基于溫州市域鐵路S1線計軸紅光帶分析與研究

廖文凱，吳代坤，郭騰飛，劉明琰

（1.中鐵通軌道運營有限公司，浙江 溫州 325000；2.西門子信號有限公司，陜西 西安 710018；3.溫州人才有限公司，浙江 溫州 325000）

0 引言

隨著人民群眾出行需求日益增大，可供選擇的交通方式也越來越多。目前城市軌道交通工具以其污染少、噪聲小、不易造成交通堵塞等優(yōu)點而成為城市交通網必不可少的組成部分，而軌道交通信號設備也是城市軌道交通的重要組成部分［1］。

溫州市域鐵路S1線（簡稱S1線）為全國首家市域軌道交通，設計速度120 km/h，比普通地鐵系統(tǒng)的設計速度高，站間距離較大，通行速度更快。因動力要求選用了國家高鐵供電方式，即27.5 kV交流接觸網供電［2］。溫州軌道交通采用變電站—接觸網—受電弓—車輛設備—鋼軌—回流線回流的方式實現列車供電，相較地鐵或輕軌等方式，S1線的鋼軌回流與回流線回流有著更大的技術挑戰(zhàn)。

1 設備原理

溫州市域鐵路S1線采用TAZⅡS295型計軸設備，屬輪緣計軸傳感器。計軸傳感器由2個完全彼此獨立的磁感應單元SⅠ和磁感應單元SⅡ構成，工作原理見圖1。當行進列車的車輪靠近計軸傳感器單元時，傳感器的輸出電平會由低電平轉變?yōu)楦唠娖剑傻碗娖较蚋唠娖教冃纬傻拿}沖信號即為1個計軸脈沖信號（見圖2）。當車輪依次經過2個相互獨立的磁感應傳感器單元SⅠ和SⅡ時，計軸感知單元也會依次輸出2個計軸脈沖信號，脈沖信號在中間相互重疊。脈沖信號必須同時滿足如下2個條件才被認為是有效的計軸信號：一是2個計軸脈沖信號必須有先后順序；二是2個計軸脈沖信號在中間必須有重疊區(qū)域。計軸脈沖信號只有符合上述2個條件，計軸系統(tǒng)才會計入或計出1個車軸。計軸系統(tǒng)依據2個脈沖信號的先后順序來判斷列車的行進方向。該計軸傳感器有2個工作頻點，分別是38 kHz和42 kHz。如果計軸傳感器所在的周圍環(huán)境存在38 kHz和42 kHz頻點附近的干擾磁場，干擾磁場就會對計軸傳感器產生影響，進而導致計軸錯誤，形成紅光帶現象［3］。

圖1 計軸傳感器工作原理

“7·23”甬溫線事故即因設備遭遇雷擊后造成紅光帶現象，在行車組織人員轉為人工控制后未確認區(qū)段空閑，導致了事故的發(fā)生?？梢娨坏┏霈F紅光帶故障后果必然十分嚴重，因此解決此類故障已成為非常重要的課題任務［4］。

2 S1線典型故障分析及處理方法

2.1 A0904計軸磁頭分析

列車運行時，牽引動車通過受電弓從接觸網受電，受電弓隨之前后上下移動，接觸網和受電弓之間的碰撞瞬間會出現短暫分離，形成空氣間隙。當接觸網和受電弓之間電壓大于空氣間隙擊穿電壓時會產生空氣放電，稱為接觸網電弧。高壓大功率的弓網系統(tǒng)形成的空氣放電會產生非常豐富的電流諧波分量，電流諧波成分最后都會通過軌道回流［5］，對軌道上的設備產生干擾。同時，列車在運行過程中不斷加速減速，對于不同工況產生的電流，諧波比例和大小也會跟著發(fā)生變化，諧波電流最終會經過車輪回流到軌道，信號設備計軸磁頭在鋼軌上的安裝位置見圖3。A0904磁頭運營期間波形示意見圖4。

圖3 A0904計軸磁頭平面布置

圖4 A0904計軸磁頭運營期間波形示意圖

由圖4可知，在無車通過的情況下，磁感應單元SⅡ出現了明顯的異常波動，但由于SⅠ未出現波形變化，SⅡ的波動不滿足計軸器計軸條件，即此波形未能產生計軸紅光帶故障，被定義為計軸磁頭受擾。計軸磁頭在工作運行中會收到來自鋼軌回流的電信號干擾，導致出現異常電信號［6］。

假設：磁感應單元SⅠ與SⅡ均同時受到來自鋼軌回流的電信號干擾，產生了高低電平變化，即滿足脈沖信號的產生要求，導致計軸器成功記錄1軸，進而區(qū)段顯示占用狀態(tài)，聯鎖設備給出紅光帶顯示。

為驗證此假設：采集A0904計軸磁頭故障發(fā)生時的波形數據進行分析。

當A0904計軸磁頭的磁感應單元SⅠ和SⅡ均受到干擾，低電平轉為高電平，電壓增長，且SⅠ和SⅡ受擾同時發(fā)生，導致出現疊加波形（見圖5），產生1個計軸脈沖信號，計軸器成功記錄1軸。進而區(qū)段顯示占用狀態(tài)，聯鎖設備給出紅光帶顯示。

圖5 A0904計軸磁頭故障波形示意圖

通過查詢并核對信號及車輛提供的后臺數據后，明確認定磁感應單元受到的高低電平變化為牽引回流導致。且列車在運行過程中不斷加速減速，產生的電流諧波比例和大小也會隨之發(fā)生變化，諧波電流最終都會經過車輪回流到鋼軌，計軸脈沖導致設備錯誤計數，影響設備正常使用。A0904磁頭正處于站臺發(fā)車處，此時列車會投入較高的制動與牽引力完成停車與發(fā)車功能［7］。

在明確了干擾出處后進行如下嘗試：

（1）初步排除電纜阻抗較大、接電可能存在的問題，對接地問題進行整改，將計軸電纜鎧裝和鋁護套環(huán)接后引入分線柜接入接地端子，采用電纜加芯并聯方式進行優(yōu)化，測試結果未起作用；

（2）提高磁頭輸出線抗干擾能力，在室內機柜、室外接盒內對磁頭輸出線加裝高頻磁環(huán)，測試結果未起作用；

（3）將計軸電纜的接地引出線單獨接至設備房匯流排處，同時更換分線柜計軸的防雷單元，測試結果未起作用；

（4）計軸點進行倒邊測試，將安裝于左側鋼軌上的計軸磁頭倒邊至右側鋼軌，動車測試未起作用。

經過多項測試和干擾途徑分析后，結合供電部門意見，最終決定以在計軸點增設鋼軌接地線的方式截流干擾分量向磁頭傳導，確保計軸設備正常運行（見圖6）。

圖6 牽引回流路徑

在A0904計軸磁頭前增加牽引回流地線，按線性電路中電勢從高到低的規(guī)律可知，在A0904計軸磁頭前增加牽引回流地線，此處電勢趨近于0，所以列車的牽引回流會優(yōu)先由此處回流而不經過A0904磁頭處。

在距離A0904磁頭前就近接地端子處加裝回流地線并現場驗證，將鋼軌與貫通地線相連（非軌道電路區(qū)段不考慮道床漏流），由于貫通地線接入大地，地線所處電位勢趨近于0［8］，因此產生的大部分干擾分量都由貫通地線導入地面?，F場安裝情況見圖7。

圖7 回流地線現場安裝情況

2.2 A1405計軸磁頭分析

2019年6月以前，分相區(qū)因為單主所供電（溫州主所），實際未設置分相區(qū)。6月15日東段接觸網供電后，靈昆主所投入使用，分相區(qū)正式啟用，列車通過分相區(qū)設備自動斷合VCB操作，從而實現列車不降弓通過分相區(qū)。此時A1405計軸紅光帶故障明顯增加。A1405平面布置見圖8［9］。

圖8 A1405平面布置

下行A1405處磁頭由于分相區(qū)及自動斷合VCB裝置啟用后，受列車過分相合閘VCB時接觸網與列車供電系統(tǒng)接通，列車瞬時接入27.5 kV電壓，引發(fā)極強電信號擾頻，導致信號設備無法正常使用。結合A0904的成功經驗，采取同樣增加回流地線措施，觀測后續(xù)狀態(tài)良好，無異常波形出現。

針對A0904與A1405增加回流地線證明，牽引回流地線措施能有效解決計軸磁頭因鋼軌牽引回流導致的磁頭受擾，糾正錯誤計數，控制紅光帶現象。

2.3 A1003計軸磁頭分析

以A0904與A1405為參考案例，針對故障頻發(fā)的A1003處前方加裝地線，用以抵御列車在進站過程中施加較大制動力時產生的牽引回流。在距離A1003磁頭前50 m處（就近接地端子處）加裝接地線并現場驗證，加裝示意見圖9。

圖9 A1003平面布置

增加地線后，A1003處故障不降反升，1個月內A1003共計發(fā)生24次計軸受擾故障。過程中在A1003處架設示波器，從示波器采集到的曲線可見，A1003處干擾波形多為多脈沖干擾，其中均為首個脈沖造成干擾故障，干擾波形示意見圖10。

圖10 A1003計軸磁頭故障時干擾波形示意圖

調查發(fā)現：A1003受擾時上行T1010區(qū)段有車經過，通過示波器觀察岔區(qū)A1005磁頭同時也存在干擾脈沖。據此分析，此時A1003所受干擾由上行通過道岔傳導而來（見圖11）。

圖11 A1003計軸磁頭干擾來源示意圖

判斷主要原因為圖中G點加裝地線后改變了此地電位，G點成為附近電位最低點，以致電流優(yōu)先到達G點，在岔區(qū)較多的車站里加裝接地線只能防止迎面干擾，卻增加了磁頭后方的干擾強度。

結合推斷，由于G點電位為附近最低，從而向上行引來了電磁干擾。修改G點位置，要求電位低于同處上線位置電位，即可解決由于同處電位差導致的對向電磁干擾現象。經現場實際觀察，上行距A1003計軸磁頭處約120 m存在吸上線（鋼軌回流經回流線返回牽引變電所的連接線），測量此處電位趨近于0，現場實踐調整接地線距離A1003磁頭前200 m處（就近接地端子處）觀察，1周內A1003處未出現故障，但A1003依然存在大量干擾脈沖，此時脈沖形式多是單脈沖，且幅值不足以造成干擾故障。通過示波器捕捉到的造成A1003受擾脈沖均為單個幅值超限脈沖，或多脈沖只有首個脈沖幅值超限（見圖12）。

圖12 A1003計軸磁頭受擾脈沖波形示意圖

此現象由于均為單波峰脈沖，不滿足磁頭有效計軸條件，所以不會進行有效計軸，因此也不會導致列車紅光帶故障，但單波峰脈沖信號依舊存在，磁頭記錄到脈沖信號后仍然會將信號發(fā)送至室內設備，由室內設備判斷后再行取舍。長期性單波峰脈沖數據會加大設備運算量，對設備運行不利，從軟件上對單波峰脈沖數據進行篩選，從而減小設備運算量［10］。

A1003處更換了新型智能板卡后提升了計軸的抗干擾能力，后續(xù)觀察1個月內A1003計軸點成功規(guī)避了多次干擾波形，在此期間也未發(fā)生干擾故障。觀察月內雖有多次干擾脈沖，但幅值未超限或超限干擾被智能板卡成功過濾［11］。

3 結束語

市域鐵路在我國快速發(fā)展，溫州市域鐵路S1線作為全國率先使用27.5 kV交流接觸網供電，信號系統(tǒng)在此高頻電磁干擾情況下面臨嚴峻挑戰(zhàn)，提出在計軸點增設鋼軌接地線的方式論證鋼軌接地線截流干擾分量向磁頭傳導的有效性，并發(fā)現該方法在岔區(qū)存在局限性，通過對此局限性給予解釋和應對措施，并對其局限性進行剖析，為軌道交通信號設備受電磁干擾提供了參考思路。