電壓的波動(dòng)就引起了“閃紅”現(xiàn)象。

2 俄國(guó)中緯度地區(qū)鐵路區(qū)段的異常及分析

有關(guān)俄國(guó)1989年和2000—2005年強(qiáng)磁暴的數(shù)據(jù)，主要來源于北部鐵路學(xué)報(bào)和信集閉實(shí)驗(yàn)室總工程師的報(bào)告。

圖1中 (a)、(b)分別為1989年3月磁暴的Kp、Dst指數(shù)和2000年4月磁暴的Kp、Dst指數(shù)，水平坐標(biāo)是在信集閉系統(tǒng)中觀測(cè)到異常的時(shí)間，用的都是世界時(shí)。

圖1 Kp和Dst指數(shù)圖

1989年3月14日 (當(dāng)?shù)貢r(shí)間0:45)開始在Gorky鐵路區(qū)段，發(fā)現(xiàn)大量有關(guān)軌道電路假鎖閉的故障，在Vladimir和Arzamasskaya鐵路區(qū)段，這種錯(cuò)誤信號(hào)持續(xù)了幾分鐘，在其余的鐵路段3～4 h內(nèi)重復(fù)的出現(xiàn)異常。通過對(duì)Krasnoufimskoj段的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)磁暴干擾期間，軌道繼電器上的電壓由正常值 (大約25V)下降到6～9V，導(dǎo)致軌道繼電器失磁落下，同時(shí)在Lyangasov，Arxamasskaya和Krasnoufimskoj鐵路區(qū)段，機(jī)車信號(hào)設(shè)備都出現(xiàn)了異常。

2000年 4月 6—7日的晚上，在 Nyandoma-Obozerskaya區(qū)段的軌道電路電壓非常不穩(wěn)，信號(hào)燈非系統(tǒng)的、相繼的或者同時(shí)出現(xiàn)“閃紅”現(xiàn)象，鐵路異?，F(xiàn)象就是發(fā)生在磁暴干擾最嚴(yán)重的1 h內(nèi)。

在俄國(guó)北部鐵路出現(xiàn)的異常案例中，磁暴的干擾只對(duì)電力牽引的區(qū)段有影響，因此分析干擾的原因之一可能是在強(qiáng)磁暴期間，快速的地磁變化在鋼軌上產(chǎn)生了感應(yīng)電場(chǎng)，進(jìn)而又有感應(yīng)電流(GIC)的流入，由于鋼軌的不對(duì)稱性，加重了牽引電流的不平衡度，最終對(duì)軌道電路的扼流變壓器產(chǎn)生影響。

在電氣化鐵路的軌道電路中，扼流變壓器是強(qiáng)弱電的結(jié)合部分，它是溝通牽引電流回流的橋梁，同時(shí)又是軌道電路發(fā)送和接收信號(hào)電路的重要匹配設(shè)備。由于它的非線性特性，容易受到電氣化的干擾，從而引起接收端繼電器的誤動(dòng)作，使軌道電路出現(xiàn)異常。在強(qiáng)磁暴發(fā)生時(shí)，由于瞬間GIC電流的注入以及不平衡牽引電流的產(chǎn)生，容易造成扼流變壓器的瞬間飽和，而且正負(fù)飽和度不一樣，比較常見的是半邊飽和，導(dǎo)致50 Hz牽引電流上疊加的25 Hz信號(hào)電流削弱，造成25 Hz信號(hào)在幾個(gè)周期內(nèi)的消失，使軌道繼電器上的電壓下降，引起繼電器的誤動(dòng)作，從而關(guān)閉或不能開放信號(hào)，危及到行車安全和影響運(yùn)輸效率。

3 磁暴影響鐵路系統(tǒng)機(jī)理的相關(guān)研究展望

磁暴災(zāi)害與雷電災(zāi)害一樣同屬于自然電磁環(huán)境干擾，但磁暴電磁環(huán)境對(duì)鐵路信號(hào)系統(tǒng)的安全影響并未明確，其研究尚處在初始階段。因?yàn)槿狈Ρ匾脑囼?yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證，所以對(duì)磁暴干擾的準(zhǔn)確物理過程和相關(guān)響應(yīng)設(shè)備還需要進(jìn)一步的討論。為了獲得更多的結(jié)論，今后還需要對(duì)以下問題進(jìn)行研究:①分析感應(yīng)電流在接觸網(wǎng)和軌道電路中是怎樣流動(dòng)的;②計(jì)算對(duì)鐵路系統(tǒng)產(chǎn)生影響的感應(yīng)電勢(shì)(ESP)和地磁感應(yīng)電流 (GIC)的大小;③GIC相關(guān)干擾危險(xiǎn)點(diǎn)的分析;④開發(fā)能夠用于鐵路系統(tǒng)上的GIC檢測(cè)裝置等。

對(duì)于現(xiàn)在快速發(fā)展的高鐵，磁暴還可能對(duì)其GSM-R無線通信系統(tǒng)造成影響。對(duì)GSM-R無線通信的影響源自太陽耀斑事件，其產(chǎn)生的X射線8 min左右到達(dá)地球，具有隨機(jī)性且影響難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)，這也是下一步需要研究的。對(duì)高鐵軌道電路信號(hào)系統(tǒng)的影響源自磁暴的電磁環(huán)境，及其產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)，其影響通常在日冕物質(zhì)拋射(CME)和日冕事件發(fā)生之后3天內(nèi)，雖然有1～3天可供分析、評(píng)估，但由于太陽風(fēng)的能量、朝向和速度不斷變化，對(duì)鐵路軌道電路系統(tǒng)的影響程度同樣難以預(yù)測(cè)。盡管我國(guó)地處緯度 (磁緯)比上述國(guó)家低，在相同磁暴和大地構(gòu)造條件下，鐵路致災(zāi)的可能性較低，但我國(guó)高鐵與國(guó)外的不同，基本上都采用高架方式，軌道電路的電纜敷設(shè)在高架橋的電纜溝道內(nèi)，而不是地面的溝道，這種方式與磁暴電磁侵害模式的關(guān)系尚待研究。

4 結(jié)論

通過描述了1982年7月以及1989年和2000—2005年強(qiáng)磁暴期間，瑞典和俄國(guó)鐵路軌道電路所受影響的具體表現(xiàn)，得出了強(qiáng)磁暴和鐵路系統(tǒng)異常有著密切的關(guān)系，其異常主要表現(xiàn)在鐵路軌道電路及信號(hào)顯示上;并且分析了磁暴對(duì)軌道電路的可能影響因素，得出地面感應(yīng)電勢(shì)對(duì)軌道繼電器的影響和地磁感應(yīng)電流引起扼流變壓器的飽和，可能是產(chǎn)生干擾的原因所在;最后結(jié)合我國(guó)高鐵實(shí)際情況，闡述了磁暴對(duì)高鐵系統(tǒng)可能產(chǎn)生的影響。相信通過對(duì)地磁活動(dòng)的記錄和預(yù)測(cè)，分析其對(duì)鐵路系統(tǒng)的影響，從而減少極端地磁風(fēng)暴對(duì)鐵路系統(tǒng)的危害是可能的。

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