解立強

(中國中鐵電氣化局集團電氣化公司,北京 100036)

至 2007年底,我國的電氣化鐵路營業(yè)里程已達(dá)到了 24046.6 km,占我國鐵路總營業(yè)里程的 37.8%,各大干線都已實現(xiàn)了電氣化。但是,隨著電氣化鐵路的建成,電氣化鐵路也帶來了許多新的問題,特別是強電系統(tǒng)對鐵路信號設(shè)備的影響尤為突出。近年來,以計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)和區(qū)間無絕緣移頻自動閉鎖系統(tǒng)為代表的現(xiàn)代鐵路信號系統(tǒng)在現(xiàn)場逐漸普及,系統(tǒng)采用了大量的新技術(shù)及眾多的電子元器件,這也使信號系統(tǒng)的抗干擾問題日益明顯。如何克服電氣化鐵路強電對弱電信號系統(tǒng)設(shè)備的影響,采取何種措施,變得越來越重要。

1 我國現(xiàn)有的電氣化鐵路的特點

電力牽引是一種有軌運輸?shù)臓恳问?。它利用電能作為動?驅(qū)動列車運行?，F(xiàn)有的牽引供電系統(tǒng)主要由牽引供電所、接觸網(wǎng)、軌道回路、回流線以及饋電線組成。其中,牽引電流所經(jīng)過的回路是：牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、機車、鋼軌、回流線、變電所。我國目前電氣化鐵路采用工頻交流制供電,接觸網(wǎng)額定工作電壓為 25kV,所采用的供電方式主要是自耦變壓器供電(AT方式),它具有供電距離遠(yuǎn)、牽引電壓損耗少、對通信干擾小的特點。電力牽引供電除了自耦變壓器供電(AT方式)外,還有吸流變壓器、直供和同軸電力電纜等其它幾種供電方式,本文不作贅述。

2 電氣化牽引供電對信號設(shè)備影響的原因及其分類

信號系統(tǒng)室內(nèi)外設(shè)備通過電纜線路聯(lián)系起來,室內(nèi)室外設(shè)備間有一定的邏輯聯(lián)鎖關(guān)系,室內(nèi)設(shè)備通過采集室外設(shè)備的狀態(tài),送到控制計算,結(jié)合操作人員指令,產(chǎn)生驅(qū)動命令,通過驅(qū)動電路送達(dá)室外設(shè)備進行控制,從而確保行車安全和效率。信號系統(tǒng)的干擾信號通過鋼軌、信號電纜、接地設(shè)備、設(shè)備外殼、設(shè)備電源及空間輻射等途徑進入到信號系統(tǒng),對信號系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生干擾。例如：牽引電流產(chǎn)生的干擾信號以電磁波在空中幅射的方式,對信號系統(tǒng)的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾;電力機車牽引電流回流與信號系統(tǒng)共用同一載體鋼軌也是使信號系統(tǒng)受到干擾的另一個最主要原因。

與電氣化鐵路強電系統(tǒng)相比,信號系統(tǒng)設(shè)備在電氣化鐵路中處于從屬被動的地位。電氣化鐵路系統(tǒng)的強電部分具有額定電壓高(25 kV)、牽引電流可達(dá)到數(shù)百安培甚至上千安培、電力機車為非線性負(fù)載、整流換相和運行過程中會產(chǎn)生大量諧波成分等特點。這些構(gòu)成了電氣化鐵路強電對信號設(shè)備干擾的主要原因。

電氣化鐵路強電對信號設(shè)備的干擾可分為以下 6類。

1)傳導(dǎo)性干擾

傳導(dǎo)性干擾即牽引電流不平衡干擾,它是電氣化鐵路對弱電信號電路干擾的主要原因。信號設(shè)備回路電流和牽引電流共用鋼軌這個通道,由于鋼軌阻抗、接續(xù)線電阻、對地漏泄、扼流變壓器線圈對稱度不同等因素,往往使流經(jīng)兩根鋼軌上的電流不相等,從而形成了不平衡電流。由于不平衡電流的存在,會在扼流變壓器二次側(cè)產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢,它的大小相當(dāng)于扼流變壓器一次側(cè)半個線圈中流有一個大小為兩個鋼軌電流差的電流在次級線圈中的感應(yīng)值,這個差值能使扼流變壓器升壓,電壓升到一定程度就會使軌道繼電器誤動。衡量不平衡電流的參數(shù)是不平衡系數(shù),它是不平衡電流與總電流的比值(%)。如一根鋼軌中的電流為 I1,另一根鋼軌中的電流為 I2,則不平衡系數(shù)為：k=(I1-I2)/(I1+ I2)×100%。

2)容性耦合干擾

接觸網(wǎng)電壓為 25 kV,當(dāng)強電線上有一對地電壓存在時,由于受擾設(shè)備(如通信線)與大地之間有電壓,強電線與通信線之間就會有電容耦合,因此必然有干擾電流自強電線路流入弱電信號線路設(shè)備,產(chǎn)生靜電感應(yīng)電動勢,從而形成容性耦合。靜電場的強度與電流大小與受擾設(shè)備的距離有關(guān)。

3)感性耦合干擾

由于牽引電流可達(dá)數(shù)百安培甚至上千安培,當(dāng)強電線(接觸網(wǎng))中有電流通過時,通過強電導(dǎo)線與受擾設(shè)備之間的耦合電感(互感),受擾設(shè)備中會產(chǎn)生感應(yīng)縱向電動勢,從而形成感性耦合。感性耦合不僅與接觸網(wǎng)電流的大小有關(guān),還與接近的距離、接近的長度有關(guān)。

4)輻射性干擾

受電弓與接觸網(wǎng)接觸,當(dāng)受電弓升降、過分電段、開關(guān)其主電路以及駛過有硬點的接觸網(wǎng)時,會使?fàn)恳W(wǎng)中產(chǎn)生大的沖擊電流。鋼軌是牽引電流的回線,脈沖電流瞬間沖擊使扼流變壓器飽和,25 Hz信號在幾個周期內(nèi)被削弱,從而使軌道繼電器誤動。另外,受電弓與接觸網(wǎng)離線時會產(chǎn)生電火花,引發(fā)無線電干擾脈沖,從而影響到無線通信的質(zhì)量。

5)阻性耦合與地電位干擾

牽引回流通過鋼軌與大地之間漏導(dǎo)入地,使附近的大地電位升高,大地中雜散電流會對通信電纜等產(chǎn)生影響。接觸網(wǎng)短路時,瞬間電流很大,地電位明顯升高,會對設(shè)備或人身安全造成隱患。

6)其他干擾

現(xiàn)有的供電系統(tǒng)中,為了保證人員的安全和設(shè)備的正常運行,通常利用鋼軌作為接觸網(wǎng)的自然接地體。當(dāng)接地裝置的火花間隙失效或有些桿塔不經(jīng)過火花間隙直接連接鋼軌,在同一軌道電路區(qū)段內(nèi)的 2個及以上接觸網(wǎng)桿塔地線分別接在兩根鋼軌上,或者不同軌道電路區(qū)段內(nèi)桿塔地線經(jīng)貫通的架空地線短路了鋼軌絕緣接頭,就會造成軌道電力紅光帶。另外,當(dāng)機車發(fā)生受電弓支持絕緣閃絡(luò)、放電間隙擊穿等接地故障時,巨大的短路電流會瞬間使火花間隙反擊穿,也會影響到信號設(shè)備。

3 信號設(shè)備采取的抗干擾措施

不同弱電系統(tǒng)的信號設(shè)備對不同類型的干擾反應(yīng)不同,因此,具體的信號設(shè)備所采取的抗干擾措施也各不相同。

1)25 Hz軌道電路的抗干擾措施

25 Hz軌道電路主要是傳導(dǎo)性干擾,即牽引電流不平衡所引起的干擾。一是會導(dǎo)致軌道電路中傳輸?shù)?25 Hz信號電流產(chǎn)生陷落現(xiàn)象;二是由于脈沖干擾在軌道電路接受器中線性濾波器的通帶內(nèi)形成 25 Hz衰減振蕩,與原有的 25 Hz信號可能相加(同相時)、相減(反相時),從而使軌道電路發(fā)生誤動。

25 Hz軌道電路采取的抗干擾措施：

a.增加扼流變壓器的氣隙,增加鐵芯的飽和電流強度;

b.在扼流變壓器次級加繞抗干擾線圈,并加裝適配器;

c.設(shè)計 LC電路使其對 25 Hz產(chǎn)生并聯(lián)諧振、增強信號。

2)機車信號系統(tǒng)的抗干擾措施

機車信號同樣要應(yīng)對不平衡電流的影響,目前的數(shù)字式機車信號采用數(shù)字濾波器和頻譜分析的方法進行處理。

3)計算機連鎖、集中調(diào)度、列控中心等電子設(shè)備所采取的抗干擾措施

電氣化鐵路對于電子設(shè)備的影響主要是電磁輻射、電磁感應(yīng)、地電位等方面的影響,對于這些問題主要的解決方法就是屏蔽,從傳播途徑上切斷電磁輻射的來源。根據(jù)鐵道部鐵運〔2006〕26號文件,對于微機房、機械室應(yīng)進行屏蔽,其中包括微機房的天花板、各個墻面和門窗;所有的電子設(shè)備在上道前都要進行電磁兼容的實驗,實驗達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)才能上道。

4 結(jié)論

在鐵路這個大系統(tǒng)中,在明確分析出強電系統(tǒng)對弱電系統(tǒng)信號設(shè)備的干擾問題后,對弱電信號系統(tǒng)在采取有效的抗干擾措施,就可以使鐵路信號設(shè)備正常工作,保證鐵路運輸和諧、安全、高效、快速的發(fā)展。

[1]安海君,李建清,吳?，?25Hz相敏軌道電路 [M],北京：中國鐵道出版社,2004.

[2]費錫康.無絕緣軌道電路分析 [M],北京：中國鐵道出版社,1993.