地鐵信號系統(tǒng)計軸設(shè)備受擾分析與解決方案

楊榮兵 梁建彬 譚冠華 汪 崢

(1.成都地鐵運(yùn)營有限公司,610081,成都; 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,610036,成都)

自成都地鐵18號線場段開始接車以來,動車調(diào)試中存在以下三類因計軸設(shè)備受擾而導(dǎo)致的計軸區(qū)段異常占用情況:① 當(dāng)車輛段運(yùn)用庫內(nèi)列車升降弓時,庫內(nèi)相鄰計軸區(qū)段異常受擾占用;② 當(dāng)列車通過正線分相區(qū)時,分相區(qū)相關(guān)計軸區(qū)段異常受擾占用;③ 在施工檢修期間,接觸網(wǎng)停送電時,正線聯(lián)鎖分界點(diǎn)所在計軸區(qū)段異常受擾占用。

鑒于此,建設(shè)單位組織相關(guān)各方共同開展受擾情況排查工作,借鑒其他制式的城市軌道交通項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),對不同優(yōu)化改進(jìn)方案進(jìn)行可行性研究。本文以成都地鐵18號線為例,針對各種異常受擾場景進(jìn)行分析和測試試驗(yàn),并選擇合適的改進(jìn)方案解決計軸設(shè)備受擾異常占用問題。本文研究可為其他城市軌道交通線路信號系統(tǒng)計軸區(qū)段受擾占用問題提供計軸區(qū)段抗干擾施工建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)的工程經(jīng)驗(yàn)。

1 車輛段運(yùn)用庫計軸區(qū)段異常受擾占用

1.1 線路概況

成都地鐵18號線采用8節(jié)編組A型列車,牽引供電系統(tǒng)采用27.5 kV交流供電方式,信號系統(tǒng)采用TAZ II/S295+JC型計軸設(shè)備。該線路是集市域鐵路、遠(yuǎn)郊快線與機(jī)場專線功能為一體的復(fù)合地鐵線路。

1.2 受擾現(xiàn)象

車輛段運(yùn)用庫計軸受擾現(xiàn)象表現(xiàn)為:當(dāng)運(yùn)用庫內(nèi)進(jìn)行單車和多車升降弓時,列車停放位置前方或后方最近一個計軸磁頭受擾,導(dǎo)致列車所處區(qū)段或后方無車區(qū)段異常占用?，F(xiàn)場采集到的車輛段計軸磁頭受擾波形軟件截圖如圖1所示。

圖1 車輛段計軸磁頭受擾波形軟件截圖

1.3 受擾分析

通過現(xiàn)場核實(shí),車輛段牽引供電方式示意圖如圖2所示。由牽引變電所輸出牽引電流,經(jīng)接觸網(wǎng)、列車受電弓、列車、鋼軌及大地和回流電纜后返回牽引變電所。根據(jù)受擾現(xiàn)象的出現(xiàn)時機(jī)和現(xiàn)場采集的計軸磁頭受擾波形分析后可知,受擾原因?yàn)樵诹熊囘M(jìn)行升弓、合主斷過程中,由鋼軌上的牽引回流突變產(chǎn)生的電磁場超出了計軸系統(tǒng)對電磁場環(huán)境的閾值要求,進(jìn)而對計軸磁頭產(chǎn)生了干擾,影響了計軸磁頭的正常工作。

圖2 車輛段牽引供電方式示意圖

1.4 調(diào)查測試及解決方案

根據(jù)受擾分析可知,車輛段運(yùn)用庫計軸區(qū)段異常占用是由突變電磁場引起的,而根據(jù)計軸設(shè)備的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),并不是所有干擾都會導(dǎo)致異常計數(shù),而是當(dāng)干擾超過計軸設(shè)備工作頻率的電磁場強(qiáng)度限值時,才會異常計數(shù)。由于受電弓升降是不可避免的操作,因此從降低干擾電磁場強(qiáng)度和隔離干擾的角度考慮,結(jié)合車輛段運(yùn)用庫具有多股道并行的條件,可采用均流線和新型放大板(用于過濾干擾電流)兩種方案。

考慮運(yùn)用庫停放列車位置的不同,受干擾異常的計軸區(qū)段包含A股道、B股道及庫前區(qū)段,因此選取列車停放在28A股道和28B股道進(jìn)行升降弓操作,對以下各種情況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,并采集相應(yīng)的計軸設(shè)備數(shù)據(jù),試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果記錄表

針對采取庫前庫內(nèi)側(cè),庫中A、B股道側(cè)增加均流線,以及采用新型放大板增強(qiáng)防護(hù)能力臨時措施的不同情況,以表1的試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ),對車輛段計軸設(shè)備使用情況進(jìn)行為期22 d的長期觀察。經(jīng)分析可知:① 單獨(dú)使用新型放大板(庫前庫內(nèi)側(cè),庫中A、B股道側(cè)均不加均流線),仍存在計軸受擾占用的情況。② 僅在庫前庫內(nèi)側(cè)增加均流線時(庫中A、B股道側(cè)沒有增加均流線),庫前計軸磁頭的關(guān)聯(lián)區(qū)段未出現(xiàn)區(qū)段受擾占用的情況;庫中A、B股道側(cè)出現(xiàn)了1次區(qū)段受擾占用的情況。庫中A、B股道側(cè)增加均流線后,未再出現(xiàn)區(qū)段受擾占用的情況。③ 庫內(nèi)增加均流線,同時使用新型放大板后,庫前庫內(nèi)側(cè),庫中A、B股道側(cè)均未出現(xiàn)區(qū)段受擾輸出占用的現(xiàn)象。

庫前庫內(nèi)側(cè),庫中A、B股道側(cè)多種場景系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果表明:在計軸磁頭前后增加均流線,可以極大地降低計軸區(qū)段異常占用的概率;計軸系統(tǒng)使用新型放大板后,可以有效解決車輛段的計軸受擾問題。由于驗(yàn)證試驗(yàn)次數(shù)有限,試驗(yàn)序號3～8中,由于存在受擾情況,雖然未出現(xiàn)異常占用,但不可排除上述均流線和新型放大板的安裝方案不會出現(xiàn)異常占用情況的發(fā)生。

基于以上試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果,為有效解決此類計軸受擾問題,需在車輛段庫前庫內(nèi)側(cè)、庫中A股道側(cè)、庫中B股道側(cè)增加均流線,同時使用新型放大板,以進(jìn)一步提高計軸設(shè)備抗電磁干擾的性能。

2 列車通過分相區(qū)時的計軸區(qū)段異常受擾占用

2.1 受擾現(xiàn)象

對于27.5 kV交流牽引供電制式線路,為了實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)供電的U、V、W相序隔離,接觸網(wǎng)需要設(shè)置分相區(qū)。根據(jù)TB/T 3197—2008《車載控制自動過分相系統(tǒng)技術(shù)條件》要求,分相區(qū)中間段需設(shè)置無電區(qū)。同時,根據(jù)鐵總科技[2014]172號《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》要求,在交流供電區(qū)段接觸網(wǎng)電分相前方分別設(shè)置斷電標(biāo),列車通過分相區(qū)時需進(jìn)行斷主斷、合主斷操作。

正線列車過分相區(qū)計軸受擾現(xiàn)象表現(xiàn)為:當(dāng)列車通過分相區(qū)時,附近相鄰計軸區(qū)段出現(xiàn)異常受擾占用的情況,直接表現(xiàn)為瞬間出清后又轉(zhuǎn)為占用狀態(tài)。過分相區(qū)關(guān)聯(lián)計軸點(diǎn)受擾波形軟件截圖如圖3所示。

圖3 過分相區(qū)關(guān)聯(lián)計軸點(diǎn)受擾波形軟件截圖

2.2 受擾分析

分相區(qū)受擾現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)與車輛段受擾情況一致,當(dāng)列車通過分相區(qū)時需要斷主斷,利用列車慣性滑行通過無電區(qū)域,然后進(jìn)入下個供電分區(qū),列車合主斷,類似于車輛段停放列車降弓、升弓操作。在此過程中,列車經(jīng)過了停電、受電的過程,牽引回流存在突變并由此導(dǎo)致附近計軸磁頭出現(xiàn)異常受擾,相應(yīng)計軸區(qū)段異常占用。

正線牽引供電方式示意圖如圖4所示,其回流方式除了鋼軌和大地回流外,還通過吸上線和回流線回流。

圖4 正線牽引供電方式示意圖

2.3 調(diào)查測試及解決方案

根據(jù)受擾分析可知,分相區(qū)計軸受擾現(xiàn)象同樣是由牽引回流突變引起的,解決該問題的方案有兩種:隔離干擾方案(方案1)和消除干擾或減弱干擾強(qiáng)度方案(方案2)。

針對方案1,采用新型放大板方式,過濾干擾電流,通過10 d的觀測,未再次發(fā)生計軸區(qū)段受擾占用情況,但觀測計軸磁頭波形時,仍可以看見受擾波形的存在。

針對方案2,由于正線不具備車輛段多股道條件,無法通過多股道安裝均流線的方式進(jìn)行分流,但根據(jù)正線回流方式可知,其可通過回流線進(jìn)行分流。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),分相區(qū)上下行區(qū)間各設(shè)置有一處吸上線,且上下行鋼軌通過軌連線連通,兩吸上線間隔約為2.7 km,因此建議分相區(qū)兩側(cè)增加吸上線試驗(yàn)測試,結(jié)果表明,通過長達(dá)2個月的持續(xù)觀測,未觀測到受擾波形。

針對分相區(qū)計軸區(qū)段受擾占用現(xiàn)象,通過分析上述方案的測試結(jié)果可知:① 使用新型放大板可以有效解決列車過分相區(qū)計軸區(qū)段異常占用的情況,但不可完全隔離干擾脈沖;② 在分相區(qū)兩側(cè)增加吸上線可以有效解決計軸磁頭受擾的情況,解決了列車通過分相區(qū)時,計軸區(qū)段因計軸磁頭受擾而輸出異常占用的情況。

基于以上試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果,采取在分相區(qū)處計軸磁頭兩側(cè)增加吸上線,并使用新型放大板的方案,可有效解決此類計軸受擾問題。同時,在后續(xù)線路信號系統(tǒng)設(shè)計中,應(yīng)盡量避免在分相區(qū)布置計軸磁頭,以減少或規(guī)避類似情況發(fā)生。當(dāng)無法避免在分相區(qū)布置計軸磁頭時,應(yīng)合理考慮吸上線的設(shè)置間隔。

3 接觸網(wǎng)停送電時的計軸區(qū)段異常受擾占用

3.1 受擾現(xiàn)象

在接觸網(wǎng)停送電過程中,正線聯(lián)鎖區(qū)邊界相關(guān)計軸傳輸通道出現(xiàn)受擾現(xiàn)象,導(dǎo)致計軸區(qū)段輸出異常占用。接觸網(wǎng)停送電相關(guān)磁頭受擾波形軟件截圖如圖5所示。

圖5 接觸網(wǎng)停送電相關(guān)磁頭受擾波形軟件截圖

3.2 受擾分析

根據(jù)上述現(xiàn)象及受擾波形分析可能存在的影響因素,初步判斷為由于強(qiáng)弱電共地導(dǎo)致計軸傳輸通道受擾。經(jīng)過排查發(fā)現(xiàn),干擾信號傳輸?shù)穆窂街饕杏嬢S電纜、強(qiáng)弱電接地扁鋼、鋼軌及回流線等,經(jīng)討論后在工程現(xiàn)場對可能的干擾路徑進(jìn)行調(diào)查分析,并開展可能干擾路徑的測試排查。

3.3 調(diào)查測試及驗(yàn)證

為解決強(qiáng)弱電共地干擾問題,需確定具體干擾來源,并確定干擾源是否可以斷開共地而不影響接地電阻和等電位指標(biāo)。

3.3.1 軌旁接地情況

現(xiàn)場對區(qū)間軌旁接地情況進(jìn)行了調(diào)查,現(xiàn)場實(shí)際情況為:① 弱電側(cè)扁鋼與鋼軌約每500～600 mm連接一次;弱電扁鋼全線貫通,與設(shè)計規(guī)定的“應(yīng)每隔一定距離斷開一次”的要求不符合。② 強(qiáng)電側(cè)扁鋼全線貫通,與鋼軌約每500～600 m連接一次。③ 上下行鋼軌相隔約500～600 m橫向連接一次,且靠近強(qiáng)電側(cè)鋼軌與預(yù)留的強(qiáng)電接地樁連接。④ 信號計軸電纜約1 km進(jìn)行一次接續(xù),并在接續(xù)盒處遠(yuǎn)離室內(nèi)一端進(jìn)行單端接地,接到弱電側(cè)的扁鋼上。

分析現(xiàn)場接地情況可知,計軸設(shè)備在工作時會受到鋼軌牽引回流影響,同時還會受到由于計軸電纜、弱電側(cè)接地扁鋼、鋼軌和強(qiáng)電側(cè)接地扁鋼的共地影響。

3.3.2 接地電阻及電位差測試

為了解強(qiáng)弱電各處的接地電阻和電位差情況,進(jìn)行了接地電阻及電位差測試,如表2所示。由表2可知:弱電接地扁鋼可與鋼軌斷開連接,不影響弱電系統(tǒng)接地電阻和等電位要求;計軸電纜屏蔽層不可與弱電接地扁鋼斷開連接,斷開后接地電阻和電位差過大,不滿足計軸電纜接地電阻和等電位要求。

表2 接地電阻及電位差測試

3.3.3 測試驗(yàn)證

針對接觸網(wǎng)停送電時的計軸區(qū)段異常受擾占用現(xiàn)象,在現(xiàn)場計軸磁頭、計軸電纜和室內(nèi)設(shè)備房等安裝設(shè)備處,進(jìn)行了接觸網(wǎng)停送電過程測試,觀察區(qū)段的受擾占用情況?？紤]到強(qiáng)弱電共地關(guān)系,針對軌旁弱電扁鋼與鋼軌連接、斷開的不同情況進(jìn)行了測試。考慮到加強(qiáng)計軸區(qū)段的抗干擾能力,針對室內(nèi)設(shè)備房將計軸通道防雷模塊接地線連接、斷開的不同情況進(jìn)行了測試。對計軸防雷模塊參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,采用提高防護(hù)能力的新型防雷模塊進(jìn)行測試。

測試結(jié)果表明:① 軌旁弱電扁鋼與鋼軌連接斷開后,測試過程沒有出現(xiàn)受擾異常占用的情況,故該措施可以有效降低計軸設(shè)備的受擾程度。② 通過將計軸通道防雷模塊接地斷開(拔掉防雷模塊),可以有效降低計軸區(qū)段的受擾程度。弱電扁鋼與鋼軌連接線斷開后,接地電阻仍滿足小于1 Ω的要求;弱電扁鋼與鋼軌的電位差小于1 V,滿足等電位的要求。③ 對計軸防雷模塊參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后的新型防雷模塊方案,可有效解決此類計軸區(qū)段的受擾問題。

3.4 解決方案

基于以上試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果,可采取以下措施解決:① 優(yōu)化現(xiàn)場接地方案,將弱電扁鋼與牽引回流通路(鋼軌)的連接斷開,同時將弱電扁鋼與車站地網(wǎng)相連,以確保接地電阻滿足設(shè)計要求;② 對于27.5 kV 交流牽引供電制式線路,不建議拆除防雷模塊,對于外部環(huán)境受擾通道存在的現(xiàn)狀,仍將計軸通道防雷模塊接地,并對計軸通道防雷模塊參數(shù)進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化。

4 結(jié)語

本文通過對車輛段、正線分相區(qū)及聯(lián)鎖區(qū)邊界等交流牽引區(qū)段信號系統(tǒng)計軸設(shè)備受擾現(xiàn)象進(jìn)行分析,以及調(diào)查測試及驗(yàn)證,確定了以下三個解決方案:

1) 采取在車輛段庫前庫內(nèi)側(cè),庫中A、B股道側(cè)增加均流線,并使用新型放大板的方案。

2) 采取在分相區(qū)兩側(cè)增加吸上線,降低吸上線之間的間隔,同時使用新型放大板的方案。

3) 優(yōu)化系統(tǒng)接地方案,將弱電扁鋼與牽引回流通路(鋼軌)的連接斷開,同時將弱電扁鋼與車站地網(wǎng)相連,并將計軸通道的防雷模塊參數(shù)進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化。

通過上述方案可以有效解決城市軌道交通信號系統(tǒng)的計軸設(shè)備受擾問題,對類似交流牽引城市軌道交通信號系統(tǒng)計軸受擾問題具有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。目前,該方案已在成都地鐵13號線、18號線、19號線及成都市域鐵路S3線獲得推廣及應(yīng)用。后續(xù)線路可以結(jié)合本線特點(diǎn)采取以下措施:合理進(jìn)行計軸設(shè)備的布置,盡量避免特殊使用場景;采用抗干擾高的設(shè)備,盡量隔離干擾;強(qiáng)弱電系統(tǒng)分離,避免串?dāng)_問題。