淺談電氣化鐵路對通訊信號的影響與防護

黃麗

摘 要：電氣化鐵路采用電力牽引，較大的提高了運輸能力，同時，電力牽引也給作為弱點系統的鐵路信號設備帶來了較大的強電干擾。本文介紹了電氣化鐵路對信號系統的影響的形式及信號系統采取的防護措施。

關鍵詞：傳導；感應；輻射；防護

1 引言

電氣化鐵道的經濟效益和社會效益十分顯著。電力牽引是目前世界上最理想的鐵路牽引動力方式，高速鐵路、城際客運專線、城市軌道交通無不采用電力牽引，電氣化鐵路是現代鐵路現代化的發展方向。但是，電氣化鐵路對信號設備有強烈的電氣化干擾，電氣化對信號設備的影響主要是牽引電流對信號設備的干擾，接觸網對信號機也有所影響，還存在危險電壓對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，使電氣化區段的信號設備必須具備抗電氣化干擾的能力。隨著我國現代鐵路信號技術的發展，鐵路信號設備大量采用電子元器件，以計算機聯鎖系統和ZPW-2000系列區間無絕緣移頻自動閉塞系統為代表的現代鐵路信號系統在現場逐漸普及。但是從抗干擾的角度，如何提高更易受到干擾的站內計算機聯鎖系統以及ZP W-2000系列區間自動閉塞系統的抗干擾性，避免聯鎖計算機產生錯誤的輸出，發出錯誤的行車信號，影響行車安全，是一個很重要的問題。目前我國客運專線、高速、已經直接影響到鐵路運輸的安全與效率。

2 電氣化牽引供電對信號設備影響的原因及其分類

與電氣化鐵路系統相比，信號設備在電氣化鐵路中處于從屬被動的地位。電氣化鐵路屬于強電系統，它具有這么幾個特點：（a）額定電壓高，可達25kV；（b）牽引電流可達到數百安培甚至上千安培；（c）電力機車為非線性負載，在整流換相和運行過程中會產生大量諧波成分等特點。這些特點構成了電氣化鐵路對信號設備干擾的基本原因。從干擾的種類來說，可分為傳導、感應、輻射三種形式，具體影響可分為以下五類：

（1）傳導性干擾

傳導性干擾即牽引電流不平衡干擾，它是電氣化鐵路對軌道電路干擾的主要原因。信號設備和牽引電流共用鋼軌這個通道，由于鋼軌阻抗、接續線電阻、對地漏泄、扼流變壓器線圈對稱度不同等因素，往往是流經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產生一個感應電動勢，它的大小相當于扼流變壓器一次側半個線圈中流有一個大小為兩個鋼軌電流差的電流在次級線圈中的感應值，這個差值能使扼流變壓器升壓，電壓升到一定程度就會使軌道繼電器誤動。衡量不平衡電流的參數是不平衡系數，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，則不平衡系數為：k =（I1-I2）/（I1+I2）×100%。

（2） 容性耦合

接觸網電壓為25kV，當強電線上有一對地電壓存在時，由于受擾設備（如通信線）與大地之間有電壓，強電線與通信線之間就會有電容耦合，因此必然有電流自強電流分流入受擾設備，產生靜電感應電動勢，從而形成容性耦合。靜電場的強度與電流大小以及與受擾物的距離有關。

（3） 感性耦合

牽引電流可達數百安培甚至上千安培，當強電線（接觸網）中有電流通過時，由于強電線與受擾設備之間有耦合電感（互感），因此，受擾設備中會產生感應縱向電動勢，從而形成感性耦合。感性耦合不僅與接觸網電流的大小有關，還與接近的距離、接近的長度有關。

（4） 輻射性影響

受電弓與接觸網接觸，當受電弓升降弓、過分電段、開關其主斷電路以及駛過有硬點的接觸網時，會使牽引網中產生大的沖擊電流。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信號在幾個周期內被削弱，從而使軌道繼電器誤動。另外，受電弓與接觸網離線時會產生電火花，引發無線電干擾脈沖，從而影響到無線通信的質量。

（5） 阻性耦合/地電位影響

牽引回流通過鋼軌與大地之間漏導入地，使附近的大地電位升高，在大地中雜散電流會對通信電纜等產生影響。接觸網短路時，瞬間電流很大，地電位明顯升高，會對設備或人身安全造成隱患。

3 信號設備采取的措施

不同的信號設備對不同類電氣化干擾的反應不同，因此，具體的信號設備所采取的措施各不相同。如對軌道電路，主要考慮的是傳導性干擾，而對于傳輸電纜主要關注的是容性干擾、感性干擾。下面就幾種具體信號設備所采用的措施進行探討。

（1） 25Hz軌道電路

25Hz軌道電路主要是傳導性干擾，即牽引電流不平衡所引起的干擾。牽引電流不平衡對25Hz軌道電路影響主要有兩個途徑：一是由不平衡電流所產生的脈沖電流的波形是上下半波不對稱的近似正弦波形，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元件發生此飽和，從而導致軌道電路中傳輸的25Hz信號電流產生陷落現象；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形成25Hz衰減振蕩，與原有的25Hz信號可能相加（同相時），相減（反相時），從而使軌道電路發生誤動。

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度；

（b）在扼流變壓器次級加繞抗干擾線圈，并加裝適配器；

（c）設計LC電路使其對25Hz產生并聯諧振、增強信號。

（2） ZPW-2000所采取的措施

ZPW-2000的前身是法國的UM71，它是九十年代引進并國產化的一種無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，具體如下：

（a）線圈選擇：采用空心線圈對于50Hz牽引電流阻抗特別小，相當于斷路，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，還有相應的奇次諧波、偶次諧波。從能量分布來看，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）調制方式：ZPW-2000選擇角度調制，角度調制的抗干擾優于幅度調制，傳輸過程中不易受到干擾。

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

（3） 計算機連鎖，集中調度，列控中心等電子設備所采取的措施

電氣化鐵路對于電子設備的影響主要是電磁輻射、電磁感應、地電位等方面的影響，對于這些問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源。根據鐵道部鐵運〔2006〕26號文件，對于微機房、機械室應進行屏蔽，其中包括微機房的天花板、各個墻面和門窗；所有的電子設備在上道前都要進行電磁兼容的實驗，實驗達到標準才能上道。

4 結語

在鐵路這個大系統中，強電系統和弱電系統共存，為了鐵路運輸的安全、高效，作為強電系統的牽引供電與作為弱電系統的通信、信號系統均應更加主動的采取有效的防護措施，防止電氣化對鐵路通信、信號設備進行干擾，保證鐵路運輸和諧、安全、高效、快速的發展。

參考文獻

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