浅议电气化铁路牵引供电对铁路信号设备的影响

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

摘要：在电气化铁路这个大系统中，由于各个部门共存，相互之间必然会产生各种各样的影响。作为弱电系统的信号系统，在这个环境中处于从属地位，如何提高自身的抗干扰能力，是保证信号系统正常运行的重要问题。本文从电气化牵引供电对信号设备影响的原因入手，着重介绍了电气化铁路对信号系统干扰的种类，以及信号系统所采取的措施。

关键词：电气化铁路信号抗干扰电磁兼容传导性 1引言 电气化铁路对于实现我国铁路重载、高速起到了至关重要的作用。至2007年底，我国的电气化铁路营业里程已达到了24046.6km，占我国铁路总营业里程的37.8%，各大干线都已实现了电气化。但是，随着电气化铁路的建成，电气化铁路也带来了许多新的问题，特别是对铁路信号设备的影响。近年来，铁路信号系统使用了大量的新技术、新设备，使这方面的矛盾更加突出，如何解决好这些问题，是铁路信号系统要解决的一个重要问题。本文就电气化铁路对信号设备的影响的原因以及克服的方法进行探讨。 2我国现有的电气化铁路的特点 电力牵引是一种有轨运输的牵引形式。它利用电能作为动力，驱动列车运行。现有的牵引供电系统主要由牵引供电所、接触网、轨道回路、回流线以及馈电线组成。其中，牵引电流所经过的回路是：牵引变电所———馈电线———接触网———机车———钢轨———回流线———变电所。我国目前所采用的供电方式主要是自耦变压器供电（AT方式），它具有供电距离远、牵引电压损耗少、对通信干扰小的特点。 3电气化牵引供电对信号设备影响的原因及其分类 与电气化铁路系统相比，信号设备在电气化铁路中处于从属被动的地位。电气化铁路属于强电系统，它具有这么几个特点：（a）额定电压高，可达25kV；(b)牵引电流可达到数百安培甚至上千安培；（c）电力机车为非线性负载，在整流换相和运行过程中会产生大量谐波成分等特点。这些特点构成了电气化铁路对信号设备干扰的基本原因。从干扰的种类来说，可分为传导、感应、辐射三种形式，具体影响可分为以下五类： （1）传导性干扰 传导性干扰即牵引电流不平衡干扰，它是电气化铁路对轨道电路干扰的主要原因。信号设备和牵引电流共用钢轨这个通道，由于钢轨阻抗、接续线电阻、对地漏泄、扼流变压器线圈对称度不同等因素，往往是流经两根钢轨上的电流不等，从而形成了不平衡电流。由于不平衡电流的存在，在扼流变压器二次侧产生一个感应电动势，它的大小相当于扼流变压器一次侧半个线圈中流有一个大小为两个钢轨电流差的电流在次级线圈中的感应值，这个差值能使扼流变压器升压，电压升到一定程度就会使轨道继电器误动。衡量不平衡电流的参数是不平衡系数，它是不平衡电流与总电流的比值（%）。如一根钢轨中的电流为I1，另一根钢轨中的电流为I2，则不平衡系数为：k=（I1-I2）/（I1+I2）×100%。 （2）容性耦合 接触网电压为25kV，当强电线上有一对地电压存在时，由于受扰设备(如通信线)与大地之间有电压，强电线与通信线之间就会有电容耦合，因此必然有电流自强电流分流入受扰设备，产生静电感应电动势，从而形成容性耦合。静电场的强度与电流大小以及与受扰物的距离有关。（3）感性耦合 牵引电流可达数百安培甚至上千安培，当强电线（接触网）中有电流通过时，由于强电线与受扰设备之间有耦合电感（互感），因此，受扰设备中会产生感应纵向电动势，从而形成感性耦合。感性耦合不仅与接触网电流的大小有关，还与接近的距离、接近的长度有关。 （4）辐射性影响 受电弓与接触网接触，当受电弓升降弓、过分电段、开关其主断电路以及驶过有硬点的接触网时，会使牵引网中产生大的冲击电流。钢轨是牵引电流的回线，脉冲电流瞬间冲击使扼流变压器饱和，25Hz信号在几个周期内被削弱，从而使轨道继电器误动。另外，受电弓与接触网离线时会产生电火花，引发无线电干扰脉冲，从而影响到无线通信的质量。 （5）阻性耦合/地电位影响 牵引回流通过钢轨与大地之间漏导入地，使附近的大地电位升高，在大地中杂散电流会对通信电缆等产生影响。接触网短路时，瞬间电流很大，地电位明显升高，会对设备或人身安全造成隐患。 （6）其他干扰 现有的供电系统中，为了保证人员的安全和设备的正常运行，通常利用钢轨作为接触网自然接地体。当接地装置的火花间隙失效或有些杆塔不经过火花间隙直接连接钢轨，在同一轨道电路区段内的2个及以上接触网杆塔地线分别接在两根钢轨上，或者不同轨道电路区段内杆塔地线经贯通的架空地线短路了钢轨绝缘接头，就会造成轨道电力红光带。另外，当机车发生受电弓支持绝缘闪络、放电间隙击穿等接地故障时，巨大的短路电流会瞬间使火花间隙反击穿，也会影响到信号设备。 4信号设备采取的措施 不同的信号设备对不同类电气化干扰的反应不同，因此，具体的信号设备所采取的措施各不相同。如对轨道电路，主要考虑的是传导性干扰，而对于传输电缆主要关注的是容性干扰、感性干扰。下面就几种具体信号设备所采用的措施进行探讨。 （1）25Hz轨道电路 25Hz轨道电路主要是传导性干扰，即牵引电流不平衡所引起的干扰。牵引电流不平衡对25Hz轨道电路影响主要有两个途径：一是由不平衡电流所产生的脉冲电流的波形是上下半波不对称的近似正弦波形，其中包含有直流成分，容易使轨道电路中扼流变压器等铁磁预元件发生此饱和，从而导致轨道电路中传输的25Hz信号电流产生陷落现象；二是由于脉冲干扰在轨道电路接受器中线性滤波器的通带内形成25Hz衰减振荡，与原有的25Hz信号可能相加（同相时），相减（反相时），从而使轨道电路发生误动。 25Hz轨道电路采取的措施： （a）增加扼流变压器的气隙，增加铁芯的饱和电流强度； （b）在扼流变压器次级加绕抗干扰线圈，并加装适配器； （c）设计LC电路使其对25Hz产生并联谐振、增强信号。 （2）ZPW-2000所采取的措施ZPW-2000的前身是法国的UM71，它是九十年代引进并国产化的一种无绝缘的移频轨道电路。作为一种移频轨道电路，ZPW-2000具有移频轨道电路抗干扰的各种特点，具体如下： （a）线圈选择：采用空心线圈对于50Hz牵引电流阻抗特别小，相当于断路，从而起到了平衡牵引电流的作用。 （b）载频选择：由于牵引电流不仅仅存在着50Hz基波，还有相应的奇次谐波、偶次谐波。从能量分布来看，奇次谐波所占的能量比较大，奇次谐波能量随着频率的增加而减小。因此，ZPW-2000在选择载频上，选择高的偶次谐波，从而避开牵引电流的影响。 （c）调制方式：ZPW-2000选择角度调制，角度调制的抗干扰优于幅度调制，传输过程中不易受到干扰。 （d）频偏选择：由于选择的频偏较小，接收设备的带通滤波器通带窄、Q值高，且在带通中仅有一个偶次谐波干扰，在奇次频率漂移时最多影响有两个谐次分量，故牵引电流干扰量小。（ 3）机车信号 机车信号同样要应对不平衡电流的影响，目前的数字式机车信号采用数字滤波器和频谱分析的方法进行处理。 （4）计算机连锁，集中调度，列控中心等电子设备所采取的措施 电气化铁路对于电子设备的影响主要是电磁辐射、电磁感应、地电位等方面的影响，对于这些问题主要的解决方法就是屏蔽，从传播途径上切断电磁辐射的来源。根据铁道部铁运〔2006〕26号文件，对于微机房、机械室应进行屏蔽，其中包括微机房的天花板、各个墙面和门窗；所有的电子设备在上道前都要进行电磁兼容的实验，实验达到标准才能上道。 5结束语 在铁路这个大系统中，强电系统和弱电系统共存，而且，它们还使用共同的通道钢轨。为了铁路运输的安全、高效，作为弱电系统的信号系统应该更加主动的采取有效的措施来保护自己，防止电气化对铁路信号设备进行干扰，保证铁路运输和谐、安全、高效、快速的发展。 参考文献： [1]安海君,李建清，吴保莹.25Hz相敏轨道电路[M],北京:中国铁道出版社，2004 [2]费锡康.无绝缘轨道电路分析[M],北京:中国铁道出版社，1993 [3]杨世武.铁路信号抗干扰技术课件，2007 [4]杨世武.铁路信号防雷技术课件，2007