試論我國電氣化鐵路中牽引電流對信號系統(tǒng)的干擾

摘 要：隨著我國電氣化鐵路的不斷發(fā)展，牽引電流對信號系統(tǒng)的干擾這一影響鐵路安全的問題已成為亟待解決的重要問題之一。本文分析了牽引電流對信號系統(tǒng)的干擾的若干形式，并提出解決辦法。

關(guān)鍵詞：牽引電流 信號系統(tǒng) 電氣化鐵路

中圖分類號：U2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0114-01

從我國電氣化鐵路多年運(yùn)行來看，電氣化干擾對信號系統(tǒng)的影響，可劃分為傳導(dǎo)、感應(yīng)和輻射三種形式。由于傳導(dǎo)性干擾的能量大，具體表現(xiàn)形式為：牽引電流不平衡引起的傳導(dǎo)性干擾、牽引電流中進(jìn)入大地的電流分量引起的地電位升、接觸網(wǎng)高壓電場感應(yīng)引起的工頻電場、牽引電流引起的工頻磁場、電力機(jī)車受電弓與接觸網(wǎng)摩擦等引起的射頻電磁場騷擾。

1 傳導(dǎo)性干擾

傳導(dǎo)性干擾指的是通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合（或干擾）到另一個電網(wǎng)絡(luò)。電氣化鐵路對信號系統(tǒng)的傳導(dǎo)性干擾包括了牽引電流因回流不暢對信號設(shè)備的干擾和軌道電路兩條鋼軌中通過的牽引回流不相等對軌道電路的傳導(dǎo)性干擾，即不平衡牽引電流，不平衡電流的大小由鋼軌中牽引電流和軌道（包括扼流變壓器等器材）的不平衡程度決定。多數(shù)軌道區(qū)段不平衡系數(shù)小于10%，不平衡電流有穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)脈沖兩種形式，較大不平衡電流以及脈沖電流中的直流分量易造成扼流變壓器的鐵芯器件的磁飽和，削弱信號傳輸。對于軌道電路設(shè)備，此干擾源的性質(zhì)近似為電流源，音頻信號接收還應(yīng)對同頻段的諧波成分進(jìn)行防護(hù)。

2 感應(yīng)耦合

感應(yīng)耦合包括靜電感應(yīng)、容性耦合和感性耦合干擾。

（1）靜電感應(yīng)干擾。當(dāng)接觸網(wǎng)輸入27.5 kV的工作電壓以后，在接觸網(wǎng)導(dǎo)線的周圍形成垂直于導(dǎo)線表面的交變電場。由于靜電感應(yīng)作用，處于電場內(nèi)的架空通信信號線路將產(chǎn)生靜電感應(yīng)電位，從而對通信信號線路產(chǎn)生有害干擾。因?yàn)殡姎饣F道牽引的工頻50 Hz的電流頻率很低，靜電感應(yīng)干擾是及其微小的，其相對于信號系統(tǒng)中的信號而言，可以不計。

（2）容性耦合。容性耦合是指在接觸網(wǎng)存在對地不平衡電壓而引起感應(yīng)的影響。在單項工頻25 kV交流制電力牽引區(qū)段的接觸網(wǎng)周圍空間產(chǎn)生連續(xù)分布的交變電磁場，由于鄰近的人或受擾設(shè)備與大地間存在電容，接觸網(wǎng)與人或設(shè)備之間又有耦合電容因此必然產(chǎn)生感應(yīng)電壓，形成容性耦合。因此在鐵路沿線設(shè)置的各種信號設(shè)備上，會產(chǎn)生對大地的電位和縱電動勢，同時各種信號電路內(nèi)也會導(dǎo)致感應(yīng)電流的出現(xiàn)。

采用BT供電方式時，在鋼軌和大地中的回歸電流大致為零，此時對外界的感應(yīng)干擾值最低。但在吸流變壓器起不到作用的半段效應(yīng)區(qū)段，其最大長度按電力機(jī)車位于距吸流變壓器最近處考慮時，則為吸流變壓器到吸上線，此區(qū)段的感應(yīng)干擾為最大。

（3）感性耦合。牽引電流可達(dá)數(shù)千安培，當(dāng)接觸網(wǎng)中有電流通過時，由9f359231bee64a4fef518a5bc82ed55301c7ad08eace7628e01745c6b1c51c2b于強(qiáng)電線與受擾設(shè)備之間有耦合電感，因此受擾設(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)。

電場為容性耦合，電場占優(yōu)時，在近場處隨距離的三次方衰減。信號設(shè)備防護(hù)手段包括采用良導(dǎo)體屏蔽并接地、與接觸網(wǎng)保持距離等以減小耦合電容。埋地電纜可不考慮電場影響。工頻磁場通過電感耦合，磁場占優(yōu)時，在近場處隨距離的三次方衰減，在通信信號電纜盒電路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或電壓，在AT、BT、直供加回流線等供電方式下，由于回流線的作用，會減弱磁耦合的影響。低頻磁場屏蔽應(yīng)采用高磁導(dǎo)率材料，但需考慮磁飽和問題。

3 輻射影響

電磁輻射干擾就是干擾源通過空間傳播到敏感設(shè)備的干擾。一旦機(jī)車通過，接觸網(wǎng)有電流就會在其周圍產(chǎn)生電磁輻射干擾。此種干擾表現(xiàn)為靜電感應(yīng)與電磁感應(yīng)。在通電導(dǎo)體周圍，存在“天線效應(yīng)”，在這種效應(yīng)中，當(dāng)把一個載流導(dǎo)體作為發(fā)射天線，在它的周圍就會產(chǎn)生感應(yīng)電磁場并向外輻射一定強(qiáng)度的電磁波。同時，處于電磁場中的其他任一導(dǎo)體則被看作是一段接收天線，會產(chǎn)生一定的電動勢。正是這種效應(yīng)導(dǎo)致電子設(shè)備相互產(chǎn)生電磁輻射干擾。

電氣化鐵道產(chǎn)生的射頻輻射干擾的原因主要包括：牽引接觸網(wǎng)的火花放電；接觸網(wǎng)和受電弓滑板間離線引起電弧；電力牽引機(jī)車的換流過程；電氣化鐵道開光設(shè)備、電力機(jī)車內(nèi)電機(jī)、調(diào)壓器、開關(guān)設(shè)備在操作中的瞬態(tài)過程。電磁騷擾在室內(nèi)、軌旁、車載具有不同的強(qiáng)度，對該環(huán)境中信號設(shè)備呈現(xiàn)不同的側(cè)重點(diǎn)和形式。鐵路系統(tǒng)無線通信制式包括無線列調(diào)、模擬集群、數(shù)字集群以及鐵路專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)GSM- R等。

電磁輻射對無線通信形成干擾，射頻電磁場騷擾其頻段為數(shù)百干赫茲至1兆赫茲，射頻電磁場為遠(yuǎn)場，隨著距離增大而減小，騷擾磁場強(qiáng)度大小主要與受電弓—接觸網(wǎng)參數(shù)、列車速度等因素有關(guān)，對GSM-R等無線通信等產(chǎn)生干擾。對輻射騷擾屏蔽的機(jī)理是電磁波的反射和吸收，并不需要接地。

4 干擾信號進(jìn)入信號系統(tǒng)的途徑

電氣化鐵路的供電方式及特點(diǎn)決定了其干擾信號的類型，各種干擾信號又具有其自身的特點(diǎn)和傳輸方式，通過電纜線路將具有一定邏輯聯(lián)鎖關(guān)系的各信號控制子系統(tǒng)的室內(nèi)、外設(shè)備聯(lián)系起來，結(jié)合操作人員指令，經(jīng)過聯(lián)鎖計算形成驅(qū)動命令從而控制驅(qū)動電路，最終完成對室外設(shè)備的控制，達(dá)到確保行車安全和效率的目的。鐵路信號設(shè)備及電氣化鐵路本身的特點(diǎn)決定了干擾信號進(jìn)入信號系統(tǒng)的途徑，具體有：（1）干擾信號通過鋼軌、信號電纜、接地設(shè)備、設(shè)備外殼、設(shè)備電源等部位進(jìn)入到信號系統(tǒng)，對信號系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾。（2）牽引電流產(chǎn)生的干擾信號以空中輻射的方式，即以電磁波方式向空中輻射，對信號系統(tǒng)的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。（3）干擾源通過感應(yīng)的方式耦合到電纜等信號設(shè)備中去。

5 結(jié)語

綜上所述，對于信號系統(tǒng)而言，電氣化鐵道為強(qiáng)電系統(tǒng)，電磁環(huán)境復(fù)雜，具有高電壓大電流的特點(diǎn)，并且電力機(jī)車為非線性負(fù)載，在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量諧波成分和電磁輻射。電力牽引的供電回路是接觸網(wǎng)和鋼軌作為導(dǎo)線的非對稱供電電路，由于鋼軌對大地的絕緣程度不高，一部分電流沿大地流通，牽引電流會對沿線的信號設(shè)備直接產(chǎn)生干擾。在這種背景之下我們必須采取區(qū)分牽引電流、減少鋼軌電流的不平衡等方法，從而減少牽引電流對信號系統(tǒng)的干擾，保證鐵路運(yùn)行安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 董玉璽.電化區(qū)段如何避免牽引回流對軌道電路的影響[J].鐵道通信信號，2008（6）.

[2]梁先立.電氣化牽引電流對軌道電路干擾的探討[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2001（1）.

[3]常占寧.牽引供電系統(tǒng)與信號設(shè)備關(guān)系的探討[J]。電氣化鐵道；2007（2）.