淺談電氣化鐵路對(duì)通訊信號(hào)的影響與防護(hù)

黃麗

摘 要：電氣化鐵路采用電力牽引，較大的提高了運(yùn)輸能力，同時(shí)，電力牽引也給作為弱點(diǎn)系統(tǒng)的鐵路信號(hào)設(shè)備帶來(lái)了較大的強(qiáng)電干擾。本文介紹了電氣化鐵路對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的影響的形式及信號(hào)系統(tǒng)采取的防護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：傳導(dǎo)；感應(yīng)；輻射；防護(hù)

1 引言

電氣化鐵道的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。電力牽引是目前世界上最理想的鐵路牽引動(dòng)力方式，高速鐵路、城際客運(yùn)專線、城市軌道交通無(wú)不采用電力牽引，電氣化鐵路是現(xiàn)代鐵路現(xiàn)代化的發(fā)展方向。但是，電氣化鐵路對(duì)信號(hào)設(shè)備有強(qiáng)烈的電氣化干擾，電氣化對(duì)信號(hào)設(shè)備的影響主要是牽引電流對(duì)信號(hào)設(shè)備的干擾，接觸網(wǎng)對(duì)信號(hào)機(jī)也有所影響，還存在危險(xiǎn)電壓對(duì)維修操作人員的人身安全的影響。因此，必須采取措施，減輕這些影響，使電氣化區(qū)段的信號(hào)設(shè)備必須具備抗電氣化干擾的能力。隨著我國(guó)現(xiàn)代鐵路信號(hào)技術(shù)的發(fā)展，鐵路信號(hào)設(shè)備大量采用電子元器件，以計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)和ZPW-2000系列區(qū)間無(wú)絕緣移頻自動(dòng)閉塞系統(tǒng)為代表的現(xiàn)代鐵路信號(hào)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)逐漸普及。但是從抗干擾的角度，如何提高更易受到干擾的站內(nèi)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)以及ZP W-2000系列區(qū)間自動(dòng)閉塞系統(tǒng)的抗干擾性，避免聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)產(chǎn)生錯(cuò)誤的輸出，發(fā)出錯(cuò)誤的行車信號(hào)，影響行車安全，是一個(gè)很重要的問(wèn)題。目前我國(guó)客運(yùn)專線、高速、已經(jīng)直接影響到鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩c效率。

2 電氣化牽引供電對(duì)信號(hào)設(shè)備影響的原因及其分類

與電氣化鐵路系統(tǒng)相比，信號(hào)設(shè)備在電氣化鐵路中處于從屬被動(dòng)的地位。電氣化鐵路屬于強(qiáng)電系統(tǒng)，它具有這么幾個(gè)特點(diǎn)：（a）額定電壓高，可達(dá)25kV；（b）牽引電流可達(dá)到數(shù)百安培甚至上千安培；（c）電力機(jī)車為非線性負(fù)載，在整流換相和運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波成分等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)構(gòu)成了電氣化鐵路對(duì)信號(hào)設(shè)備干擾的基本原因。從干擾的種類來(lái)說(shuō)，可分為傳導(dǎo)、感應(yīng)、輻射三種形式，具體影響可分為以下五類：

（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(duì)軌道電路干擾的主要原因。信號(hào)設(shè)備和牽引電流共用鋼軌這個(gè)通道，由于鋼軌阻抗、接續(xù)線電阻、對(duì)地漏泄、扼流變壓器線圈對(duì)稱度不同等因素，往往是流經(jīng)兩根鋼軌上的電流不等，從而形成了不平衡電流。由于不平衡電流的存在，在扼流變壓器二次側(cè)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，它的大小相當(dāng)于扼流變壓器一次側(cè)半個(gè)線圈中流有一個(gè)大小為兩個(gè)鋼軌電流差的電流在次級(jí)線圈中的感應(yīng)值，這個(gè)差值能使扼流變壓器升壓，電壓升到一定程度就會(huì)使軌道繼電器誤動(dòng)。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

接觸網(wǎng)電壓為25kV，當(dāng)強(qiáng)電線上有一對(duì)地電壓存在時(shí)，由于受擾設(shè)備（如通信線）與大地之間有電壓，強(qiáng)電線與通信線之間就會(huì)有電容耦合，因此必然有電流自強(qiáng)電流分流入受擾設(shè)備，產(chǎn)生靜電感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而形成容性耦合。靜電場(chǎng)的強(qiáng)度與電流大小以及與受擾物的距離有關(guān)。

（3） 感性耦合

牽引電流可達(dá)數(shù)百安培甚至上千安培，當(dāng)強(qiáng)電線（接觸網(wǎng)）中有電流通過(guò)時(shí)，由于強(qiáng)電線與受擾設(shè)備之間有耦合電感（互感），因此，受擾設(shè)備中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)縱向電動(dòng)勢(shì)，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(zhǎng)度有關(guān)。

（4） 輻射性影響

受電弓與接觸網(wǎng)接觸，當(dāng)受電弓升降弓、過(guò)分電段、開關(guān)其主斷電路以及駛過(guò)有硬點(diǎn)的接觸網(wǎng)時(shí)，會(huì)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，25Hz信號(hào)在幾個(gè)周期內(nèi)被削弱，從而使軌道繼電器誤動(dòng)。另外，受電弓與接觸網(wǎng)離線時(shí)會(huì)產(chǎn)生電火花，引發(fā)無(wú)線電干擾脈沖，從而影響到無(wú)線通信的質(zhì)量。

（5） 阻性耦合/地電位影響

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

3 信號(hào)設(shè)備采取的措施

不同的信號(hào)設(shè)備對(duì)不同類電氣化干擾的反應(yīng)不同，因此，具體的信號(hào)設(shè)備所采取的措施各不相同。如對(duì)軌道電路，主要考慮的是傳導(dǎo)性干擾，而對(duì)于傳輸電纜主要關(guān)注的是容性干擾、感性干擾。下面就幾種具體信號(hào)設(shè)備所采用的措施進(jìn)行探討。

（1） 25Hz軌道電路

25Hz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。牽引電流不平衡對(duì)25Hz軌道電路影響主要有兩個(gè)途徑：一是由不平衡電流所產(chǎn)生的脈沖電流的波形是上下半波不對(duì)稱的近似正弦波形，其中包含有直流成分，容易使軌道電路中扼流變壓器等鐵磁預(yù)元件發(fā)生此飽和，從而導(dǎo)致軌道電路中傳輸?shù)?5Hz信號(hào)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25Hz衰減振蕩，與原有的25Hz信號(hào)可能相加（同相時(shí)），相減（反相時(shí)），從而使軌道電路發(fā)生誤動(dòng)。

25Hz軌道電路采取的措施：

（a）增加扼流變壓器的氣隙，增加鐵芯的飽和電流強(qiáng)度；

（b）在扼流變壓器次級(jí)加繞抗干擾線圈，并加裝適配器；

（c）設(shè)計(jì)LC電路使其對(duì)25Hz產(chǎn)生并聯(lián)諧振、增強(qiáng)信號(hào)。

（2） ZPW-2000所采取的措施

ZPW-2000的前身是法國(guó)的UM71，它是九十年代引進(jìn)并國(guó)產(chǎn)化的一種無(wú)絕緣的移頻軌道電路。作為一種移頻軌道電路，ZPW-2000具有移頻軌道電路抗干擾的各種特點(diǎn)，具體如下：

（a）線圈選擇：采用空心線圈對(duì)于50Hz牽引電流阻抗特別小，相當(dāng)于斷路，從而起到了平衡牽引電流的作用。

（b）載頻選擇：由于牽引電流不僅僅存在著50Hz基波，還有相應(yīng)的奇次諧波、偶次諧波。從能量分布來(lái)看，奇次諧波所占的能量比較大，奇次諧波能量隨著頻率的增加而減小。因此，ZPW-2000在選擇載頻上，選擇高的偶次諧波，從而避開牽引電流的影響。

（c）調(diào)制方式：ZPW-2000選擇角度調(diào)制，角度調(diào)制的抗干擾優(yōu)于幅度調(diào)制，傳輸過(guò)程中不易受到干擾。

（d）頻偏選擇：由于選擇的頻偏較小，接收設(shè)備的帶通濾波器通帶窄、Q值高，且在帶通中僅有一個(gè)偶次諧波干擾，在奇次頻率漂移時(shí)最多影響有兩個(gè)諧次分量，故牽引電流干擾量小。

（3） 計(jì)算機(jī)連鎖，集中調(diào)度，列控中心等電子設(shè)備所采取的措施

電氣化鐵路對(duì)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(duì)于這些問(wèn)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(lái)源。根據(jù)鐵道部鐵運(yùn)〔2006〕26號(hào)文件，對(duì)于微機(jī)房、機(jī)械室應(yīng)進(jìn)行屏蔽，其中包括微機(jī)房的天花板、各個(gè)墻面和門窗；所有的電子設(shè)備在上道前都要進(jìn)行電磁兼容的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)才能上道。

4 結(jié)語(yǔ)

在鐵路這個(gè)大系統(tǒng)中，強(qiáng)電系統(tǒng)和弱電系統(tǒng)共存，為了鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?、高效，作為?qiáng)電系統(tǒng)的牽引供電與作為弱電系統(tǒng)的通信、信號(hào)系統(tǒng)均應(yīng)更加主動(dòng)的采取有效的防護(hù)措施，防止電氣化對(duì)鐵路通信、信號(hào)設(shè)備進(jìn)行干擾，保證鐵路運(yùn)輸和諧、安全、高效、快速的發(fā)展。

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