溫州市域鐵路S1線計(jì)軸紅光帶問題分析及解決方案

鄭儆醒 潘林杰

（1.溫州市鐵路與軌道交通投資集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司 浙江省溫州市 325000）

（2.浙江眾合科技股份有限公司 浙江省杭州市 310013）

1 引言

隨著CBTC技術(shù)的發(fā)展，CBTC系統(tǒng)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的應(yīng)用越來越普遍。正常情況下，CBTC系統(tǒng)是不需要軌道電路作為區(qū)段軌道占用的檢測(cè)手段。但是為了提高系統(tǒng)的可用性，確保CBTC系統(tǒng)在出現(xiàn)故障系統(tǒng)降級(jí)的時(shí)候還能正常運(yùn)行，現(xiàn)在很多城市的地鐵線路都會(huì)保留計(jì)軸設(shè)備來檢測(cè)軌道占用情況。

溫州市域鐵路S1線最高車速有達(dá)120公里/小時(shí)，而當(dāng)時(shí)的無線Wi-Fi通信無法支持這么高的車速，所以溫州市域鐵路S1線不是全線都支持CBTC，在沒有移動(dòng)通信的區(qū)段，必須使用計(jì)軸器作為列車占用軌道區(qū)域的檢測(cè)設(shè)備。

計(jì)軸器通過統(tǒng)計(jì)進(jìn)入?yún)^(qū)段和離開區(qū)段的車軸數(shù)來判斷列車的占用及出清情況。當(dāng)進(jìn)入?yún)^(qū)段的車軸數(shù)與離開區(qū)段的車軸數(shù)一致，就認(rèn)為區(qū)段處于清空狀態(tài)；當(dāng)進(jìn)入?yún)^(qū)段的車軸數(shù)大于離開區(qū)段的車軸數(shù)，就認(rèn)為區(qū)段處于占用狀態(tài)。與以往的軌道電路相比，計(jì)軸設(shè)備具有很大優(yōu)勢(shì)，它可以在不依賴軌道的條件下，就能檢測(cè)出長(zhǎng)區(qū)間軌道的占有情況，同時(shí)還具有不受鋼軌生銹和道床潮濕等這些環(huán)境干擾的優(yōu)點(diǎn)[1]。

電力牽引是我們國(guó)家現(xiàn)在軌道交通的主要的動(dòng)力源，電力牽引的供電回路通常由變電所→接觸網(wǎng)→列車→鋼軌等組成[1]。電力牽引通常是高電壓大電流，牽引電壓高達(dá)25kV，牽引電流達(dá)數(shù)百安培甚至上千安, 這種大功率非線性的整流逆變過程往往會(huì)帶來非常豐富的諧波電流對(duì)軌旁的設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾[1][2]。

2 計(jì)軸傳感器

根據(jù)不同的車輪檢測(cè)方式，可分為兩種計(jì)軸傳感器。一種是通過檢測(cè)車輪的輪幅，來計(jì)入或計(jì)出一軸，另一種是通過檢測(cè)車輪的邊緣來計(jì)入或計(jì)出一軸[3]。由于輪輻計(jì)軸傳感器的磁場(chǎng)路徑與牽引回流磁力線方向相同，所以輪輻計(jì)軸傳感器比較容易受牽引回流磁力線的干擾。而輪緣計(jì)軸傳感器磁場(chǎng)路徑與牽引回流磁力線方向相互垂直，所以輪緣計(jì)軸傳感器相對(duì)輪輻計(jì)軸傳感器更不容易受牽引回流的干擾[3]。本文討論的溫州市域鐵路S1線采用的是TAZ II S295型計(jì)軸設(shè)備，屬于輪緣計(jì)軸傳感器。

計(jì)軸傳感器的工作原理示意圖如圖1所示，由兩個(gè)完全彼此獨(dú)立的磁感應(yīng)單元S1和磁感應(yīng)單元SII構(gòu)成，計(jì)軸傳感器里面包含檢波器、LC振蕩器、恒流源、施密特觸發(fā)器和配套的控制電路等部件。當(dāng)行進(jìn)列車的車輪靠近計(jì)軸傳感器單元時(shí)，傳感器的輸出電平會(huì)由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，這個(gè)由低電平向高電平跳變形成的脈沖信號(hào)就是一個(gè)計(jì)軸脈沖信號(hào)。

圖1：計(jì)軸傳感器的工作原理示意圖

當(dāng)列車的車輪依次先后經(jīng)過兩個(gè)相互獨(dú)立的磁感應(yīng)傳感器單元S1和SII時(shí)，這兩個(gè)計(jì)軸感知單元也會(huì)依次輸出兩個(gè)計(jì)軸脈沖信號(hào)，這兩個(gè)脈沖信號(hào)在中間相互重疊。兩個(gè)計(jì)軸脈沖信號(hào)必須同時(shí)滿足下面兩個(gè)條件才認(rèn)為是有效的計(jì)軸信號(hào)：條件一是兩個(gè)計(jì)軸脈沖信號(hào)必須是有先后順序；條件二是兩個(gè)計(jì)軸脈沖信號(hào)在中間必須是有重疊區(qū)域。計(jì)軸脈沖信號(hào)只有符合上述兩個(gè)條件，計(jì)軸系統(tǒng)才會(huì)計(jì)入一個(gè)車軸，或者計(jì)出一個(gè)車軸，如圖 1所示[1][4]。計(jì)軸系統(tǒng)依據(jù)兩個(gè)脈沖信號(hào)的先后順序來判斷列車的行進(jìn)方向[1]。

計(jì)軸傳感器的感知單元里面有一個(gè)LC振蕩器，是一個(gè)非常敏感的部件。通過查看計(jì)軸傳感器廠家的規(guī)格書得知，該計(jì)軸傳感器有兩個(gè)工作頻點(diǎn)，一個(gè)頻點(diǎn)是38kHz，另一個(gè)頻點(diǎn)是42kHz。如果計(jì)軸傳感器所在的周圍環(huán)境存在38kHz和42kHz頻點(diǎn)附近的干擾磁場(chǎng)，那么這個(gè)干擾磁場(chǎng)就會(huì)對(duì)計(jì)軸傳感器的LC 敏感部分產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)軸錯(cuò)誤，行成紅光帶現(xiàn)象。

圖2：牽引系統(tǒng)的原理圖

圖3：安全接地線電流諧波含量

3 牽引干擾諧波電流的產(chǎn)生

牽引供電系統(tǒng)主要由接觸網(wǎng)、受電弓、變壓器、整流器、逆變器、牽引電機(jī)和鋼軌組成，如圖2所示。列車由受電弓從接觸網(wǎng)受電，再由鐵軌回流，構(gòu)成一個(gè)閉合的回路。鐵軌既是供電的回流通道，同時(shí)又是列車上所有用電設(shè)備的保護(hù)接地，列車上的干擾電流均是通過這個(gè)通道釋放到鐵軌上。

干擾諧波電流通常是由列車上這些大功率的電氣轉(zhuǎn)換設(shè)備和非線性大功率的用電設(shè)備產(chǎn)生。變壓器、整流器、變流器、牽引電機(jī)等電力電子設(shè)備是干擾諧波電流的主要來源。對(duì)于電力供電的地鐵列車，接觸網(wǎng)電弧和牽引動(dòng)車是最主要的兩種干擾電流諧波源[6]。

牽引動(dòng)車通過受電弓從接觸網(wǎng)受電，列車前后運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，受電弓也會(huì)跟著前后和上下移動(dòng)，接觸網(wǎng)和受電弓之間就會(huì)產(chǎn)生一定程度的碰撞。碰撞的瞬間受電弓和接觸網(wǎng)之間會(huì)出現(xiàn)短暫的分離，形成空氣間隙。當(dāng)接觸網(wǎng)和受電弓之間電壓大于這個(gè)空氣間隙擊穿電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生空氣放電，稱為接觸網(wǎng)電弧[7]。這個(gè)高壓大功率的弓網(wǎng)系統(tǒng)形成的空氣放電，會(huì)產(chǎn)生非常豐富的電流諧波分量，這些電流諧波成分最后都會(huì)通過鐵軌回流，對(duì)軌道上的設(shè)備產(chǎn)生干擾[5]。

牽引動(dòng)車采用的是交流到直流，再由直流逆變成交流的傳動(dòng)過程。直流到交流的逆變過程使用的是PWM脈沖調(diào)制技術(shù)。PWM控制電路按照正弦波的規(guī)律對(duì)輸出脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制來改變逆變電路輸出電壓幅度。逆變過程產(chǎn)生的諧波分量主要是以奇數(shù)次諧波為主，諧波的頻率由PWM開關(guān)頻率決定[5]。列車上非線性的牽引變壓器和牽引電機(jī)也是電流諧波分量的主要來源[5]。同時(shí)，列車在運(yùn)行過程中不斷的加速和減速，對(duì)于這些不同工況，產(chǎn)生的電流諧波比例和大小也會(huì)跟著發(fā)生變化。電流諧波峰值有達(dá)30 dBμA[1]，諧波電流最終都會(huì)經(jīng)過車輪回流到鐵軌，并對(duì)軌道上的設(shè)備產(chǎn)生干擾，如圖3所示。

4 計(jì)軸紅光帶的原因分析及解決方案

如上文所述，溫州S1線采用的是輪緣計(jì)軸傳感器，傳感器安裝于軌道上，其工作頻率分別是38kHz和42kHz兩個(gè)頻點(diǎn)。當(dāng)牽引供電產(chǎn)生的諧波分量在38kHz和42kHz這兩個(gè)頻點(diǎn)附近，這些干擾的諧波電流導(dǎo)入鋼軌，在鋼軌的周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，就會(huì)對(duì)安裝于軌道上的計(jì)軸傳感器產(chǎn)生干擾。當(dāng)這些諧波電流分量達(dá)到一定的幅值，產(chǎn)生的干擾會(huì)導(dǎo)致區(qū)間計(jì)軸錯(cuò)誤，產(chǎn)生區(qū)間紅光帶現(xiàn)象。

通過對(duì)車上安全接地線電流頻譜的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)接地線上有 38kHz和42kHz這兩個(gè)頻點(diǎn)附近的諧波電流流過，如圖4所示（藍(lán)色是最大值保持， 黃色是實(shí)時(shí)值）。

由于地鐵列車上安全接地線的電流諧波極其復(fù)雜，很難找到干擾源。為了抑制軌道上諧波電流對(duì)計(jì)軸傳感器的干擾，在計(jì)軸傳感器安裝點(diǎn)前100米左右的位置增加接地線，讓干擾諧波電流提前通過接地線釋放到大地，避免了對(duì)計(jì)軸傳感器的干擾。

通過對(duì)全線的計(jì)軸傳感器安裝點(diǎn)前增加接地線的措施后，紅光帶的現(xiàn)象有了顯著的改善。

5 小結(jié)

牽引供電回流包含非常豐富的諧波分量，諧波電流通過鋼軌回流，會(huì)對(duì)安裝于軌道上的計(jì)軸傳感器產(chǎn)生干擾，從而會(huì)導(dǎo)致計(jì)軸區(qū)間紅光帶問題。通過在計(jì)軸傳感器前面的鋼軌安裝接地線，提前將干擾諧波電流引入大地，可以抑制牽引供電回流對(duì)計(jì)軸傳感器的干擾。