牽引供電系統(tǒng)對信號設(shè)備影響的探討

孫明新

0 引言

鐵路是國民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中舉足輕重。鐵路運(yùn)輸是當(dāng)前世界最重要的運(yùn)輸方式之一，也是我國貨物運(yùn)輸?shù)闹饕绞街?，是?jīng)濟(jì)發(fā)展的“晴雨表”。電力機(jī)車的產(chǎn)生是推動(dòng)電氣化鐵路發(fā)展的關(guān)鍵，電氣化鐵路具有運(yùn)輸能力強(qiáng)、成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是我國鐵路發(fā)展的主要方向，是當(dāng)今鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域中最重要的類型。我國鐵路電氣化率已高達(dá)70%以上，電氣化鐵路中牽引供電系統(tǒng)對鐵路沿線通信信號設(shè)備的干擾不容忽視，本文主要對牽引供電系統(tǒng)對信號設(shè)備的影響進(jìn)行探討。

1 牽引供電系統(tǒng)

牽引供電系統(tǒng)從電力系統(tǒng)獲取電能，通過牽引變壓器降壓及配電裝置進(jìn)行電能分配，由牽引網(wǎng)向電力機(jī)車負(fù)載提供所需電能。牽引供電系統(tǒng)具有供能效率高、性能可靠以及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。我國牽引供電系統(tǒng)主要有以下幾種供電方式。

1.1 直接供電方式

直接供電方式是牽引供電系統(tǒng)直接將牽引變電所輸出的電能供給電力機(jī)車（如圖1（a）所示），具有低投資、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)成本低等特點(diǎn)。但該方式為單相負(fù)荷，牽引回流一般通過鋼軌傳輸，供電相對不平衡，形成的回路電阻較大，鋼軌中的大電流容易產(chǎn)生電氣擾動(dòng)。

圖1 供電方式

1.2 帶回流線的直接供電方式

帶回流線的直接供電方式是對直接供電方式的進(jìn)一步優(yōu)化，在接觸網(wǎng)相應(yīng)位置設(shè)置一條回流線，如圖1（b）所示。該方式將原本流經(jīng)大地和鋼軌的電流引至增設(shè)的回流線，經(jīng)架空回流線返回牽引變電所。該回路的電流方向與接觸網(wǎng)中的電流方向不一致，降低了二者之間產(chǎn)生的磁場，從而減少了對鐵路沿線信號設(shè)備的干擾。

1.3 自耦變壓器（AT）供電方式

自耦變壓器（AT）供電方式是鐵路沿線按照一定距離在接觸網(wǎng)和正饋線之間布置自耦變壓器，能夠穩(wěn)定送電，提升抗干擾能力，如圖1（c）所示。自耦變壓器的存在使?fàn)恳W(wǎng)阻抗很小，牽引變電所主變輸出的高壓在送電過程中損耗較小，供電距離能夠長達(dá)40～50 km，送電效果顯著提升。該方式下的正饋線的下方同時(shí)設(shè)有保護(hù)線，當(dāng)接觸網(wǎng)絕緣子受損甚至擊穿時(shí)能夠提供回路保護(hù)，起到避雷器的作用。

2 牽引供電系統(tǒng)對鐵路信號設(shè)備干擾分析

鐵路信號軌道電路回路和牽引供電回路共用鋼軌組成各自的電氣回路，鋼軌上既有軌道電路電流，又同時(shí)存在牽引電流[1]。兩種性質(zhì)截然不同的電流共同傳輸時(shí)會產(chǎn)生干擾問題，主要為傳導(dǎo)干擾、輻射干擾、感應(yīng)耦合干擾3種形式。

2.1 傳導(dǎo)性干擾

在列車運(yùn)行過程中，牽引供電系統(tǒng)回流和軌道電路共用同一電氣回路，鋼軌作為傳輸媒介容易出現(xiàn)對地漏泄、高低阻故障等現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生不平衡電流。牽引電流不平衡是最常見的電氣干擾形式之一，根據(jù)生成類型分為穩(wěn)態(tài)脈沖和瞬態(tài)脈沖兩種基本形式。當(dāng)流經(jīng)兩條鋼軌的牽引回流不平衡時(shí)，流經(jīng)扼流變壓器鐵心的磁通不能相互抵消，即總磁通量不為零，從而在二次側(cè)線圈產(chǎn)生干擾信號，導(dǎo)致信號設(shè)備無法正常運(yùn)行[2]。

2.2 輻射性干擾

電氣化鐵路中電力機(jī)車一般通過受電弓與接觸網(wǎng)進(jìn)行接觸取電。列車行駛過程中，當(dāng)受電弓在升弓、降弓以及經(jīng)過曲線區(qū)段的接觸網(wǎng)時(shí)，會在短暫的離線過程中產(chǎn)生較大的瞬時(shí)沖擊電流，經(jīng)由鋼軌進(jìn)行回流，造成扼流變壓器的磁通瞬間飽和，致使軌道電路信號在幾個(gè)周期內(nèi)被削弱甚至無法正常傳輸，導(dǎo)致軌道繼電器誤動(dòng)或故障進(jìn)而影響運(yùn)營安全。

2.3 感應(yīng)耦合干擾

牽引供電系統(tǒng)容易產(chǎn)生感應(yīng)耦合干擾，主要包括容性耦合和感性耦合。

（1）容性耦合。容性耦合產(chǎn)生的原因主要是不同電位場間的電容作用，目前我國的接觸網(wǎng)對地電壓比較高，信號電纜對地也有電壓。因此接觸線與信號電纜間會產(chǎn)生電容耦合，靜電場的強(qiáng)度與干擾電流大小和受擾物的距離存在一定聯(lián)系。

（2）感性耦合。感性耦合產(chǎn)生的原因主要是電力機(jī)車牽引電流較大，在強(qiáng)電線路中電流流通時(shí)，會在強(qiáng)電線路與受擾信號設(shè)備中產(chǎn)生耦合電感，致使受擾信號設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，進(jìn)而影響信號設(shè)備正常工作。

設(shè)計(jì)過程中，通過感應(yīng)電動(dòng)勢計(jì)算確定信號電纜受影響大小，感應(yīng)電動(dòng)勢（直接供電）計(jì)算式為

式中：ω為接觸網(wǎng)電流、電壓的角頻率，rad/s；Mi為50 Hz時(shí)接觸網(wǎng)與信號電路間第i段互感系數(shù)，H/km；Lpi為接觸網(wǎng)與信號線纜間第i段接近長度，km；Id為接觸網(wǎng)等效牽引電流，A；K為50 Hz時(shí)接近段內(nèi)各種接地導(dǎo)體的電磁綜合屏蔽系數(shù)。

接觸網(wǎng)在電流流經(jīng)時(shí)產(chǎn)生的磁力線會垂向切割信號電纜，從而在信號電纜的金屬鎧裝護(hù)套上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。當(dāng)弓網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，強(qiáng)感應(yīng)電動(dòng)勢足以擊穿絕緣介質(zhì)造成信號電纜短路。

3 應(yīng)對策略

3.1 減少鋼軌電流的不平衡

牽引電流不平衡引起的是傳導(dǎo)性干擾，這種不均勻的干擾信號經(jīng)過扼流變壓器傳輸后容易引起鐵磁元件磁場飽和。由于干擾信號中含有直流分量，而扼流變壓器不能處理直流信號，從而導(dǎo)致信號電壓出現(xiàn)跌落。為減少不平衡電流帶來的影響，可采取以下措施：

（1）將接觸網(wǎng)支柱的接地線與扼流變壓器一次側(cè)的中心端進(jìn)行焊接，或設(shè)置專用接地線并按規(guī)定間距匯接到扼流變壓器一次側(cè)的中心端上，以減小側(cè)向不均衡電壓。

（2）設(shè)置適配器來緩沖信號以抵抗干擾，并根據(jù)不同的設(shè)備制式選擇相應(yīng)的適配器。

（3）改進(jìn)鋼軌接續(xù)線使用狀態(tài)，使兩條鋼軌的阻抗匹配。扼流變壓器連接線采用等阻線，避免由于扼流變壓器連接線長度不一致引起的軌道電流不平衡問題。

（4）由于軌道與扼流變壓器線圈的阻抗不匹配，當(dāng)較大的電流瞬間通過時(shí)會產(chǎn)生干擾電壓，可適當(dāng)增加扼流變壓器的氣隙，增加鐵心的飽和電流強(qiáng)度進(jìn)行有效防護(hù)[3]。

（5）復(fù)線區(qū)段設(shè)置橫向連接線接地，進(jìn)一步減少軌間不平衡電流。

3.2 選擇適當(dāng)?shù)男盘栯娏黝l率

在電氣化鐵路區(qū)段，存在各種類型機(jī)車牽引電流工頻及諧波干擾、牽引供電及回流形成的工頻干擾，這些干擾信號的頻率分布于不同頻段，其量值也不盡相同。為確保軌道電路信息傳遞的可靠性，需要選擇合適的信號電流頻率，以減少上述干擾對信號設(shè)備的影響。

牽引供電系統(tǒng)采用的牽引電流頻率為50 Hz，由于牽引電流和軌道電路在同一介質(zhì)進(jìn)行傳輸，為避免信號干擾，兩條頻率相似的信息容易產(chǎn)生諧波干擾，進(jìn)而導(dǎo)致信號失真，軌道電路信號的頻率應(yīng)高于50 Hz或低于50 Hz。目前，25 Hz相敏軌道電路在我國電氣化鐵路區(qū)段已被廣泛采用，其通過采用以下防護(hù)措施，獲得良好的抗干擾能力：

（1）采用二元二位繼電器或微電子接收器，其具有可靠的相位選擇性和頻率選擇性，能夠針對其他不同頻率電流的干擾進(jìn)行有效防護(hù)；

（2）通過采取提高繼電器返還系數(shù)、降低軌道電路匹配變壓器變壓比、減小分頻器輸出電壓值的波動(dòng)等措施，使軌道電路的極限長度逐步延伸至1 500 m；

(3) 軌道電路中增設(shè)適配器，減少脈沖干擾，有效提高軌道電路的穩(wěn)定性。

另外，在高速鐵路和普速鐵路自動(dòng)閉塞區(qū)段，廣泛采用ZPW-2000系列移頻軌道電路設(shè)備，采用1 700、2 000、2 300、2 600 Hz高頻載頻傳遞軌道電路信號，其具有更精準(zhǔn)的頻率選擇功能，抗干擾能力良好。

3.3 其他抗干擾措施

為了提高軌道電路設(shè)備的抗干擾能力，防止供電電纜的諧波影響周圍信號設(shè)備，應(yīng)避免供電電纜與信號設(shè)備電纜近距離平行敷設(shè)。同時(shí)，保證吸上線設(shè)置合理，信號專業(yè)敷設(shè)貫通地線，吸上線可以經(jīng)過信號扼流變壓器接引至貫通地線，使干擾電流暢通接地，并在變電所就近設(shè)置牽引回流線，盡可能地縮短回流的距離。在車站股道的一端對扼流變壓器連接設(shè)置“一頭堵”，有效疏導(dǎo)牽引回流方向，使回流更暢通。在施工過程中，必須嚴(yán)格執(zhí)行鐵路信號機(jī)房綜合接地施工工藝相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，電纜間獨(dú)立設(shè)置，完善電纜入樓、成端以及接地措施[4]。

4 結(jié)語

鐵路信號設(shè)備的正常運(yùn)行是鐵路運(yùn)營安全的基礎(chǔ)，牽引供電系統(tǒng)對鐵路信號設(shè)備的諸多干擾會對鐵路運(yùn)輸安全帶來風(fēng)險(xiǎn)。降低此類影響首先應(yīng)明確干擾的類型，采取具有針對性的應(yīng)對及防護(hù)技術(shù)措施，并針對受干擾的信號系統(tǒng)設(shè)備采取主動(dòng)性防護(hù)設(shè)計(jì)，選用抗干擾能力強(qiáng)的信號軌道電路制式、設(shè)備器材和施工工藝，利用監(jiān)測技術(shù)手段加強(qiáng)日常維護(hù)管理，從而最大限度地減少牽引供電對信號設(shè)備的影響，保障鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩透咝А?/p>