市域快軌信號計軸設(shè)備受擾故障案例分析與對策研究

朱發(fā)林，吳沛軒，孫曉偉

近年來，軌道交通已成為我國新型城鎮(zhèn)化建設(shè)中，引導(dǎo)城市群空間形態(tài)布局的重要力量和促進城市群發(fā)展的基礎(chǔ)條件。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和技術(shù)水平的提升，創(chuàng)建以干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通“四網(wǎng)融合”為特征的綜合立體軌道交通網(wǎng)絡(luò)，已成為軌道交通領(lǐng)域發(fā)展趨勢。廣州地鐵18 號線是國內(nèi)首條運行時速達160 km 的全地下市域快軌線路，在設(shè)備選型上與地鐵和國鐵均有一定區(qū)別。信號控制設(shè)備采用地鐵的基于通信的列車信號控制系統(tǒng)（CBTC）；車輛方面選用類似高鐵列車的市域D型動車組；牽引供電系統(tǒng)采用交流25 kV 替代傳統(tǒng)城市軌道交通直流1.5 kV 供電，以提高市域鐵路的供電效率和驅(qū)動力。隨著供電制式改變和電壓等級的提升，牽引電流會達到數(shù)百安培甚至上千安培［1］，如此大功率非線性整流逆變過程往往會帶來非常豐富的諧波電流［2］，而牽引回流產(chǎn)生的雜散電流及高速時弓網(wǎng)離線產(chǎn)生的燃弧會對計軸設(shè)備正常工作造成影響；同時，高速運行的列車對計軸傳感器的安裝穩(wěn)固性也提出了更高的要求。因此解決市域快軌在交流25 kV 牽引制式下的電磁干擾問題和提升計軸傳感器安裝穩(wěn)定性就成為亟待研究的課題。

鄭儆醒等［1］對溫州S1 線25 kV 牽引電流產(chǎn)生的干擾諧波電流進行分析，通過在計軸傳感器安裝點位置增加接地線，使干擾諧波電流提前通過接地線釋放到大地，避免對計軸傳感器的干擾；王一搏［3］、蔣晶等［4］、付麗等［5］對牽引傳動過程、牽引回流等外部環(huán)境的電磁兼容性進行技術(shù)分析，并從計軸尾纜布線方式、接地屏蔽處理方面給出解決思路。由于以上研究多從設(shè)備接地和外部屏蔽干擾方面給出解決方案，而對如何提升計軸設(shè)備自身可靠性研究較少，因此本文結(jié)合市域快軌計軸設(shè)備的特點，從外部環(huán)境、自身抗干擾能力、安裝方式等多方面提出提升計軸設(shè)備可靠性的優(yōu)化方案。

1 ARTJZ-2A型計軸設(shè)備原理

廣州地鐵18 號線采用國產(chǎn)ARTJZ-2A 型計軸設(shè)備進行占用/出清檢測。ARTJZ-2A 型計軸設(shè)備由計軸傳感器、計數(shù)單元、通信單元、主機單元等模塊組成。室外計軸傳感器采用雙傳感器冗余布局，計軸區(qū)段中任意一個傳感器故障的情況下，區(qū)段仍可以采用四取三容錯計算方式，保證計軸區(qū)段可以正常工作，系統(tǒng)設(shè)計整體具有較高的可靠性和可用性。

計軸傳感器設(shè)計有2 個接收線圈［6］，通過2 個接收線圈探測輪對的輪緣以電流形式輸出2 個方波計數(shù)信號SIG1、SIG2，根據(jù)車輪經(jīng)過傳感器2 路信號的時間差值即可判定列車的行駛方向。計數(shù)單元對來自計軸傳感器的計數(shù)信號進行計數(shù)和輪對行駛方向判定；通信單元負責(zé)接收室外計數(shù)單元發(fā)送的計數(shù)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至計軸主機單元；計軸主機單元通過記錄計軸傳感器的輪對數(shù)，實現(xiàn)相應(yīng)軌道區(qū)段占用和出清狀態(tài)的判定、計軸區(qū)段的復(fù)位、故障判斷等功能。計軸設(shè)備原理見圖1。

圖1 國產(chǎn)ARTJZ-2A型計軸設(shè)備原理

2 電磁干擾分析

廣州地鐵18 號線采用25 kV 交流牽引的供電制式，架空剛性接觸網(wǎng)供電。由牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾源主要有2 個方面：一是牽引電流回流產(chǎn)生的雜散電流干擾；二是列車升弓運行時弓網(wǎng)離線燃弧干擾。這2 類干擾都可能造成計軸傳感器發(fā)生故障，在信號系統(tǒng)人機界面上顯示出計軸區(qū)段干擾［7］。

2.1 雜散電流電磁干擾分析

市域鐵路的牽引電流由牽引變電所出發(fā)，經(jīng)由饋電線→接觸網(wǎng)→受電弓→電力機車→鋼軌或大地→回流線→牽引變電所，形成閉合回路。實際應(yīng)用時鋼軌與大地間存在泄漏電導(dǎo)（雜散電流），使部分牽引電流先流入大地，再通過大地回流到牽引變電所。雜散電流在流經(jīng)大地時會引起鋼軌電位的變化，且鋼軌電位越高，流向大地中雜散電流就越大，越容易對軌旁信號設(shè)備產(chǎn)生感性、阻性耦合干擾。

廣州地鐵18號線開通后，折返站岔區(qū)計軸傳感器頻發(fā)故障，經(jīng)示波器監(jiān)測傳感器輸出電流（圖2）可以看出，輸出電流的方波信號中存在較多的干擾毛刺雜波，說明計軸傳感器在工作過程中受到外界電磁干擾，產(chǎn)生了不規(guī)則圖形，無法識別有效的輪軸脈沖信號及車輪方向［7］。根據(jù)電磁干擾原理，當(dāng)感應(yīng)電流產(chǎn)生功率大于傳感器工作功率時，傳感器正常的工作信號會被淹沒，無法正常解析，造成計軸設(shè)備判斷軸數(shù)無效或?qū)虬踩珎?cè)。進一步排查周邊環(huán)境，發(fā)現(xiàn)該位置在變電所向線路供電的注入處，且此處軌電位電壓高于其他區(qū)域，因此判斷該位置存在較大不均衡牽引回流，造成道床雜散電流功率過高［8］，從而擾動計軸傳感器正常工作。

圖2 示波器采集故障時輸出電流波形

2.2 弓網(wǎng)離線燃弧電磁干擾分析

列車高速運行時，電力機車通過受電弓以滑動接觸的方式從接觸網(wǎng)上獲取電能，受流過程中電力機車受電弓與接觸網(wǎng)始終進行連續(xù)的機械運動。受電弓因電力機車影響在豎直方向上振動，并在水平方向左右擺動，同時接觸網(wǎng)也不斷抖動，造成弓網(wǎng)間難以保持良好的接觸，特別是在列車過分相時更易發(fā)生弓網(wǎng)離線，而弓網(wǎng)離線的間隙會發(fā)生火花放電，引起電弧，導(dǎo)致強電磁脈沖噪聲發(fā)射。弓網(wǎng)離線產(chǎn)生的電磁噪聲為瞬變噪聲，其頻率高、覆蓋范圍廣，已成為市域鐵路中最為嚴(yán)重的干擾源之一。弓網(wǎng)離線產(chǎn)生的電磁干擾會在車體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，進而引發(fā)二次輻射，干擾軌旁信號設(shè)備。

廣州地鐵18 號線列車高速行駛時同樣會出現(xiàn)明顯弓網(wǎng)離線燃弧現(xiàn)象。經(jīng)過查閱相關(guān)剛性接觸網(wǎng)設(shè)計規(guī)范，架空剛性接觸網(wǎng)適用于時速不大于160 km 的交流25 kV 牽引制式線路，160 km/h 運行速度已經(jīng)是剛性接觸網(wǎng)的工作極限，因此要解決弓網(wǎng)燃弧造成的計軸干擾問題，還需進一步研究如何提高自身計軸設(shè)備的抗干擾能力。

3 計軸傳感器安裝穩(wěn)固性分析

計軸傳感器安裝在工字軌內(nèi)側(cè)，采用支架安裝方式，固定螺絲均采用防震防松結(jié)構(gòu)。計軸傳感器安裝完成后，其頂部不能進入軌面下部，距鋼軌側(cè)面距離應(yīng)在0～3 mm，一旦超出該范圍，就會出現(xiàn)計軸輸出電流波形異常，嚴(yán)重時造成計軸設(shè)備無法正常工作，產(chǎn)生故障。

經(jīng)統(tǒng)計，列車高速運行區(qū)域發(fā)生計軸設(shè)備故障占比較大，主要原因是高速列車振動，使計軸傳感器位置發(fā)生偏移，傳感器與鋼軌之間的距離不滿足“計軸傳感器距離鋼軌間隙0～3 mm”的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)生故障時，計軸傳感器和鋼軌趨于貼合狀態(tài)，輸出的空閑、占用電流參數(shù)產(chǎn)生變化，影響計數(shù)功能。

4 計軸設(shè)備可靠性研究

4.1 解決道床雜散電流問題

JZ2102計軸傳感器故障有2個特點：一是故障計軸點位置處于牽引供電回流注入變電所的前方，牽引回流電位相對較高；二是故障傳感器集中在圖3 所示的沒有連接牽引回流線的2 號計軸傳感器處，而安裝牽引回流線的1 號計軸傳感器運行較為穩(wěn)定。由此分析得出，列車車輪靠近或經(jīng)過2 號計軸傳感器時，2 號傳感器處的牽引回流可能存在回流不暢，計軸輪對脈沖信號出現(xiàn)大量的雜波干擾，兩軌之間的電位差越高，雜波信號越強。因此，提出在JZ2102 傳感器前方增加均流線的方法［9］，將傳感器前方的牽引回流分流到另外一側(cè)鋼軌流向等電位排，減少通過JZ2102 流入道床的雜散電流，從而達到減少計軸設(shè)備受擾的目的。

圖3 加裝均流線解決道床雜散電流

按照圖3所示位置安裝均流線后，JZ2102計軸傳感器受干擾問題得到徹底解決。此外還需排查均流線、回流線的安裝牢固性，如果存在虛接，同樣會造成道床雜散電流過高，影響計軸設(shè)備的正常工作。

4.2 優(yōu)化計軸設(shè)備出清占用判斷邏輯

通過對計軸設(shè)備故障的漏軸數(shù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，計軸設(shè)備發(fā)生漏1軸的故障占比達到89%，如能解決該問題，將大幅度提升計軸設(shè)備的可靠性。

根據(jù)原設(shè)計的計軸區(qū)段出清、占用邏輯，進出區(qū)段的軸數(shù)必須完全一樣，信號系統(tǒng)才能判定該區(qū)段出清，一旦出現(xiàn)漏軸，必然會發(fā)生計軸設(shè)備故障。因此，如需減少偶發(fā)漏軸問題造成的設(shè)備故障，需提升計軸設(shè)備的容錯能力，允許偶發(fā)性的漏軸。依據(jù)《鐵路信號計軸設(shè)備通用技術(shù)條件》（TB/T 2296—2019）4.4 章節(jié)C 項內(nèi)容：“利用其他特定安全條件，應(yīng)區(qū)分正常行車和外界干擾，并應(yīng)消除±1軸的外界干擾”［10］。對計軸設(shè)備出清、占用邏輯進行優(yōu)化，修改計軸主機出清、占用判斷邏輯軟件，使計軸點在受到干擾（±1 軸）時，仍可按照列車駛離方向依次出清，不再發(fā)生計軸故障。該措施在全線實施后有效降低了計軸設(shè)備的故障率，提升了信號計軸設(shè)備可靠性。

4.3 提升計軸設(shè)備自身的抗干擾能力

計軸設(shè)備本身具有濾除一定干擾波形的能力。濾波參數(shù)設(shè)定原則是產(chǎn)生的雜亂波信號寬度大于1 ms時，會導(dǎo)致傳感器受干擾而無法正常計數(shù)。通過對監(jiān)測的干擾波形數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的干擾波形99%以上都在2.5 ms 以內(nèi)，因此現(xiàn)有計軸設(shè)備無法有效濾除所有弓網(wǎng)離線燃弧產(chǎn)生的電磁干擾。計軸設(shè)備設(shè)計之初是依據(jù)列車速度不高于800 km/h而設(shè)定濾波間隙參數(shù)為1 ms，即對1 ms 以內(nèi)的干擾可以有效濾除。

根據(jù)列車最高運行時速具體計算公式

式中：V1為原濾波參數(shù)下允許列車通過的最高車速；V2為新濾波參數(shù)下允許列車通過的最高車速；T1為原濾波參數(shù)時間間隙；T2為新濾波參數(shù)時間間隙。因此可以根據(jù)波形數(shù)據(jù)統(tǒng)計，將濾波間隙調(diào)整為2.5 ms［11］，可適應(yīng)最高車速為320 km/h，同樣滿足市域快軌160 km/h 車速的運行要求，并可以將99%以上的干擾波形濾除。

對廣州地鐵18 號線全線計軸設(shè)備濾波參數(shù)進行調(diào)整，調(diào)整前后的干擾濾波波形見圖4?？梢娪嬢S設(shè)備只有接收到大于2.5 ms 以上的干擾波形，才會影響正常計數(shù)。該措施實施后有效解決了因弓網(wǎng)離線燃弧造成的計軸干擾問題，列車高速運行時的計軸傳感器受干擾故障明顯減少，提升了計軸設(shè)備的可靠性。

圖4 濾波參數(shù)優(yōu)化前后濾波圖形

4.4 加強傳感器安裝穩(wěn)固性

為提升計軸傳感器的安裝穩(wěn)固性，對其安裝結(jié)構(gòu)提出如下改進措施。

1）安裝螺絲涂抹螺紋緊固劑。列車高速經(jīng)過傳感器上方容易造成螺絲松動，使傳感器與鋼軌間隙縮小。通過涂抹螺紋緊固劑再緊固安裝，可有效提升傳感器安裝緊固性。

2）切除部分計軸尾纜安裝時加裝的防護管。計軸尾纜安裝時一般套有硬度較高的防護管，列車產(chǎn)生的振動會造成防護管擠壓傳感器，導(dǎo)致傳感器位置產(chǎn)生變化。切除部分傳感器尾纜防護套管后，可極大地改善傳感器受擠狀態(tài)。

3）增加固定螺絲。固定傳感器的螺絲為單螺絲，存在單軸轉(zhuǎn)動造成傳感器與鋼軌之間間隙縮小的可能。在傳感器側(cè)面額外加裝一組螺絲，增加傳感器的安裝緊固性，進一步提高傳感器安裝可靠度。

4）固定螺絲使用防松螺母。通過增加放松螺母進一步提高傳感器的安裝穩(wěn)固性。

5 結(jié)束語

因在設(shè)計階段對計軸設(shè)備能否有效適應(yīng)市域快軌線路交流25 kV 牽引制式下高強度電磁環(huán)境，以及高速列車振動環(huán)境等認識不足，致使廣州地鐵18 號線開通之初，信號計軸設(shè)備受外界電磁干擾問題和計軸傳感器自身安裝緊固性問題影響，應(yīng)用可靠性較低。通過采取在回流點加裝均流線，優(yōu)化計軸設(shè)備出清、占用判斷邏輯，調(diào)整計軸設(shè)備的濾波參數(shù)，加強計軸傳感器安裝緊固性等具體改進措施后，計軸設(shè)備故障明顯減少，設(shè)備可靠性明顯提升。隨著我國軌道交通發(fā)展加速，市域快軌線路交流25 kV 牽引制式下，信號系統(tǒng)采用計軸設(shè)備作為列車區(qū)段占用/出清檢查手段的項目案例會越來越多，本文研究成果能夠為后續(xù)類似線路的設(shè)計提供有益的參考和借鑒。