減小動(dòng)車所機(jī)車測試環(huán)線電磁干擾的研究

王彥寧，程曉東，萬發(fā)國，李云霞

當(dāng)前,動(dòng)車組進(jìn)入檢修庫后,通過庫內(nèi)測試環(huán)線完成軌道電路信息接收檢測是ATP設(shè)備測試的重要內(nèi)容之一。用測試環(huán)線模擬ZPW-2000系列軌道電路進(jìn)行發(fā)碼,通過安裝在動(dòng)車組第1輪對(duì)前的機(jī)感線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓,傳至ATP設(shè)備中解碼,形成上碼信息。在實(shí)際使用過程中,由于測試環(huán)線沒有嚴(yán)格的電磁施工標(biāo)準(zhǔn)要求,常常受到復(fù)雜的電磁干擾,影響到ATP的正常上碼測試。

經(jīng)初步調(diào)查,在全路范圍內(nèi)曾多次發(fā)生庫內(nèi)測試環(huán)線上碼不穩(wěn)定問題,而系統(tǒng)地研究和介紹上碼不穩(wěn)定原因及解決辦法的文獻(xiàn)還不多。文獻(xiàn)［1-5］是基于測試環(huán)線被鋼軌等金屬屏蔽的理論,給出了測試環(huán)線的安裝方案；文獻(xiàn)［6-7］針對(duì)測試環(huán)線上碼異常問題,給出了閉環(huán)有害電路的原因及解決辦法；文獻(xiàn)［8］設(shè)計(jì)了碼箱遠(yuǎn)程控制裝置,可以及時(shí)查看測試環(huán)線的運(yùn)行狀態(tài)。但上述文獻(xiàn)均未對(duì)測試環(huán)線所受的電磁干擾進(jìn)行分析。

為此,本文將以銀川動(dòng)車所測試環(huán)線上碼不穩(wěn)定問題為例,定性分析庫內(nèi)測試環(huán)線所受的電磁干擾,并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,得到解決方案。

1 問題提出

為提升發(fā)碼箱的工作可靠性,銀川動(dòng)車所機(jī)車測試環(huán)線采用了室內(nèi)集中放置發(fā)碼箱的方法,用主干電纜先將發(fā)碼電流引至股道旁的分線盒中,再用分支電纜接至接續(xù)盒中的連接環(huán)線。主干主用電纜采用SPTYWL23-24B,備用電纜和分支電纜采用SPTYWL23-8B,環(huán)線采用10 mm2多股非屏蔽銅線,測試環(huán)線設(shè)置見圖1。在動(dòng)車組未壓入軌道前,測量各發(fā)碼環(huán)線的電流、電壓均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),但在動(dòng)車組壓入后,即出現(xiàn)以下問題。

圖1 動(dòng)車所測試環(huán)線設(shè)置

1）當(dāng)動(dòng)車組停于Ⅰ列位時(shí),ATP設(shè)備在對(duì)應(yīng)的L1處出現(xiàn)上碼不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2）當(dāng)同一股道上停放2列動(dòng)車組時(shí),ATP設(shè)備在對(duì)應(yīng)的L2處均出現(xiàn)上碼不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

2 原因分析

2.1 環(huán)線與鋼軌間存在互感

由于環(huán)線和鋼軌距離很近,基于鋼軌感性的特點(diǎn),它們之間必然存在著互感現(xiàn)象。供電部門為了暢通牽引回流,在動(dòng)車所L1處的2根鋼軌間安裝了接通線,當(dāng)動(dòng)車組第1輪對(duì)壓在鋪有環(huán)線的鋼軌上時(shí),車輪輪對(duì)、鋼軌、鋼軌接通線在L1處共同構(gòu)成了一個(gè)有害閉合回路,導(dǎo)致了上述問題（1）的發(fā)生,如圖2（a）所示；動(dòng)車所同一股道同時(shí)停放2列動(dòng)車組時(shí),在股道中間部位,動(dòng)車組A和B相鄰的第1輪對(duì)、鋼軌在L2處也共同構(gòu)成了一個(gè)有害閉合回路,導(dǎo)致上述問題（2）的發(fā)生,如圖2（b）所示。

圖2 測試環(huán)線有害閉合回路

當(dāng)環(huán)線傳輸實(shí)時(shí)變化的電流時(shí),由于環(huán)線和鋼軌的互感現(xiàn)象,鋼軌閉合回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢會(huì)實(shí)時(shí)“阻礙”環(huán)線電流的變化,其方向與環(huán)線電流相反,大小隨環(huán)線電流發(fā)生線性變化［9］,從而造成對(duì)機(jī)車ATP車載設(shè)備上碼電流的電磁干擾。

2.2 模型驗(yàn)證

在動(dòng)車組出庫后,將機(jī)車感應(yīng)線圈置于鋼軌上方155 cm標(biāo)準(zhǔn)高度,測量其感應(yīng)的電壓大小,用于模擬ATP設(shè)備接收到的感應(yīng)電壓。當(dāng)股道上沒有動(dòng)車組時(shí),在環(huán)線L1、L2、L3處各測量1組數(shù)據(jù),見圖3。由圖3可以看到,隨著室內(nèi)碼箱發(fā)碼電流的增大,3個(gè)測試點(diǎn)線圈的感應(yīng)電壓都保持著線性增大的趨勢,說明在動(dòng)車出庫后,鋼軌沒有形成閉合回路的情況下,動(dòng)車所內(nèi)環(huán)線L1、L2、L3處的電磁環(huán)境是一樣的。

圖3 未封線時(shí)線圈感應(yīng)電壓

采用0.15 Ω封線封聯(lián)2根鋼軌,模擬動(dòng)車組輪對(duì)封聯(lián)鋼軌。逐漸增大發(fā)碼電流,測量鋼軌上方機(jī)感線圈的感應(yīng)電壓,見圖4。黃線表示在動(dòng)車所環(huán)線L3處測試的數(shù)據(jù),數(shù)值略有下降,與室內(nèi)發(fā)碼電流成線性關(guān)系,另外2條線為動(dòng)車所環(huán)線L1、L2處測試的數(shù)據(jù),感應(yīng)電壓下降明顯,與室內(nèi)發(fā)碼電流成線性規(guī)律,說明其受到了強(qiáng)烈的電磁干擾。由圖4可見:動(dòng)車組進(jìn)入動(dòng)車所后,因在環(huán)線L1、L2處鋼軌形成了閉合回路,產(chǎn)生了強(qiáng)烈的電磁干擾；當(dāng)受到電磁干擾時(shí),可以通過提高發(fā)碼電流的方法,提升機(jī)感線圈的感應(yīng)電壓,從而使ATP設(shè)備正常上碼。

圖4 封線時(shí)線圈感應(yīng)電壓

根據(jù)上述理論分析得知,機(jī)車測試環(huán)線電磁環(huán)境的主要干擾源為處于閉環(huán)的磁性鋼軌產(chǎn)生的反向感應(yīng)電動(dòng)勢。

3 解決方案

為了克服機(jī)車測試環(huán)線所受的電磁干擾,減小磁性鋼軌產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢,提出以下3種解決方案。

3.1 改裝“8”字環(huán)線

將環(huán)線改裝為“8”字環(huán)線,見圖5。在任一時(shí)刻,鋼軌產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢是反向的,2個(gè)“O”圈在同一鋼軌上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也是反向的,感應(yīng)電動(dòng)勢相互抵消,可有效降低對(duì)測試環(huán)線的電磁干擾。

圖5 “8”字環(huán)線原理圖

根據(jù)動(dòng)車所測試環(huán)線長度的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)了2種實(shí)施方案,見圖6,并在環(huán)線L1處用臨時(shí)測試環(huán)線進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6 “8”字環(huán)線布置方案

方案1:布置4段長度均為15 m的測試環(huán)線。

方案2:交替布置20 m與10 m的測試環(huán)線。

在D76道、D78道的環(huán)線L1處分別采用2種“8”字交叉法后,將發(fā)碼電流從低到高進(jìn)行逐步調(diào)節(jié),直至ATP設(shè)備上碼,定義此時(shí)發(fā)碼電流為上碼電流,記錄并統(tǒng)計(jì)一周。用同樣的方法,統(tǒng)計(jì)未采用“8”字交叉法的D77道環(huán)線L1處的上碼電流。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。從表1可以得出,加裝“8”字環(huán)線后上碼電流明顯降低,且采用2種交叉方法區(qū)別不明顯。說明無論是否受到電磁干擾,發(fā)碼電流與機(jī)感線圈的電壓均保持線性關(guān)系,同時(shí)假設(shè)ATP設(shè)備上碼需要的感應(yīng)電壓是恒定的,則加裝“8”字環(huán)線后機(jī)感線圈的感應(yīng)電壓明顯增強(qiáng)。

表1 ATP車載設(shè)備上碼電流

3.2 加裝空扼流變壓器

扼流變壓器又稱阻抗聯(lián)接變壓器,它既能將相鄰軌道電路中的信號(hào)電流隔開,又可使?fàn)恳亓鲗?dǎo)通。在庫門口D78道的鋼軌接通線與環(huán)線L1之間加裝空扼流變壓器后,將發(fā)碼電流逐漸調(diào)高,直至ATP設(shè)備上碼,記錄此時(shí)的發(fā)碼電流并統(tǒng)計(jì)一周。用同樣的方法統(tǒng)計(jì)未加裝空扼流變壓器的D79道環(huán)線L1處的上碼電流。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。由表2可以得出,加裝空扼流變壓器后上碼電流明顯降低,假定ATP設(shè)備上碼需要的感應(yīng)電壓是恒定的,說明加裝空扼流變壓器后機(jī)感線圈的感應(yīng)電壓明顯增強(qiáng),受到的電磁干擾顯著減弱。

表2 加裝空扼流變壓器前、后上碼電流

3.3 在軌道一側(cè)鋼軌加裝機(jī)械絕緣

在動(dòng)車所庫內(nèi)軌道正中間（環(huán)線L2處）,利用鋼軌間的接縫,在一側(cè)鋼軌上加裝機(jī)械絕緣,切斷鋼軌和車輪輪對(duì)組成的有害閉環(huán)回路,使之不能形成干擾的反向電動(dòng)勢,并且在另外一側(cè)鋼軌接縫處加裝回流渡線,以減小對(duì)供電牽引回流導(dǎo)通的影響,從而解決動(dòng)車所機(jī)車測試環(huán)線受互感影響的電磁干擾問題。

在D76道環(huán)線L2處的一側(cè)鋼軌上加裝機(jī)械絕緣后,當(dāng)D76道停放2列動(dòng)車組時(shí),將發(fā)碼電流逐漸調(diào)高至ATP設(shè)備上碼,記錄此時(shí)的上碼電流并統(tǒng)計(jì)一周。用同樣的方法統(tǒng)計(jì)未加裝機(jī)械絕緣的D77道環(huán)線L2處上碼電流。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。由表3可以得出,在軌道一側(cè)鋼軌加裝機(jī)械絕緣后上碼電流明顯降低,假定ATP設(shè)備上碼需要的感應(yīng)電壓是恒定的,說明軌道一側(cè)鋼軌加裝機(jī)械絕緣后,機(jī)感線圈的感應(yīng)電壓明顯增強(qiáng),受到的電磁干擾顯著減弱。

表3 在軌道一側(cè)鋼軌加裝機(jī)械絕緣前、后上碼電流

4 可行性分析

3種方案的可行性比較見表4。測試環(huán)線“8”字交叉法雖然克服鋼軌感應(yīng)電動(dòng)勢的干擾明顯,但在銀川動(dòng)車所測試環(huán)線后期改造中需重新鋪設(shè)測試環(huán)線,測試環(huán)線需多次穿越動(dòng)車所的作業(yè)地溝,施工難度大、成本高,在有其他改造方案的情況下,暫時(shí)排除該方案。最終,根據(jù)在動(dòng)車所環(huán)線L2處無法進(jìn)行設(shè)備加裝施工的客觀條件,以及供電部門對(duì)牽引回流影響的論證,在銀川動(dòng)車所L1處加裝空扼流變壓器,解決了動(dòng)車所環(huán)線L1處上碼不穩(wěn)定的問題,在L2處一側(cè)鋼軌處加裝機(jī)械絕緣,有效地解決了環(huán)線L2處上碼不穩(wěn)定的問題。

表4 方案可行性比較

5 測試分析

根據(jù)銀川動(dòng)車所測試環(huán)線需后期改造施工的實(shí)際情況,在動(dòng)車所L1處加裝空扼流變壓器,在L2處一側(cè)鋼軌加裝機(jī)械絕緣后,統(tǒng)計(jì)分析了近一個(gè)月內(nèi)動(dòng)車所環(huán)線L1、L2處的上碼電流,見圖7。上碼電流穩(wěn)定在0.7 A,且未超出0.9 A,滿足施工需求。

圖7 ATP上碼電流統(tǒng)計(jì)圖

6 總結(jié)

以銀川動(dòng)車所機(jī)車發(fā)碼環(huán)線為研究對(duì)象,通過建立動(dòng)車所機(jī)車測試環(huán)線電磁干擾的系統(tǒng)模型,驗(yàn)證了建立模型的合理性和適用性。提出了“8”字交叉環(huán)線、加裝空扼流變壓器、在一側(cè)鋼軌接縫處加裝機(jī)械絕緣的解決方案,并進(jìn)行了施工改造,消除了動(dòng)車所機(jī)車測試環(huán)線受互感影響的電磁干擾,統(tǒng)計(jì)分析了1個(gè)月內(nèi)車載設(shè)備的發(fā)碼電流,基本解決了ATP上碼不穩(wěn)定的問題。