電氣化鐵路對鐵路通信的干擾問題以及防護措施研究

董富月

（中國鐵建電氣化局集團第二工程有限公司，山西 太原 030023）

電氣化鐵路的牽引供電體系、貫通地線、弓網(wǎng)電弧均可能引發(fā)鐵路通信干擾問題，這往往會導致繼電設備干擾、信號電纜絕緣皮擊穿、電源脈沖受到干擾等問題出現(xiàn)。為盡可能排除鐵路通信受到的電氣化鐵路干擾，正是本文圍繞該課題開展具體研究的原因所在。

1.電氣化鐵路對鐵路通信的干擾問題

1.1 貫通地線干擾

如電流和電纜線在信號電纜中對稱，存在得到感應電動勢相同的貫通地線兩邊信號電纜，但二者的方向相反，此時存在為0的感應電動勢。如存在不對稱的貫通地線與信號電纜電流輸入點，且感應電流出現(xiàn)于信號電纜中，這會導致感應電動勢產(chǎn)生，感應電動勢會在貫通地線的一端出現(xiàn)峰值。工作正常時貫通地線會出現(xiàn)60V以下的感應電動勢，同時信號電纜線外皮較小電流波動會導致較大的感應電動勢出現(xiàn)于電纜中，線路接觸網(wǎng)故障會導致30V以下的反應電動勢出現(xiàn)[1]。

1.2 牽引供電體系干擾

干擾可細分為兩類。第一，牽引傳導性干擾。電子化鐵路牽引供電體系存在的電流不平衡會引發(fā)電磁干擾問題，作為牽引電流與信號設備的載體，阻抗較大的鋼軌和不對稱的變壓器線圈會導致電流對地泄漏，電流不平衡現(xiàn)象將因此出現(xiàn)，進而導致感應動勢出現(xiàn)于變壓器兩邊[1]。兩根鋼軌的差相直接關系感應動勢大小，如存在超過限制的差值，軌道機電設備將受到直接影響；第二，牽引電磁干擾。鐵路線路高負荷運行引發(fā)的干擾也需要得到重視，這一過程中產(chǎn)生的電磁會直接影響電纜的相關信號，如存在達到一定水平的電纜感應電動勢，信號電纜絕緣皮擊穿問題很容易出現(xiàn)，進而威脅行車安全。信號電纜屏蔽接地向來受到重視，只有優(yōu)選接地方式導出干擾電流，方可保證行車安全[2]。

1.3 弓網(wǎng)電弧干擾

圖1 電能獲取方式

25kW的高壓交流電為電氣化鐵路的機車工作環(huán)境，電機以接觸導線和受電滑板間的滑動為電能獲取方式，具體如圖1所示。圍繞圖1進行分析可以發(fā)現(xiàn)，弓網(wǎng)離線的情況很容易在機車運行過程中出現(xiàn)，雖然運轉過程中的機車能夠承受瞬間高溫電弧并維持受流穩(wěn)定，但由此產(chǎn)生的電磁干擾不應被忽視，這類干擾可細分為四類。

第一，弓網(wǎng)地電弧干擾。受流階段的機車會因受電弓與接觸線接觸不穩(wěn)定出現(xiàn)較大車速波動，整體惡化的機車系統(tǒng)會影響設備工作穩(wěn)定性，運行中的供電質(zhì)量和平穩(wěn)性均會受到威脅；第二，牽引網(wǎng)電壓突變。弓網(wǎng)離線電弧會導致牽引網(wǎng)電壓突變，進而干擾電源脈沖，圍繞同時負責電車供電和現(xiàn)場控制系統(tǒng)計算機系統(tǒng)供電的電源網(wǎng)絡進行分析能夠發(fā)現(xiàn)，弓網(wǎng)離線對信號電源系統(tǒng)帶來的影響較為深遠，計算機控制故障也很容易因高幅值脈沖引發(fā)；第三，高次諧波電壓影響。高次諧波電壓可能因弓網(wǎng)離線電弧出現(xiàn)，軌道電路很容易受到影響，控制信號故障的發(fā)生幾率會隨之大幅提升；第四，高頻電磁噪聲干擾。高頻電磁噪聲干擾源于弓網(wǎng)電弧離線，大量能量釋放引發(fā)的過電壓、空氣中較多數(shù)量高頻電磁波的凝聚將對通信信號造成干擾，通訊信號中斷問題也可能出現(xiàn)，受到高頻噪聲影響的機車控制信號將直接威脅機車運行穩(wěn)定性和安全性。

對于鐵路通信來說，電氣化鐵路帶來的信號電纜干擾問題必須得到重視。作為閉塞地區(qū)接收發(fā)送電纜，鐵路信號電纜在電氣化軌道中的鋪設需要依托預制好的槽進行，由于一同鋪設信號電纜和地線，貫通地線和信號電纜間存在較大的磁耦合，遠大于信號電纜與牽引供電系統(tǒng)正饋線、回流線、接觸線的耦合[3]。綜合分析能夠發(fā)現(xiàn)，貫通地線與信號電纜間的耦合帶來的干擾較為深遠；進一步分析可以發(fā)現(xiàn)，電纜只注入到電流一側時存在最大的電纜感應電動勢，這種最大感應電動勢帶來的干擾問題必須得到重視。對于外殼接地的信號電纜來說，部分回流經(jīng)過殼上部分，電纜受到的這部分回流干擾不容忽視。結合上文論述和相關研究可以發(fā)現(xiàn)，電氣化鐵路對鐵路通信的干擾可細分為磁感應影響、電感應影響、地感應影響，磁感應影響源于交變電磁場，由接觸網(wǎng)牽引電流引發(fā)，通信電纜線路與接觸網(wǎng)的互感帶來的影響必須得到重視。電感應影響源于接觸網(wǎng)牽引電壓的電場，大地與通信電纜線路、通信電纜線路與接觸網(wǎng)的耦合電容會帶來影響。地感應影響源于通過鋼軌回流時接觸網(wǎng)電流導致的大地電位升高，通信電纜線路和通信設備因此受到的影響也不容忽視[4-5]。

2.電氣化鐵路對鐵路通信干擾的防護措施

2.1 基本防護措施

為有效防護電氣化鐵路對鐵路通信干擾，可從三方面防護措施入手：第一，貫通地線干擾防護措施。為應對上文提及的貫通地線干擾，可優(yōu)選新型材料，貫通地線的電阻可通過能夠減小感應電動勢的地線外套材質(zhì)有效降低，泄漏能力可有效提升。施工鋪設貫通地線時，應選用絕緣的電纜槽，將電纜與地線分開，二者的距離需要在1m以上，并使用填砂防護模式進行填充。室內(nèi)監(jiān)控體系的完善也需要得到重視，以此強化電纜質(zhì)量檢測，基于防護需要控制防護設備質(zhì)量，并保證存在足夠小的貫穿地線電阻，其接地的安全可靠也需要得到重視[6]。鐵路周圍的土壤的填充壓實同樣屬于鐵路周圍地線布設的關鍵點，土壤的泄流能力需得到保障，并規(guī)避地線與信號電纜混淆問題，因此需遠離信號電纜進行地線布設；第二，牽引供電體系干擾防護措施，對于處于25Hz的軌道電路系統(tǒng)，應設法增加飽和電流強度，具體可采用扼流變壓器，具體需要增加其氣隙并設置更多的抗干擾線圈，適配器的合理添加也極為關鍵，同時信號的抗干擾能力的增強還可以使用并聯(lián)諧振[7]。在平衡電流環(huán)節(jié)，對牽引電流阻抗較小的ZPW-2000軌道電路線圈應得到重視，基于其特點即可實現(xiàn)電流平衡?？紤]到現(xiàn)階段存在較大的牽引電流波類，如偶次諧波、奇次諧波、50Hz基波，選取載頻時為設法規(guī)避牽引電流干擾應選用高頻偶次諧波，并保證牽引電網(wǎng)中地接觸線與正饋線位置對稱，以此更好應對干擾影響；第三，合理選用信號電纜。為降低外界磁場對信號電纜的干擾，應優(yōu)選采用絕緣材料抗擊穿能力較強絕緣材料的信號電纜，并采用單端接地方式進行信號電纜屏蔽層的接地，電纜線感應電動勢帶來的影響可有效應對，如需要采用雙端接地，電纜屏蔽層的保護必須得到重視[8]。

2.2 接地防護措施

電氣化鐵路對鐵路通信干擾的防護需得到接地防護措施的重視，通過連接接地裝置和設備，即可提供較為有效的防護，結合電氣化鐵路通信設備及通信電纜的特殊環(huán)境，本文建議采用五種接地防護措施：第一，屏蔽地線保護措施。屏蔽地線保護措施可用于干線電纜區(qū)間，具體可每隔4km在干線電纜線路上設置地線，一般應選擇電纜接頭位置，以此通過接地裝置將電纜的鎧裝鋼帶和金屬護套與大地進行電氣連接，通過迅速將鎧裝鋼帶和金屬護套上積聚的感應電荷流入大地，即可保證其擁有接近大地電位的電位，零電位干線電纜可順利獲得。一般需保證存在4Ω以下的屏蔽地線接地電阻，特殊情況下也需要控制在10Ω內(nèi)；第二，電纜電氣隔離。為避免遭受強電襲擊的干線電纜引發(fā)設備傷害問題，引入室內(nèi)干線電纜的絕緣氣閉必須得到重視，保證內(nèi)外分離在絕緣氣閉接頭處實現(xiàn)，將地線與屏蔽地線連接引出。如存在超過2km的電氣化鐵路與地區(qū)電纜線路平行接近長度，電纜屏蔽接地應設置在主干電纜兩端，引入通信機械室的地區(qū)電纜需做好閉氣換接全塑電纜處理，同時并聯(lián)地區(qū)電纜金屬護套，接至屏蔽地線；第三，光纜防護措施。對于引入機械室的光纜，必須在光纜進入ODF架前做絕緣節(jié)，保證結緣節(jié)套管內(nèi)ODF架內(nèi)外光纜的皺紋鋼帶鎧裝、鋁鉑護層、加強芯斷開且相互絕緣，以此得到金屬部分電氣分離的光纜，機械室引入強電流的問題將有效規(guī)避；第四，機械架保護裝置設置[9]。為避免接觸網(wǎng)干擾導致干線線路的通信設備損傷，進入通信設備前的干線電纜線路必須經(jīng)過電化引入架的保安管及隔離變壓器，并保證電纜芯線經(jīng)保安管接保護地，由此強電襲擊時的電纜線路能夠保證芯線上積聚的電荷流入大地，保安管、保護地線能夠有效保護通信設備。為防止強電引入設備，接入各種地區(qū)電纜時需先進入保安器柜或總配線架，為發(fā)揮防強電作用，需保證芯線經(jīng)保安器接保護地。對于直接連接機殼或機架的長途電纜芯線，應對地絕緣；第五，通信設備地線保護。中間站的通信設備較為集中，應設置屏蔽地線、保護地線、工作地線，中心通信站需采用同等設置。通信設備的設備機體、直流電源正極接工作地線，需保證存在1Ω內(nèi)的工作地線接地電阻。總配線架保安器、電化引入架保安器、設備外殼等接保護地線，需保證存在10Ω內(nèi)的保護地線接地電阻。地區(qū)電纜、干線電纜等金屬護套、鎧裝鋼帶接屏蔽地線，需保證存在4Ω內(nèi)的接地電阻。不得設置與其他地線合用的電氣化區(qū)段電纜屏蔽地線，必須做到分別設置，并保證存在20m左右的埋設距離。為更好應對電氣化鐵路對鐵路通信干擾，接地地線需遵循一定安裝標準，保證電氣化鐵路通信機房內(nèi)分別安裝屏蔽地線、保護地線、工作地線三種地線，選用帶絕緣子的地線接線排，一般在靜電地板下設置地線排，在距靜電地板、距地面分別為0.2m、0.4m處安裝[10-11]。

3.結語

電氣化鐵路會干擾鐵路通信。在此基礎上，本文涉及的貫通地線干擾防護措施、合理選用信號電纜、屏蔽地線保護措施、光纜防護措施等內(nèi)容，則提供了可行性較高的電氣化鐵路通信干擾應對措施。為更好應對電氣化鐵路帶來的通信干擾，基于ICA的盲源分離、強電磁干擾抑制等新型技術的應用也需要得到重視。