太陽風(fēng)暴對(duì)高速鐵路軌道繼電器的影響研究

錢學(xué)成， 張晨云， 劉明光，尹燕霖，李 揚(yáng)，李 陽

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司 常州供電公司，江蘇 常州 213003；2.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044；3.中國鐵道科學(xué)研究院 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100015；4.國網(wǎng)山西省電力公司 晉城供電公司，山西 晉城 048000；5.國網(wǎng)浙江省電力公司 杭州供電公司，浙江 杭州 310020)

近些年，太陽活動(dòng)比較頻繁，太陽風(fēng)暴平均每11年爆發(fā)一次，且有愈演愈烈的趨勢(shì)。太陽風(fēng)暴作為一種空間電磁效應(yīng)，其產(chǎn)生的大量等離子體以1 000～2 000 km/s的高速度傳播到地球近空[1]。太陽風(fēng)暴在地球表面的不同地理位置處產(chǎn)生不同的磁場(chǎng)和電場(chǎng)，與地球本身的內(nèi)部磁場(chǎng)和電場(chǎng)疊加，地表面產(chǎn)生電勢(shì)差。文獻(xiàn)[2]研究表明該電勢(shì)差的數(shù)值為1 V/km，而在高緯度地區(qū)可能達(dá)到10～15 V/km。

太陽風(fēng)暴對(duì)大電網(wǎng)及長管道的影響已經(jīng)逐漸被媒體報(bào)道[3-5]。在2004年11月至12月期間，太陽風(fēng)暴引發(fā)了強(qiáng)磁暴，與此同時(shí)，嶺澳核電站周圍的輸電線路中電流諧波增加，電力變壓器鐵芯飽和，噪聲增加。1989年3月磁暴期間，美國阿拉斯加的輸油管道被腐蝕，從而導(dǎo)致管道泄漏，對(duì)環(huán)境造成污染。在2015年中國石油石化腐蝕與防護(hù)技術(shù)交流大會(huì)上，有關(guān)于“地磁暴對(duì)埋地油氣管道腐蝕影響與對(duì)策”的報(bào)告。同樣，敷設(shè)在野外且長數(shù)十千米的高速鐵路鋼軌也是一種特長導(dǎo)體模型。由此推斷：由鋼軌和繼電器等設(shè)備構(gòu)成的軌道電路，很可能受到太陽風(fēng)暴的影響。

目前，國內(nèi)對(duì)太陽風(fēng)暴侵害高速鐵路軌道電路的研究較少，見諸于文獻(xiàn)的僅有本課題(國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41374189))的一些研究。前期的研究側(cè)重于地磁感應(yīng)電流干擾軌道電路的電路原理與機(jī)理定性分析，以及地磁感應(yīng)電流侵害軌道電路的物理過程和效應(yīng)仿真。由于高速鐵路信號(hào)直接受軌道繼電器控制，研究地磁感應(yīng)電流對(duì)高速鐵路信號(hào)的安全問題，必須要討論地磁感應(yīng)電流對(duì)軌道繼電器的影響，為此，本文從實(shí)際需要出發(fā)進(jìn)行分析研究。

1 高速鐵路軌道繼電器的電氣特性

軌道電路用來反映鋼軌區(qū)段的占用和空閑，信號(hào)機(jī)燈光的顏色直接決定列車的行車狀態(tài)，列車行車秩序混亂將嚴(yán)重影響高速鐵路的正常運(yùn)營。軌道繼電器作為軌道電路的重要組成部分，是信號(hào)機(jī)的執(zhí)行器材，繼電器通過可靠工作反映軌道電路空閑，可靠不工作反映軌道電路占用。軌道繼電器動(dòng)接點(diǎn)吸起時(shí)，信號(hào)機(jī)燈光的顏色顯示為綠色，落下時(shí)，信號(hào)機(jī)燈光的顏色顯示為紅色。軌道繼電器是一種交流感應(yīng)式繼電器，利用電磁鐵所建立的交變磁場(chǎng)與金屬轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電流之間相互作用的原理而動(dòng)作，靈敏度較高。高速鐵路軌道繼電器采用JRJC-70/240型號(hào)，該軌道繼電器的電氣特性見表1，由繼電器帶軸翼板、軌道線圈、局部線圈和接點(diǎn)組四大部件構(gòu)成。軌道繼電器應(yīng)動(dòng)作靈活，無機(jī)械卡阻現(xiàn)象，繼電器動(dòng)接點(diǎn)接觸電阻應(yīng)小于等于0.1 Ω，工作時(shí)接點(diǎn)系統(tǒng)在上，磁路系統(tǒng)在下。在環(huán)境溫度為60 ℃且加于軌道繼電器局部線圈兩端的電壓為110 V，軌道線圈兩端的電壓為15 V時(shí)，線圈的溫升應(yīng)不超過45 K[6]，軌道線圈電壓滯后于局部線圈電壓的理想相位角為90°，翼板得到最大轉(zhuǎn)矩，此時(shí)繼電器的動(dòng)接點(diǎn)處于最佳吸起狀態(tài)。

表1 繼電器的電氣特性

2 太陽風(fēng)暴侵害高速鐵路軌道繼電器的機(jī)理

我國高速鐵路營運(yùn)采用AT供電方式，在這種供電方式下，牽引供電所的牽引繞組和自耦變壓器中點(diǎn)均需與大地連接，太陽風(fēng)暴產(chǎn)生后，在地球表面引發(fā)的電勢(shì)差計(jì)為ESP(Earth Surface Potentials)。ESP、鋼軌和大地三者構(gòu)成回路，在鋼軌中就會(huì)存在流通的GIC，如圖1所示，GIC的頻率在0.001～0.1 Hz之間，為準(zhǔn)直流，會(huì)持續(xù)幾分鐘，甚至幾十分鐘[7]。GIC在鋼軌中流通，高速鐵路軌道基本采用無縫鋼軌，相鄰兩個(gè)車站區(qū)間的鋼軌很少存在機(jī)械絕緣節(jié)，絕緣節(jié)一般只布置在列車進(jìn)站處和出站處，為GIC的流通提供了方便。由于鋼軌不平衡度的存在，一般情況下GIC在兩根鋼軌中的數(shù)值不相等，GIC在軌道電路中傳輸，經(jīng)過扼流變壓器和軌道中繼變壓器的線圈電磁感應(yīng)侵入軌道繼電器中，其流通路徑如圖2所示。GIC的頻率較小，防護(hù)盒中的濾波裝置對(duì)GIC的流通不起阻礙作用，從而GIC經(jīng)過扼流變壓器、軌道變壓器的電磁感應(yīng)侵入了軌道繼電器。由軌道繼電器的電氣特性可知，其工作電流較小，不大于0.04 A，所以即使GIC很小，也很有可能造成軌道繼電器誤動(dòng)作。

圖1 GIC在高速鐵路運(yùn)行時(shí)的流通圖

圖2 GIC侵入軌道繼電器的路徑示意圖

2.1 不受太陽風(fēng)暴影響的軌道電路各節(jié)點(diǎn)電氣參數(shù)計(jì)算

軌道電路的四端網(wǎng)傳輸模型如圖3所示，每個(gè)設(shè)備的電氣參數(shù)取其有效值[8]。在調(diào)整狀態(tài)(軌道電路中無列車)時(shí)，軌道繼電器GJ的工作電壓Uj=15 V、工作電流Ij=0.039 A、軌道線圈阻抗角為70°。軌道變壓器的變比為1∶15，受電端扼流變壓器至受電端軌道變壓器間的連接線電阻Ry=0.3 Ω，受電端軌道變壓器至軌道繼電器間的電纜阻值Rl=100 Ω(電纜長度相當(dāng)于單芯一去一回2 km)，限流電阻RS=4.7 Ω，包括送電端扼流變壓器至送電端軌道變壓器間的連接線電阻。防護(hù)盒阻抗值ZHF=400∠-88° Ω。

圖3 軌道電路四端網(wǎng)等效電路模型(無GIC)

送電端BE-400/25型扼流變壓器的四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)矩陣為

受電端BE-400/25型扼流變壓器的四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)矩陣為

受電端BG25-130/25型軌道變壓器的四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)矩陣為

鋼軌的分布參數(shù)等效四端網(wǎng)絡(luò)圖如圖4所示。

圖4 分布參數(shù)等效四端網(wǎng)絡(luò)

coshγl=cosh(75.95+j29.15)=92.041 5+j40.706 6

=100.644 6∠23.86°

sinhγl=sinh(75.95+j29.15)=81.680 3+j31.152 2

=87.418∠20.87°

所以

A=D=coshγl=100.644 6∠23.86°

B=ZKsinhγl=53.325∠41.87°

在計(jì)算過程中，以軌道線圈的電流相角為0°為基準(zhǔn)。

防護(hù)盒中的電流為

(1)

受電端軌道變壓器次級(jí)線圈的電流和電壓為

Ibgsh=Ij+Ihf=0.039+0.037 5∠158°=

0.014 66∠73.24°(A)

(2)

Ubgsh=Uj+Ibgsh×Rl=15∠70°+

0.014 66∠73.24°×100=16.463 87∠70.3°(V)

(3)

受電端軌道變壓器初級(jí)線圈的電壓和電流為

Ubgsh2=AbgshUbgsh+BbgshIbgsh=0.0715∠2.93°×

16.463 87∠70.3°+4.173 7∠8.3°×

0.014 66∠73.24°=1.237 74∠73.64°(V)

(4)

Ibgsh2=CbgshUbgsh+DbgshIbgsh=0.001 2∠-70.27°×

16.463 87∠70.3°+14.017 4∠-3.17°×

0.014 66∠73.24°=0.213∠65.07°(A)

(5)

受電端扼流變壓器信號(hào)線圈的電壓和電流為

Ubesh1=Ubgsh2+Ibgsh2×Ry=1.237 74∠73.64°+

0.213∠65.07°×0.3=1.300 95∠73.23°(V)

(6)

Ibesh1=Ibgsh2=0.213∠65.07°(A)

(7)

軌道電路終端即受電端扼流變壓器牽引線圈的電壓和電流為

UZ=AbeshUbesh1+BbeshIbesh1=0.329 5∠-0.62°×

1.300 96∠73.22°+0.032 8∠14.14°×

0.213∠65.07°=0.435 6∠72.7°(V)

=(0.105 9+j0.339 9)(V)

(8)

IZ=CbeshUbesh1+DbeshIbesh1=0.268 4∠-80.74°×

1.300 96∠73.22°+3.046 8∠0.15°×

0.213∠65.07°=0.823 1∠41.32°(A)=

(0.618 2+j0.543 5)(A)

(9)

2.2 受太陽風(fēng)暴影響的軌道繼電器兩端電壓變化

軌道電路處于調(diào)整狀態(tài)，GIC在鋼軌中流通時(shí)，在軌道電路中疊加GIC，可將GIC等效為在一根鋼軌中流通，此時(shí)其數(shù)值為兩鋼軌中的GIC差值，為實(shí)際的GIC與鋼軌不平衡度相乘。如圖5所示，因?yàn)镚IC為準(zhǔn)直流，電感相當(dāng)于短路，電容相當(dāng)于斷路，所以只需取受電端四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)矩陣的實(shí)部，可得

圖5 軌道電路受電端四端網(wǎng)等效電路模型(有GIC)

軌道電路受電端總的四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)矩陣為(忽略電感、電容)

(10)

利用電路疊加定理，可得

(11)

ΔUj=GIC×(-5.547 2)

(12)

由式(12)可知，GIC在鋼軌中流通會(huì)導(dǎo)致軌道繼電器的端電壓下降，由文獻(xiàn)[10，11]可知，在中低緯度地區(qū)，鋼軌中流動(dòng)的不對(duì)稱地磁感應(yīng)電流的數(shù)值為0.25 A，而在高緯度地區(qū)，鋼軌中流動(dòng)的不對(duì)稱地磁感應(yīng)電流的數(shù)值為1.5 A。當(dāng)GIC為0.25 A時(shí)，軌道繼電器兩端的電壓降低了1.386 8 V。因?yàn)檐壍览^電器存在繼電特性，且由表1可知，繼電器軌道線圈兩端的電壓有效值小于8.6 V時(shí)，繼電器動(dòng)接點(diǎn)才落下，故0.25 A的不對(duì)稱地磁感應(yīng)電流不會(huì)使軌道繼電器誤動(dòng)作。但當(dāng)GIC為1.5 A時(shí)，軌道繼電器端電壓下降了8.320 8 V，經(jīng)計(jì)算繼電器的端電壓低于7 V，故動(dòng)接點(diǎn)落下，造成軌道繼電器誤動(dòng)作，軌道電路將發(fā)碼異常，使信號(hào)機(jī)燈光顯示的顏色由綠燈變?yōu)榧t燈，此時(shí)認(rèn)為有列車通過軌道電路，給高速鐵路的安全營運(yùn)帶來干擾。

3 GIC對(duì)軌道繼電器的仿真計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[12]和上述計(jì)算得出的參數(shù)，對(duì)繼電器的選頻特性采用局部線圈電壓超前軌道線圈電壓90°進(jìn)行模擬，利用Ansoft軟件對(duì)軌道繼電器的結(jié)構(gòu)及工作方式進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)設(shè)置如圖6所示，建立的軌道繼電器結(jié)構(gòu)模型和剖分圖模型如圖7所示。將不同數(shù)值的地磁感應(yīng)電流通入軌道繼電器的軌道線圈，在調(diào)整狀態(tài)下仿真得到軌道繼電器的端電壓波形圖如圖8所示[13]，分別對(duì)應(yīng)的端電壓有效值及其是否達(dá)到誤動(dòng)條件見表2。可以看出，隨著GIC的增加，軌道繼電器的端電壓隨之降低，與式(12)結(jié)論一致。當(dāng)GIC達(dá)到1.5 A時(shí)，軌道繼電器兩端的電壓有效值約為8.8 V，極有可能導(dǎo)致繼電器誤動(dòng)作，當(dāng)GIC繼續(xù)增大，軌道繼電器的端電壓繼續(xù)減小，小于繼電器的釋放電壓8.6 V時(shí)，將不能使前接點(diǎn)吸起，此時(shí)繼電器的動(dòng)接點(diǎn)處于釋放狀態(tài)，信號(hào)燈閃紅。

圖6 軌道繼電器的仿真參數(shù)設(shè)置

圖7 軌道繼電器的結(jié)構(gòu)模型和剖分圖模型

圖8 不同數(shù)值的GIC對(duì)應(yīng)的軌道繼電器端電壓波形

表2 不同數(shù)值的GIC對(duì)應(yīng)的繼電器端電壓有效值

圖9和圖10分別反映了通入不同數(shù)值的GIC后，軌道繼電器的總損耗對(duì)應(yīng)的波形和直觀3D圖?？梢钥闯?，隨著GIC的增加，繼電器的損耗也增加，無GIC通入時(shí)，軌道繼電器的損耗約為1.94 W，當(dāng)GIC達(dá)到2.5 A時(shí)，繼電器的損耗達(dá)到了6.04 W，約為正常情況下的3倍，此時(shí)繼電器的工作效率降低，鐵損和銅損引起繼電器發(fā)熱增加，有可能超過繼電器規(guī)定的溫升，使軌道繼電器的工作壽命縮短。

圖9 不同數(shù)值的GIC對(duì)應(yīng)的繼電器損耗波形

圖10 不同數(shù)值的GIC對(duì)應(yīng)的繼電器損耗三維圖

圖11和圖12反映了通入不同數(shù)值的GIC時(shí)，軌道繼電器的前接點(diǎn)壓力對(duì)應(yīng)的波形圖，表3反映了不同數(shù)值的GIC對(duì)應(yīng)的繼電器前接點(diǎn)壓力有效值及其是否達(dá)到誤動(dòng)條件。由表1軌道繼電器的電氣特性可知，當(dāng)繼電器的前接點(diǎn)壓力不小于240 mN時(shí)，軌道繼電器的動(dòng)接點(diǎn)處于落下狀態(tài)，當(dāng)GIC達(dá)到1.5 A時(shí)，軌道繼電器處于誤動(dòng)作邊緣狀態(tài)，與表2中的結(jié)論一致，當(dāng)通入的GIC繼續(xù)增加時(shí)，繼電器前接點(diǎn)壓力繼續(xù)增加，繼電器動(dòng)接點(diǎn)將落下，與軌道繼電器的鐵芯緊密貼合，此時(shí)繼電器誤動(dòng)作，使信號(hào)機(jī)燈光的顏色錯(cuò)誤顯示。

圖11 不同數(shù)值的GIC對(duì)應(yīng)的繼電器前接點(diǎn)壓力有效值

圖12 不同數(shù)值的GIC對(duì)應(yīng)的繼電器前接點(diǎn)壓力波形

表3 不同數(shù)值的GIC對(duì)應(yīng)的繼電器前接點(diǎn)壓力有效值

4 結(jié)論

(1)太陽風(fēng)暴對(duì)軌道信號(hào)的影響途徑主要是：地磁感應(yīng)電流竄入高速鐵路軌道電路(鋼軌、受電端扼流變壓器、受電端軌道變壓器、軌道繼電器)，在不利的情況下會(huì)導(dǎo)致軌道繼電器動(dòng)接點(diǎn)發(fā)生錯(cuò)誤釋放。

(2)軌道繼電器兩端的電壓與鋼軌中流通的不對(duì)稱地磁感應(yīng)電流有關(guān)。式(12)計(jì)算表明，一旦有1.5 A的不對(duì)稱地磁感應(yīng)電流流入鋼軌，將導(dǎo)致繼電器的動(dòng)接點(diǎn)失壓落下，意味著在調(diào)整狀態(tài)下，信號(hào)機(jī)燈光的顏色會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤顯示，影響安全行車。這一點(diǎn)需要引起高速鐵路運(yùn)行部門的高度重視。

(3)針對(duì)太陽風(fēng)暴引發(fā)的地磁感應(yīng)電流對(duì)軌道繼電器的損耗以及對(duì)前接點(diǎn)壓力造成的影響，利用Ansoft軟件仿真得出：1.5 A以上的不對(duì)稱地磁感應(yīng)電流流入軌道繼電器，將導(dǎo)致繼電器的端電壓和前接點(diǎn)壓力同時(shí)達(dá)到誤動(dòng)條件，與式(12)的計(jì)算結(jié)論一致；且當(dāng)不對(duì)稱地磁感應(yīng)電流達(dá)到2.5 A時(shí)，繼電器的損耗是無地磁感應(yīng)電流時(shí)的3倍，將導(dǎo)致繼電器發(fā)熱增加，使繼電器加速老化，影響軌道繼電器的壽命和正常工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]TESSIER J L,SIMARD G.Case Study of the Impact of a Magnetic Storm on a Hydro-Québec Distribution Feeder[C]//Power and Energy Society General Meeting-Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century.New York:IEEE Press,2008:1-8.

[2]劉春明.中低緯電網(wǎng)地磁感應(yīng)電流及其評(píng)估方法研究[D].北京:華北電力大學(xué),2009:45-90.

[3]MOLINSKI T S,FEERO W E,DAWNSKY B L.Shielding Grids from Solar Storms[J].IEEE Spectrum,2000,37(11):55-60.

[4]VILJANEN A,PULKKINEN A,PIRJOLA R,et al.Recordings of Geomagnetically Induced Currents and a Now Casting Service of the Finnish Natural Gas Pipeline System[J].Space Weather:The International Journal of Research and Applications,2006,4(10):239-251.

[5]劉連光,劉春明,張兵，等.中國廣東電網(wǎng)的幾次強(qiáng)磁暴影響事件[J].地球物理學(xué)報(bào),2008,51(4):976-981.

LIU Lianguang,LIU ChunMing,ZHANG Bing,et al.Strong Magnetic Storm’s Influence on China’s Guangdong Power Grid[J].Chinese Journal of Geophys,2008,51(4):976-981.

[6]尤毓芳.JRJC-70/240型繼電器檢修及故障處理[J].上海鐵道科技,2014(4):69-71.

YOU Yufang.Maintenance and Troubleshooting of JRJC-70/240 Railway Signal Relay[J].Shanghai Railway Science & Technology,2014(4):69-71.

[7]錢學(xué)成,劉明光,劉鐵,等.地磁暴對(duì)軌道電路電磁干擾的機(jī)理分析[J].鐵道學(xué)報(bào),2015,37(5):42-46.

QIAN Xuecheng,LIU Mingguang,LIU Tie,et al.Analysis on How Electromagnetic Interference of Geomagnetic Storms Affects Track Circuit[J].Journal of the China Railway Society,2015,37(5):42-46.

[8]劉連光,于永富,宗偉,等.地磁暴干擾軌道電路工作的仿真計(jì)算研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2015,37(8):48-52.

LIU Lianguang,YU Yongfu,ZONG Wei,et al.Simulation Calculation about Interference of Geomagnetic Storms on the Track Circuit Equipments[J].Journal of the China Railway Society,2015,37(8):48-52.

[9]王彥快.25 Hz相敏軌道電路分路不良預(yù)警系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].蘭州：蘭州交通大學(xué),2013:15-18.

[10]卞麗麗,劉連光,蔣智化,等.軌道電路扼流變壓器的磁暴侵害效應(yīng)仿真研究[J].中國鐵路,2012,9(4):59-62.

BIAN Lili,LIU Lianguang,JIANG Zhihua,et al.Simulation about Magnetic Storm’s Effect on Impedance Transformer of Track Circuit[J].Chinese Railways,2012,9 (4):59-62.

[11]范婷霞.磁暴侵害軌道電路系統(tǒng)的物理過程研究[D].北京：華北電力大學(xué),2013:40-45.

[12]曹云東,王貝貝,劉煒,等.鐵路信號(hào)繼電器返回系數(shù)的仿真計(jì)算及影響因素研究[J].機(jī)電元件,2015(1):16-19.

CAO Yundong,WANG Beibei,LIU Wei,et al.Study on the Simulation Method and Influencing Factors of the Return Factor for Railway Signal Relay[J].Electromechanical Components,2015(1):16-19.

[13]QIAN X,TIAN H,YIN Y,et al.Geomagnetic Storms’Influence on Intercity Railway Track Circuit[J].Urban Rail Transit,2016,2(2):85-91.