鐵路客運專線對城市地鐵電磁干擾分析研究

程 敏

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

鐵路客運專線對城市地鐵電磁干擾分析研究

程 敏

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

為提高軌道交通的快捷性、舒適性，對各類軌道交通相互結合的緊密度要求越來越高，隨之而來的鐵路與地鐵的相互影響也突顯出來，重點分析鐵路客運專線與城市地鐵銜接后，交流牽引電流對地鐵的電磁干擾情況，并提出應采取的相應措施，其研究結論對地鐵信號等弱電系統(tǒng)的實施具有一定指導意義。

鐵路；客運專線；地鐵；電磁；兼容；研究

1　研究背景

隨著我國軌道交通的大力發(fā)展，鐵路（在城市主要體現為客運專線）正向市區(qū)各個角落延伸，并可能與城市軌道交通（地鐵、輕軌）連接。如成都地鐵2號線西延線（以下簡稱地鐵）與成灌鐵路客運專線（以下簡稱客專）在犀浦車站接軌、實現同站臺換乘，如圖1所示。地鐵為城市軌道交通主干線，牽引供電為直流1 500 V架空接觸網，采用四動兩拖6輛編組的地鐵B型車，最高設計速度為80 km/h，信號系統(tǒng)采用基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC），車地無線通信采用2.4G、802.11標準；客專是高速電氣化鐵路，采用CRH和諧號動車組；8輛編組、預留兩列連掛運行，最高設計速度為250 km/h，交流25 kV牽引接觸網供電，信號系統(tǒng)采用CTCS-2級列控系統(tǒng)。

接駁站—犀浦站為高架站，如圖2所示，鐵路與地鐵設計為同向、同站臺換乘，如圖3所示，共設兩個島式站臺，客專上、下行線路分別位于兩站臺最外側，站臺長約450 m、寬約15 m；地鐵線路位于兩站臺之間, 即2座島式站臺分別位于客專線路與地鐵線路的中間。

此環(huán)境下，客專與地鐵的控制設施處于非常接近的位置，客專鐵路特別是其交流25 kV牽引強電流對地鐵弱電系統(tǒng)可能產生非常不利的干擾，為此，本課題重點研究鐵路牽引電流對地鐵弱電系統(tǒng)的干擾問題。

2　鐵路電磁干擾分析

2.1鐵路客專的供電結構

鐵路牽引供電系統(tǒng)包括鐵路牽引變電所、饋電線、接觸網、軌道回路供電系統(tǒng)等，如圖4所示。

2.2電氣化鐵路干擾源的分類

電氣化鐵路產生的電磁干擾主要有以下幾類：

1）靜電感應

電氣化鐵路額定供電電壓為25 kV，由于靜電感應，接觸網的高電壓在周圍空間會產生很強的電場，從而使周圍的非帶電金屬部件產生很高的對地電位，因此這些金屬部件必須進行良好的接地，以免人身和設備遭受危害。這些部件包括接觸網的鋼柱、金屬支撐結構、距接觸網帶電部分5 m以內的所有非帶電金屬結構（或金屬外殼）。

2）電磁場耦合

電力機車牽引電流通過的環(huán)路很大，從而產生交變電磁場，進而影響設備的正常工作。牽引電流中的高頻成分來源于電流中的脈沖，包含從低頻到高頻很寬的頻率成分，可產生對外界的電磁干擾。其中，弓網離線放電噪聲是電氣化鐵路產生射頻電磁干擾的主要根源。

為了減少電氣化鐵路對外界的電磁場耦合干擾，鐵路部門在直接（TR）供電方式的基礎上加設了回流線，即直供加回流線（TR-NF）供電方式，可以減少大約一半的干擾。進一步又采用吸流變壓器（BT）供電方式和自耦變壓器（AT）供電方式，使干擾影響有較大的改善。

3）直接耦合

牽引電流以鋼軌作為回流途徑，即使不是直接供電方式，部分鋼軌中也會有回流，特別是在機車與吸上線之間存在“半段效應”，在這半段距離內，回流還要從鋼軌上經過才能到達吸上線。兩根吸上線間的距離在BT供電方式中為2～4 km，而軌道電路的閉塞區(qū)間一般長度為1～2 km，因此兩根吸上線之間可能包括多個信號閉塞區(qū)間。若信號系統(tǒng)選用軌道電路制式，則牽引電流就可能“直接耦合”到軌道電路中。

4）地電流

牽引電流由機車傳送到鋼軌后，回流中的一部分經鋼軌，另一部分經大地回歸牽引變電所?；亓麟娏鞯姆峙溆射撥墝Φ芈┬闺娮铔Q定，漏泄電阻大，大地泄漏電流就小。電氣化區(qū)段一般泄漏電阻為0.3～1 Ω.km，大地泄漏電流約為回流的10%～20%。

地電流產生的另一個因素是各種接地電極中的電流流入大地。電氣化區(qū)段內有很多設備都設有接地極，例如牽引變電所、分區(qū)亭、AT所、接觸網的高壓變壓器、支柱、站臺上的避雷架空線、通信信號設備的保護和防雷用的接地極等。

地電流從接地極向四周的土壤擴散，引起地電位升高，當地電流很強時，土壤中的電位梯度很高，如果超過臨界值，就會產生地下電子流放電，在放電區(qū)域埋設的地下電纜就很可能發(fā)生電纜絕緣被擊穿的現象。

2.3弓網離線原因分析

弓網受流過程中發(fā)生連續(xù)火花，說明受電弓滑板與接觸導線在運行中發(fā)生脫離，瞬時切斷了電流，引起電弧。弓網離線放電是電氣化鐵道產生射頻電磁干擾的主要根源。對造成這種現象的原因進行分析。

1）接觸網波動引起的弓網振動不匹配

接觸網和受電弓在高速運行中形成了一對動態(tài)振動系統(tǒng)，兩個子系統(tǒng)相互激勵，各自又有自己的固有振動參數。當弓網振動不匹配，接觸壓力為零時，造成受電弓滑板脫離接觸導線，即“離線”。接觸壓力變化的主要原因是由于接觸導線懸吊點周期的彈性變化、吊弦間接觸線的弛度及導線高度不平順所致。

理論分析可知，受電弓受到的接觸線入射波動使接觸力發(fā)生變化，受電弓的接觸力變化與入射于受電弓的接觸線波動速度和振幅成正比，受電弓和接觸網的機械阻抗越小，接觸力的變化越小。理論分析時，假設接觸線是一無限長的弦，但實際的接觸網結構，在吊弦點、定位點、下錨點和其他集中質量點均有波動反射，并傳播到承力索上，又對受電弓成為入射波動。單弓或雙弓運行工況下，受電弓均受到入射波動。受電弓的接觸力變化受吊弦點等的反射波和先行受電弓(雙弓運行時)的行波等受電弓入射波動影響。改進接觸網結構，使入射到受電弓的接觸線波動減少，可有效降低高速運行時的接觸力變化。

實際表明，接觸網的振動加速度在受電弓通過時為最大，其大小與列車速度成正比。接觸網振動頻率范圍，跨距間單位固有振動頻率為1 Hz，吊弦間單位固有頻率約為10 Hz，弓頭的固有振動頻率及波狀磨耗周期在幾百Hz。減少接觸網振動可以改善受流性能。

2）導線不平順引起弓網連續(xù)離線

在導線不平順(有小彎)和導線高度變化較大處，受電弓受到導線不平順缺陷擾動后，弓網產生劇烈的振動可能造成離線。造成接觸線不平順的原因有幾個方面：由于接觸線施工放線時操作不當，造成接觸線底面不平順(或稱為硬彎)；接觸線出廠時本身存在不平順等。

研究表明，對接觸線連續(xù)諧波類型的不平順，其諧波的波長對弓網接觸力有重要影響，波長為5 m的正弦波對接觸力影響明顯。實際接觸線不平順的諧波類型和波長很難測得。測試結果表明，如果接觸導線存在不平順，不論是銀銅接觸線或是鎂銅接觸線，都會產生連續(xù)弓網離線火花，不平順幅值越大，離線火花越嚴重。

3）接觸導線的材質影響

接觸線內部材料金相組織應做到顆粒細小、分布均勻，使得接觸線的剛度均勻。如果接觸線內部存在孔洞，顆粒過大或分布不均，接觸線在加上工作張力后，造成剛度不均，受電弓滑板在沿導線底面摩擦時，容易受到小的沖擊，形成小的離線火花。

4）其他原因

吊弦間隔的接觸線高低不平引起的周期性離線：接觸網相鄰吊弦點的接觸線高度應一致，在接觸線有坡度要求時，吊弦點的接觸線高度應均勻變化。當吊弦點的接觸線高低不平時，將造成弓網離線。

接觸線的大硬彎、大質量的零部件等造成硬點會引起離線。

接觸導線波狀磨耗也會引起連續(xù)小離線火花。

3　結論及措施建議

通過對電氣化鐵道弓網離線產生的電磁干擾進行分析，結合現場的測試數據，對于弓網離線放電脈沖對地鐵弱電系統(tǒng)的干擾問題，初步得出以下結論及措施建議。

3.1客專電氣化干擾的影響

電氣化鐵道及列車的低頻段電磁干擾主要是牽引電流引起的，由于地鐵信號系統(tǒng)在正線上通常不采用軌道電路，且在鐵路與地鐵的接近區(qū)段，兩線間距一般為10 m以上，脈沖強度會有很大程度的衰減，因此，電氣化干擾應不會影響地鐵信號設備的正常工作。

電氣化鐵道和列車的主要射頻干擾是由弓網離線放電產生的，產生的射頻干擾主要集中在500 MHz之內，對基于WLAN的CBTC系統(tǒng)和導乘系統(tǒng)等，弓網離線放電產生的射頻干擾不會影響其正常工作。對于Tetra數字集群系統(tǒng)，弓網離線放電對于其語音業(yè)務的影響比較微弱，不會明顯降低語音通話質量，對于其數字業(yè)務，考慮到擴頻通信的特點，不應會有明顯干擾。

3.2現有各種通信設施的影響

現有環(huán)境的通信設施主要有：機車電臺、GSM-R、GSM、CDMA和WLAN。其中，移動通信GSM、CDMA和民用WLAN等其他的通信信號與鐵路系統(tǒng)無關。

鐵路的機車電臺和站場工作人員使用的無線手持機的工作頻率是450 MHz左右，其信號較強，測量得到的電場強度約為100～120 dBμV/m左右，其信號和雜散輻射有可能對Tetra系統(tǒng)的性能造成影響。根據國家無線電管理委員會對移動通信工作頻段的規(guī)定，Tetra系統(tǒng)工作頻段為160 MHz頻段：138 MHz～149.9 MHz （上行）/ 150.05 MHz～167 MHz（下行）；450 MHz頻段：403 MHz～420 MHz （上行）/450 MHz～470 MHz（下行）；800 MHz頻段：806 MHz～821 MHz（上行）/851 MHz ～866 MHz（下行）。如果Tetra系統(tǒng)選擇450 MHz系統(tǒng)，那么機車信號落入Tetra的下行頻段，可能造成嚴重的同頻干擾；因電氣化鐵道和列車的射頻輻射干擾主要集中在500 MHz以下，為避免電氣化鐵道和機車電臺的電磁干擾，可考慮將工作頻段設置在800 MHz頻段，則機車電臺信號的干擾降低為雜散輻射干擾，相對較弱。對于800 MHz頻段，就GSM-R而言，其工作頻段為885 MHz～889 MHz（上行）/ 930 MHz～934 MHz（下行）,二者頻段不重疊。對于移動、聯通的GSM而言，GSM900使用的頻段為905 MHz～915 MHz （上行）/950 MHz～960 MHz（下行），頻段也不重疊。但是，對于Tetra系統(tǒng)，實際使用時必須考慮可能的移動信號干擾，如果出現移動信號的干擾，可在設備選型時通過選擇合適的工作頻段降低其影響，并與相關單位協(xié)商解決。

通過實驗及分析研究，認為更需要重點關注其他通信信號對地鐵設備的電磁干擾問題。由于地鐵的CBTC、導乘等系統(tǒng)使用的無線通信方式為基于IEEE802.11無線局域網協(xié)議的WLAN技術，而地鐵設備的工作原理與民用WLAN設備并無差別，因而，民用WLAN信號就成為一個重要的干擾源；隨著無線智能終端的普及，民用WLAN信號會愈加密集地出現在地鐵運用環(huán)境中，很可能對地鐵系統(tǒng)造成干擾，如出現信道阻塞或失效現象。

解決方案：首先是考慮增強信號的覆蓋強度，并可根據現場的頻率分布，自適應地選擇空閑信道等。其次，考慮到WLAN設備通常支持2.4 GHz和5.8 GHz兩個頻段，2.4 GHz頻段為公共開放頻段，存在的干擾較多，而5.8 GHz頻段目前尚未開放，可以考慮將5.8 GHz作為備選方案，在2.4 GHz頻段受干擾嚴重、信道阻塞時，可申請啟用5.8 GHz頻段。此外，正逐步進入軌道交通各領域的LTE（長期演進）技術，有較強的抗干擾能力，可作為一種新選擇。

弱電系統(tǒng)電磁兼容是當今軌道交通工程建設中的一個重要指標，是保證通信、信號系統(tǒng)安全可靠運行的關鍵技術。在國內，為滿足鐵路電磁兼容工程應用的需要，借鑒EN50121-4和EN50121-3標準，我國頒布了《鐵道信號電氣設備電磁兼容性試驗及其限值》（TB/T 3073-2003）、《機車車輛電氣設備電磁兼容件試驗及其限值》（TB/T 3034-2002），規(guī)定了鐵路信號控制系統(tǒng)中信號電子設備的電磁兼容試驗項目，我國客運專線的電磁干擾度均在標準的有關規(guī)定之內。目前，地鐵尚沒有相應的行業(yè)電磁兼容標準，建議所有地鐵設備，特別是信號設備等必須參照鐵路標準和國際標準，即鐵路、地鐵工程均應滿足上述電磁兼容的相關標準要求，則即使出現客專與地鐵并行的環(huán)境，客專25 kV牽引接觸網、牽引供電系統(tǒng)及鐵路相關設施也不會對地鐵通信、信號系統(tǒng)產生干擾，不會影響地鐵系統(tǒng)安全正常運營。參考文獻

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In order to improve demands for rapid and comfortable transportation of rail transitsuch as railways, metro lines and light railways, the interrelationship between different transportation modes should be well treated, especially at join area between a passenger dedicated line and a metro line in urban rail transit. This paper analyzes and studies the electromagnetic interference of the railway traction current to the metro line in the coexistence region and puts forward corresponding electromagnetic interference protection measures. The study results have certain guiding signifi cance to implement metro signaling and communication systems.

railway; passenger dedicated line; metro; electromagnetic; compatible; research

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.03.006

2016-03-31）