城市軌道交通計軸設備受干擾分析及解決方案

路懷明

0 引言

城市軌道交通信號系統(tǒng)已經(jīng)全面進入移動閉塞控制時代，軌道區(qū)段的空閑或占用檢查是信號系統(tǒng)的重要組成部分，直接關系行車安全和運輸效率。為保證信號系統(tǒng)正常運行，很多城市軌道交通信號系統(tǒng)采用計軸設備作為軌道區(qū)段空閑或占用的備用檢測系統(tǒng)。在列車供電模式為直流供電的情況下，鋼軌作為牽引供電回流的一部分，信號系統(tǒng)的計軸設備極少出現(xiàn)受供電系統(tǒng)干擾而誤動的情況。隨著市域快速軌道交通的發(fā)展，因線路長大，為降低變電所數(shù)量、減少設備，一些城市軌道交通系統(tǒng)采用交流供電模式，鋼軌依然作為牽引供電回流回路的一部分，但卻發(fā)生了牽引供電回流干擾計軸設備的問題。

某市域軌道交通項目采用交流27.5 kV 高壓供電，線路投入運行后即使在天氣良好（排除了雷擊因素）、軌道區(qū)段無車情況下也時常出現(xiàn)計軸系統(tǒng)受擾、顯示區(qū)段“占用”的情況。觀察發(fā)現(xiàn)，正線區(qū)段與車輛段區(qū)段出現(xiàn)非正?！罢加谩保ㄓ嬢S誤報）的情況有所不同，正線區(qū)段的計軸誤報常出現(xiàn)于接觸網(wǎng)停送電期間，而車輛段區(qū)段的計軸誤報常出現(xiàn)于列車在庫內升降弓，即取電/停止取電期間。

為了查找該問題的原因，在進一步分析計軸系統(tǒng)工作原理的前提下，在出現(xiàn)誤報情況的計軸室外設備（計軸點）相應位置安裝了示波器等設備進行持續(xù)監(jiān)測。

1 計軸系統(tǒng)工作原理

計軸系統(tǒng)是通過比較同一軌道區(qū)段兩端駛入和駛出計軸點的列車軸數(shù)完成軌道區(qū)段占用與空閑狀態(tài)自動檢查的專用信號設備，可用于站（場）或區(qū)間等區(qū)域。計軸系統(tǒng)具備外接“復零”條件及與信號聯(lián)鎖系統(tǒng)、信號集中監(jiān)測等設備的接口，由室內設備和室外設備組成，如圖1 所示。

圖1 計軸系統(tǒng)組成

計軸系統(tǒng)室外設備主要包括車輪傳感器和傳輸電纜，室內設備主要包括放大板、計軸板、輸出板、復零板和電源板等單元。其中車輪傳感器與放大板組成車軸檢測單元，計軸板與輸出板等組成計軸運算單元。車輪傳感器內有2 套單獨的傳感單元，相互獨立地執(zhí)行同種任務。

車輪傳感器的內部電路由一個高頻有源振蕩器和相應附屬電路構成，當車輪駛入車輪傳感器作用區(qū)域時，車輪的鐵磁介質對車輪傳感器內部元件產(chǎn)生阻尼作用，致使車輪傳感器2 套傳感電路的工作狀態(tài)發(fā)生變化，輸出端電壓升高形成輪軸信號，2 路輪軸信號的相位關系表示車輪的運動方向，系統(tǒng)以此識別車輪運行方向。同時，車輪傳感器的2套傳感單元形成的輪軸信號通過計軸電纜輸出到室內的放大板，放大板將輪軸信號放大整形為輪軸脈沖，再傳送至計軸板，計軸板進行列車運行方向判別及軸數(shù)統(tǒng)計。計軸板的運算單元通過比較同一區(qū)段內計入和計出的軸數(shù)，確定區(qū)段占用或空閑狀態(tài)，為輸出板提供工作條件。輸出板根據(jù)計軸板和放大板提供的輸入條件，輸出區(qū)段占用或空閑信息。因計軸系統(tǒng)的車輪傳感器及傳輸電纜等電氣設備位于室外，故需采用防雷設備。該項目采用GDT 和TVS 兩級串聯(lián)結構的防雷系統(tǒng)，通常情況下，可防護1 kV 以上的短暫過電壓（鋼軌對地），同時對芯線之間的過電壓予以保護，如圖2 所示。

圖2 計軸系統(tǒng)室外防雷設備示意圖

圖2 中，GDT 是一種開關型過壓防雷保護器件，主要采用陶瓷氣體放電管，實現(xiàn)縱向防雷，常態(tài)時為開路，當電壓達到(68±20%) V 的觸發(fā)值時，啟動防護功能，瞬間對地短路進行泄流。TVS 提供電源芯線之間的穩(wěn)壓作用，正常處于高電阻狀態(tài)（高阻態(tài)）。當電路出現(xiàn)過電壓（設定門限電壓為20 V）時，TVS 迅速由高阻態(tài)突變?yōu)榈妥钁B(tài)，泄放由異常過電壓導致的瞬時過電流入地，并將異常過電壓鉗制在較低水平，從而保護后級電路。

2 計軸設備受擾原因分析

在正線及車輛段出現(xiàn)故障的計軸點相應位置安裝示波器，記錄計軸電纜通道芯線對地電壓變化情況，如圖3 所示。

圖3 計軸電纜芯線對地電壓錄波

根據(jù)在正線故障計軸點的錄波情況可知，大部分時間段無異常，但個別時間段出現(xiàn)了超過70 V的異常電壓值，持續(xù)時間約2 ms。該電壓值及持續(xù)時間均超過了車輪傳感器第一級防雷模塊GDT的啟動電壓(68±13.6%) V，該異常電壓值一出現(xiàn)，便引發(fā)GDT 瞬間短路泄流，造成計軸設備受擾、軌道“占用”誤報現(xiàn)象。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，因項目采用交流27.5 kV 牽引供電制式，正線牽引回流通過“鋼軌+架空回流線”進行回流。示波器顯示的異常電壓值主要出現(xiàn)在接觸網(wǎng)停送電過程中，而計軸電纜芯線雖未與鋼軌、接觸網(wǎng)直接連通，但計軸電纜與軌道交通高架橋線路兩側弱電電纜槽內的貫通地線（用于系統(tǒng)接地）同槽敷設，貫通地線與每個橋墩“基礎地”就近相連，而橋墩的接地電阻遠高于信號系統(tǒng)接地電阻標準，在接觸網(wǎng)停送電過程中因為“感性”負載的問題，引起計軸系統(tǒng)“地”電位變化，造成計軸防雷保護誤動作，致使計軸設備出現(xiàn)了誤報。

根據(jù)在車輛段故障計軸點的錄波情況發(fā)現(xiàn)，示波器波形顯示出現(xiàn)了不同頻次的諧波，且諧波電壓值較高，同時伴有諧波電流。經(jīng)分析，因在車輛段不設架空回流線，車輛段內主要通過鋼軌和大地進行回流，其牽引供電回路構成是：牽引變電所—接觸網(wǎng)—電力機車—鋼軌（大地）—牽引變電所，正常情況下，鋼軌中回流電流較正線鋼軌中回流電流大。此外，當庫內股道有列車受電弓升降時，供電回路的合開（開關）瞬態(tài)效應產(chǎn)生了諧波，回路電流中諧波分量增高，鋼軌中諧波電流也進一步加大，致使該股道計軸點位置鋼軌旁的計軸線纜中諧波電壓增高，同時產(chǎn)生的磁場變化對安裝在軌腰上的車輪傳感器（磁頭）也產(chǎn)生一定的影響，從而造成計軸設備誤動[1]。

需要說明的是，該項目車輛段車輪傳感器安裝于車庫前鋼軌均流電纜與車庫之間，致使車庫內某股道的列車供電產(chǎn)生的回流必須首先全部流經(jīng)該股道的車輪傳感器區(qū)域，然后才通過均流電纜分散到其他股道鋼軌再流回變電所，勢必加大了上述因素對車輪傳感器的影響。車庫計軸點與均流電纜位置關系如圖4 所示。

圖4 車庫計軸點與均流電纜位置關系

3 解決方案

3.1 正線區(qū)段解決方案

根據(jù)上述分析，為解決上述原因對計軸設備的干擾，理論上將車輪傳感器防雷模塊第一級防雷，即GDT 氣體放電管的啟動門限電壓適當提高，使其“躲過”（高于）接觸網(wǎng)停送電期間引起的最大對地電壓變化，計軸設備即可避免受到干擾。經(jīng)過多次反復試驗，證明提高GDT 的門限電壓值可行，而且為了最大限度地防止各種特殊情況下的干擾，最終將GDT 氣體放電管啟動門限提高至350 V，其他參數(shù)保持不變，有效解決了計軸設備受擾問題。

由于提高防雷觸發(fā)門限電壓可能造成信號系統(tǒng)回路中存在較高電壓，引發(fā)人員意外觸電風險，基于 GB/T 28026.1—2018（IEC 62128-1:2013,MOD）《軌道交通 地面裝置 電氣安全、接地和回流 第1 部分：電擊防護措施》中人體最大允許電壓與電流時限的關系，需分析可能出現(xiàn)的高電壓是否對人員人身安全產(chǎn)生威脅。

接觸網(wǎng)停送電期間對計軸電纜芯線引起的對地電壓持續(xù)時間僅為2 ms，遠小于GB/T 28026.1中最大允許電壓360 V 時人體可以耐受50 ms。而現(xiàn)場實際采集到的最大電壓峰值在70 V 左右，遠未超出GB/T 28026.1 中的安全電壓時限要求，因此提高GDT 啟動門限值允許回路中有較高的電壓存在，并不會危及人身安全。

3.2 車輛段區(qū)段解決方案

根據(jù)對車輛段區(qū)域的計軸設備受擾情況分析，只需減小流經(jīng)計軸點車輪傳感器處的鋼軌回流，從而降低其周圍的感應電壓和交變磁場，即可避免計軸設備受到干擾。具體措施是在庫內各股道新增“均流電纜”，實現(xiàn)庫內各股道鋼軌的“再次并聯(lián)”，既改善了供電回流回路，庫內某股道列車產(chǎn)生的供電回流也能在庫內（未全部流經(jīng)該股道的計軸點前）即通過均流電纜分散到各股道流回至變電所，降低了單一股道的供電回流量，從而避免了對車輪傳感器的干擾[2]。

4 結論

通過試驗分析，確定了正線區(qū)段和車輛段區(qū)段不同條件下的計軸設備干擾源，提出了解決方案并在運營中得以成功應用，解決了計軸設備受交流供電干擾的問題，大大降低了計軸誤判的概率，為城軌車輛的正常運行提供了重要保障。