淺議電氣化鐵路牽引供電對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備的影響

翟延濤??

摘要：近年來(lái)，鐵路建設(shè)發(fā)展迅速，電氣化牽引供電系統(tǒng)作為四電建設(shè)目標(biāo)中重要的組成部分，受到了大力推廣。在電氣化鐵路這個(gè)大系統(tǒng)中，由于各個(gè)部門(mén)共存，相互之間必然會(huì)產(chǎn)生各種各樣的影響。信號(hào)系統(tǒng)是弱電系統(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(wèn)題。鐵路的信號(hào)系統(tǒng)屬于弱電系統(tǒng)，在電氣化牽引供電系統(tǒng)中，容易受到干擾，導(dǎo)致信號(hào)設(shè)備的運(yùn)行或是數(shù)據(jù)輸入輸出發(fā)生異常，從而引發(fā)一些不必要的安全事故。本文主要圍繞電氣化鐵路牽引供電對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備的影響進(jìn)行了分析，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作人員提供一些借鑒意義。

關(guān)鍵詞：電氣化牽引供電；鐵路信號(hào)設(shè)備；影響

目前，電氣化鐵路作為鐵路建設(shè)的新形式，其通過(guò)利用牽引供電系統(tǒng)，在鐵路重載等方面具有無(wú)可比擬的作用。當(dāng)應(yīng)用電氣化鐵路時(shí)，牽引供電系統(tǒng)會(huì)形成電磁場(chǎng)或信號(hào)脈沖，使其受不同因素的影響對(duì)鐵路信號(hào)產(chǎn)生不同程度的阻礙。若想減少牽引供電系統(tǒng)所帶來(lái)的信號(hào)干擾問(wèn)題，要根據(jù)實(shí)際情況找到產(chǎn)生信號(hào)干擾的根本原因，然后對(duì)癥下藥，使其能夠更好地投入使用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展。隨著電氣化鐵路信號(hào)設(shè)備的影響。近年來(lái)，鐵路信號(hào)系統(tǒng)使用了大量的新技術(shù)、新設(shè)備，是這方面的矛盾更加突出，如何解決好這些問(wèn)題，是鐵路信號(hào)系統(tǒng)要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

1 電氣化牽引供電

1.1 簡(jiǎn)要介紹

牽引供電系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上指：從地方引入的電源通過(guò)牽引變電所降低至適宜列車(chē)用電的供電系統(tǒng)。牽引供電方式則是通過(guò)車(chē)輛拖動(dòng)運(yùn)輸需要的電能。

牽引供電優(yōu)勢(shì)顯著，主要包括：節(jié)約電能，有效加快列車(chē)運(yùn)行速度的同時(shí)能夠增強(qiáng)其牽引重量，可提高列車(chē)制動(dòng)功率，降低運(yùn)輸成本，使自動(dòng)化進(jìn)程更為深入等方面。牽引供電可以實(shí)現(xiàn)資源利用最大化，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下，促進(jìn)鐵路發(fā)展更加地安全與快速。但相應(yīng)的，其也存在著不足，例如基礎(chǔ)設(shè)施建筑消費(fèi)高、所需人力物力多，要接入地方電網(wǎng)才能使用等問(wèn)題，亟待解決。

1.2 鐵路信號(hào)設(shè)備簡(jiǎn)要介紹

信號(hào)系統(tǒng)對(duì)于鐵路運(yùn)輸安全與調(diào)試具有無(wú)可比擬的作用，組成信號(hào)系統(tǒng)的重要硬件設(shè)備為信號(hào)設(shè)備，其內(nèi)部包含了區(qū)間信號(hào)、車(chē)站信號(hào)、列車(chē)運(yùn)行等部分。

區(qū)間信號(hào)通常以車(chē)站等作為分界點(diǎn)來(lái)進(jìn)行區(qū)域劃分的，如區(qū)間閉塞、道口防護(hù)以及軸溫探測(cè)、車(chē)內(nèi)信號(hào)等等。其中，區(qū)間閉塞在應(yīng)用中根據(jù)實(shí)際情況會(huì)采取全自動(dòng)或半自動(dòng)方式進(jìn)行使用；而車(chē)站信號(hào)主要對(duì)車(chē)輛調(diào)控、信號(hào)遙控等發(fā)揮作用；并且，因車(chē)站在進(jìn)路上較為復(fù)雜多變，且各個(gè)股道交錯(cuò)過(guò)程中必須要保證車(chē)站進(jìn)路與道岔操作上完全按照信號(hào)所操作，以保證聯(lián)鎖反應(yīng)。現(xiàn)今，在國(guó)內(nèi)鐵路信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)用中，多采取繼電集中聯(lián)鎖以及信號(hào)遙控系統(tǒng)，對(duì)于平面控制調(diào)車(chē)也在廣泛應(yīng)用中。

在列車(chē)運(yùn)行的過(guò)程其實(shí)也是計(jì)算機(jī)對(duì)列車(chē)啟動(dòng)、運(yùn)行以及調(diào)度、停車(chē)全過(guò)程的監(jiān)督與指揮，使列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中更加穩(wěn)定和安全，在一定程度上也提高了列車(chē)運(yùn)行的效率。列車(chē)在各個(gè)流程上也是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)以及列車(chē)信號(hào)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行的具體操作，以此能夠?qū)λ辛熊?chē)相關(guān)信息進(jìn)行自動(dòng)的收集和處理，而所有數(shù)據(jù)和信息也會(huì)反饋到列車(chē)調(diào)動(dòng)控制中心，以此對(duì)列車(chē)實(shí)際運(yùn)行情況發(fā)送相應(yīng)控制指令。

對(duì)列車(chē)指揮自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行了解，其是在原有的設(shè)備基礎(chǔ)上又安裝的列車(chē)一系列自動(dòng)化系統(tǒng)，如通信系統(tǒng)、列車(chē)跟蹤系統(tǒng)以及設(shè)備故障檢測(cè)系統(tǒng)，以及列車(chē)運(yùn)行調(diào)控系統(tǒng)等，以達(dá)到對(duì)列車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

對(duì)車(chē)輛進(jìn)行調(diào)控一般根據(jù)列車(chē)的型號(hào)、編組等進(jìn)行詳細(xì)劃分，以此能控制列車(chē)溜放速度與進(jìn)路的目的。常用的控制方法主要有自動(dòng)化、半自動(dòng)化、機(jī)械化和半機(jī)械化控制調(diào)車(chē)。

2 我國(guó)電氣化鐵路的特點(diǎn)分析

現(xiàn)今，鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行要靠電力牽引進(jìn)行運(yùn)輸，也是一種運(yùn)行方式。而這種方式能夠在電力作用下轉(zhuǎn)換為動(dòng)力，以牽引火車(chē)達(dá)到運(yùn)輸目的?，F(xiàn)在所用的列車(chē)牽引系統(tǒng)中主要是根據(jù)列車(chē)軌道的電路以及變電所、接觸電網(wǎng)和回流路線進(jìn)行的應(yīng)用。如果對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)今列車(chē)電氣化應(yīng)用情況進(jìn)行了解，那么其大多是靠自耦變壓器供電形式所應(yīng)用，而采取這種方式最大的優(yōu)點(diǎn)是所需要提供電力的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，不會(huì)損失較多的牽引電壓，對(duì)于信號(hào)受到的干擾也比較小。

3 高速電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

高速電氣化鐵路，顧名思義是以電能為主要牽引動(dòng)力的現(xiàn)代化高速交通運(yùn)輸工具，在電力機(jī)車(chē)的牽引下高速列車(chē)才得以運(yùn)行，而作為牽引高速列車(chē)運(yùn)行的電力機(jī)車(chē)本身是不具備能源的，它需要借助外部的電能來(lái)提供它運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能源，所以將這種為電力機(jī)車(chē)供電的裝置稱(chēng)作牽引供電系統(tǒng)。因此，高速電氣化鐵路的主要組成部分分別是電力機(jī)車(chē)以及牽引供電系統(tǒng)。

3.1 牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)成

在探究牽引供電安全管理問(wèn)題之前首先要介紹一下高速電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)成，牽引供電系統(tǒng)其主要的組成部分是牽引變電以及接觸網(wǎng)。對(duì)牽引供電系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行分析，其系統(tǒng)中所用電流回路主要是根據(jù)牽引變電站所反饋過(guò)來(lái)的電線，然后通過(guò)接觸網(wǎng)對(duì)列車(chē)產(chǎn)生電力，且在鋼軌的作用下實(shí)現(xiàn)回流連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)接地網(wǎng)的閉合電路。目前，列車(chē)牽引供電系統(tǒng)最重要的功能就是將電力系統(tǒng)中的電源引入到變電站中，且借助變壓器將電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)變，以能適應(yīng)電力機(jī)車(chē)所應(yīng)用的電壓，進(jìn)而將壓制好的電壓通過(guò)饋出線引入到接觸網(wǎng)中，然后通過(guò)電力機(jī)車(chē)上的受電弓來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的應(yīng)用[1]。

3.2 牽引供電系統(tǒng)的負(fù)荷特性

與普通鐵路牽引供電系統(tǒng)相比，牽引供電系統(tǒng)所具有的負(fù)荷特點(diǎn)是存在一定優(yōu)勢(shì)的。以普通鐵路牽引供電系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行分析，其主要適用在一些線路阻力以及牽引負(fù)載的機(jī)車(chē)負(fù)荷方面，其在負(fù)荷上相對(duì)較小。反之，對(duì)牽引供電系統(tǒng)具有的優(yōu)勢(shì)則是其負(fù)荷的增加不僅在克服線路阻力和牽引負(fù)載，它更多的消耗在列車(chē)克服高速行駛的空氣阻力所需要的動(dòng)力上。

4 鐵路信號(hào)設(shè)備受到電氣化牽引供電的影響及原因簡(jiǎn)要分析

電氣化干線中的信號(hào)設(shè)備經(jīng)常會(huì)受到一些因素的影響而出現(xiàn)干擾情況。并且，與其他電氣化系統(tǒng)鐵路信號(hào)設(shè)備應(yīng)用情況相比較，電氣化鐵路在實(shí)際應(yīng)用中一直會(huì)受到高壓環(huán)境的影響，進(jìn)而出現(xiàn)一些被動(dòng)情況。如電氣化鐵路電壓一般較高，能達(dá)到25千伏左右；再有，在牽引的電流中所呈現(xiàn)出的電壓更高，有時(shí)候能保持電壓到上千伏以上電流，可見(jiàn)電氣化鐵路完全是在高壓環(huán)境下運(yùn)行；除此之外，電氣化鐵路在運(yùn)行過(guò)程中鐵路信號(hào)設(shè)備也會(huì)受非線性負(fù)荷的影響。雖然電氣化鐵路在應(yīng)用過(guò)程中也進(jìn)行的改革和整改，但是并未完全將電力機(jī)車(chē)中的諧波所消除，對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備造成一定影響。目前，在電氣化牽引供電系統(tǒng)中，主要有以下幾點(diǎn)影響：

4.1 信號(hào)設(shè)備傳導(dǎo)性干擾

鐵路信號(hào)設(shè)備在傳導(dǎo)過(guò)程中非常容易受到干擾，究其原因還是因?yàn)殡姎饣癄恳^(guò)程中因電流流存在不平衡而引起的干擾，進(jìn)而對(duì)信號(hào)設(shè)備的應(yīng)用造成長(zhǎng)久干擾。并且，因電氣化牽引在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)電流不平衡問(wèn)題，會(huì)造成變壓器產(chǎn)生一定的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，會(huì)造成扼流變壓器電壓出現(xiàn)升高情況。一般而言，如果電壓升到一定值時(shí)，那么會(huì)對(duì)軌道繼電器產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而造成誤動(dòng)情況，也會(huì)出現(xiàn)信號(hào)設(shè)備的異常。對(duì)不平衡電流進(jìn)行查看，則可以觀察不平衡系數(shù)，以此作為參數(shù)進(jìn)行查看，則可以發(fā)現(xiàn)不平衡系數(shù)是不平衡電流與總電流的百分比。如，假設(shè)鐵軌一側(cè)的電流為8，而另一側(cè)的電流為9，則可以按照不平衡系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，如：K=（98）/（9+8）×100%=5.9%。

4.2 信號(hào)設(shè)備容性耦合干擾

一般來(lái)說(shuō)，接觸網(wǎng)的電壓基本是一個(gè)很大的值，如果強(qiáng)電線上存在對(duì)地電壓，由于受到干擾的信號(hào)設(shè)備和大地之間存在電壓，就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)設(shè)備和強(qiáng)電線之間產(chǎn)生電容耦合，從而引起強(qiáng)電線中的強(qiáng)電流分流到信號(hào)設(shè)備當(dāng)中，引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，對(duì)信號(hào)設(shè)備造成容性耦合影響。所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的靜電場(chǎng)強(qiáng)度和信號(hào)設(shè)備距離以及電流大小都有之間的關(guān)聯(lián)。

4.3 信號(hào)設(shè)備感性耦合干擾

電氣化牽引供電電流相較其他而言，可高達(dá)上百上千安培，受信號(hào)干擾的設(shè)備與接觸網(wǎng)間的耦合電感會(huì)在電源通過(guò)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，之后出現(xiàn)感性耦合。感性耦合具體與受信號(hào)干擾的設(shè)和接觸網(wǎng)二者之間距離相關(guān)，此外，也受通過(guò)接觸網(wǎng)的電流大小影響，其與容性耦合本質(zhì)相同卻又有所不同。

4.4 信號(hào)設(shè)備輻射性干擾

若電氣化牽引供電網(wǎng)內(nèi)存在大量沖擊電流，多數(shù)是因?yàn)榻佑|網(wǎng)觸碰到了受電弓導(dǎo)致受電弓降弓、開(kāi)關(guān)線路出現(xiàn)中斷等現(xiàn)象。牽引電流回線為鋼軌，而沖擊電流會(huì)在某種情況下導(dǎo)致軌道繼電器發(fā)生錯(cuò)誤操作，因其在瞬間突然增大使扼流變壓器飽和失去效力，所以頻率為25Hz的信號(hào)快速減弱，進(jìn)而出現(xiàn)問(wèn)題。而將接觸網(wǎng)與受電弓分開(kāi)時(shí)，出現(xiàn)的電火花會(huì)引發(fā)影響信號(hào)設(shè)備的無(wú)線電脈沖。

4.5 信號(hào)設(shè)備受到的其他干擾

一般而言，接觸網(wǎng)接地端為鋼軌，這樣做可為信號(hào)設(shè)備與工作人員安全提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。若桿塔與鋼軌連接時(shí)，未通過(guò)火花間隙或其失效都會(huì)出現(xiàn)軌道電力紅光帶現(xiàn)象，其他干擾信號(hào)設(shè)備的因素還包括電流短路導(dǎo)致火花間擊穿等。

5 信號(hào)設(shè)備應(yīng)對(duì)電氣化牽引供電干擾的應(yīng)對(duì)策略

5.1 25Hz頻率軌道電路的干擾應(yīng)對(duì)策略

經(jīng)流軌道的電流若不太平均，會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)性干擾，進(jìn)行會(huì)對(duì)25Hz頻率電路產(chǎn)生干擾。經(jīng)流25Hz頻率軌道電路電流不均衡的原因具體為：電流不均引起的脈沖電流波形上下不對(duì)稱(chēng)，其內(nèi)部含有的少量直流會(huì)導(dǎo)致扼流變壓器等元件飽和，使信號(hào)電流發(fā)生陷落；除此之外，電流不均引起的脈沖電流會(huì)導(dǎo)致軌道電路內(nèi)減弱的線性濾波器信號(hào)，與原有信號(hào)融合，引發(fā)繼電器產(chǎn)生錯(cuò)誤擔(dān)任，進(jìn)而使信號(hào)設(shè)備受到干擾。針對(duì)這些情況可提出相應(yīng)的解決方法，主要包括了：在規(guī)定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)扼流變壓器飽和電流強(qiáng)度最大化，使氣隙有所增大；為抵制過(guò)多的信號(hào)干擾，可在扼流變壓器上安裝適配器或抗干擾線圈；可設(shè)計(jì)與25Hz軌道頻率電路，能夠并聯(lián)諧振的輔助電路來(lái)減少信號(hào)干擾問(wèn)題。

5.2 采用ZPW2000軌道抗干擾技術(shù)

我國(guó)于上世紀(jì)末引進(jìn)了原型為UM71的ZPW2000軌道抗干擾技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)軌道電路干擾，其有效融入我國(guó)，并完成了國(guó)產(chǎn)化穩(wěn)頻軌道電路。此外，其因顯著的抗干擾性能，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。具體體現(xiàn)在：由空心線圈制成，對(duì)牽引電流為50Hz的阻抗都特別的小，對(duì)軌道電流的平衡發(fā)揮了非常重要的作用；其次，牽引電流內(nèi)部包括50Hz電流、奇次諧波和偶次諧波，并且奇次諧波能量本身變非常高，與頻率成反比，為保持牽引電流諧波平衡，ZPW2000軌道抗干擾技術(shù)則選用了較高的偶次諧波；通過(guò)調(diào)整角度來(lái)減少信號(hào)干擾；ZPW2000軌道抗干擾技術(shù)受牽引電流干擾不大，因其頻偏非常小，僅會(huì)受到偶次諧波干擾，除此之外的奇次諧波也僅會(huì)受到兩個(gè)或更少的諧波分量干擾。由此可見(jiàn)，將ZPW2000軌道電路抗干擾應(yīng)用于電氣化鐵路中，可有效保證其平衡性、穩(wěn)定性以及安定性，這對(duì)提高我國(guó)鐵路信號(hào)設(shè)備應(yīng)對(duì)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)干擾的應(yīng)用力，及其未來(lái)可持續(xù)發(fā)展具有非常深遠(yuǎn)的意義。

5.3 綜合性的抗干擾措施

針對(duì)采取綜合性阬干擾措施的情況，應(yīng)根據(jù)實(shí)際問(wèn)題，從根本上杜絕干擾的發(fā)生。其具體步驟包括：嚴(yán)格按照規(guī)定選擇設(shè)備、制定合理的電氣化牽引供電方案，借助架空回流線達(dá)到直供供電，使供電回路具有對(duì)稱(chēng)性。為有效減少軌道直接連接上點(diǎn)位連接線這種情況發(fā)生，需要科學(xué)、合理的在軌道電路中安裝扼流變壓器，以便其能夠正常運(yùn)行。在完成這一系列操作后，便要開(kāi)始對(duì)電氣化牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)與完善，將回流線與列車(chē)室、信號(hào)機(jī)房距離設(shè)置為十五米以上，可在一定程度上減少信號(hào)的干擾。并按規(guī)定設(shè)置扼流變壓器和軌道電路長(zhǎng)度以及吸上線等。

5.4 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

為有效避免鐵路體系中電磁輻射、地面電壓等對(duì)信號(hào)設(shè)備的干擾，通常采用實(shí)施屏蔽來(lái)解決這一問(wèn)題。這種方法能夠從根本上杜絕輻射的傳播與擴(kuò)散，保證信號(hào)設(shè)備能夠正常開(kāi)展工作。屏蔽方式較常應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)放置電腦或機(jī)械的房間，且均經(jīng)過(guò)電磁兼容實(shí)驗(yàn)測(cè)試，保證符合使用標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)規(guī)定。

6 結(jié)語(yǔ)

電氣化鐵路牽引供電對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備具有阻礙作用，對(duì)此，需要結(jié)合實(shí)際情況找到阻礙原因，及時(shí)解決掉問(wèn)題。這樣一來(lái)，應(yīng)用電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)便可有效避免信號(hào)干擾所帶來(lái)的影響，正常開(kāi)展工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]卡哈爾江·艾海提.緣于牽引供電系統(tǒng)的鐵路信號(hào)系統(tǒng)電磁干擾探析[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2012.