電氣化鐵道區段信號設備電磁兼容性分析

羅明玉

摘要：本文通過對電氣化鐵道區段信號設備所受電磁干擾的原因進行分析，提出相應抑制措施，討論相關電磁兼容性問題。

關鍵詞：電氣化;牽引電流;電磁兼容;電磁干擾

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）08-0243-02

隨著鐵路運輸的快速發展，我國鐵路正向著高速鐵路、重載運輸的方向發展，鐵道信號開始大量應用微電子、現代通信、自動控制和計算機等技術，系統主要由信息和通信設備構成，趨向小型化、數字化和低功耗化。主要表現在：一方面，電子設備組成更加復雜，微電子器件工作頻率、通信速率越來越高，而功耗、工作電壓和電流逐漸降低，即信號更加敏感;另一方面，列車高速度、高密度和重載的發展又會帶來牽引功率和電流的增加，可能導致電磁環境更加惡劣。電力牽引是一種有軌運輸牽引動力形式，利用電能作為牽引動力，驅動鐵路列車、電動車組和城市電動車輛等有軌運輸工具的運行。按牽引網供電制式不同，分為工頻單相交流制、低頻單相交流制（歐洲：162/3Hz）和直流制。我國鐵路采用工頻單相交流制（50Hz/ 25kV）電力牽引，直流制電力牽引僅用于地下鐵道、城市交通輕軌運輸系統和工礦運輸系統。牽引供電回路是由牽引變電所—饋電線—接觸網—電力機車—鋼軌—回流聯接—（牽引變電所）接地網組成的閉合回路。

一、電磁干擾的機理及分析

1.牽引電流不平衡性產生的干擾。電力牽引區段的兩條鋼軌，既作為軌道電路的通道傳輸信息，也作為牽引電流的回流通道。這兩種不同性質的電流在同一鋼軌線路中傳輸，牽引電流對干擾軌道電路的正常工作帶來很大影響。

不平衡電流：在同一時刻，兩條鋼軌中牽引電流的差值。

ΔI=I -I ？搖

不平衡系數：鋼軌不平衡電流與總電流的比值（%）。

K=ΔI/I +I ？搖×100%

對于同一區段，不平衡系數k并不是一個恒定的常數，而是牽引電流、大地電導、鋼軌阻抗以及牽引網類型等的函數。對有絕緣軌道電路和無絕緣軌道電路均產生干擾。

以有絕緣軌道電路的電磁干擾為例：當從BE的鋼軌連接端流入的牽引電流不相等時，耦合到扼流變壓器次級的磁通不能完全抵消，則形成干擾。

扼流變壓器BE匝數比為1∶3，假定BE為理想變壓器，且工作于磁化曲線線性區，當不平衡電流20A時，半線圈50Hz阻抗取1Ω，則在半個線圈上產生的干擾電壓為20V，在二次線圈即信號側對應的干擾電壓將達120V。按照軌面信號電壓1V考慮，干擾電壓遠大于信號電壓。不平衡電流形成干擾機理：鋼軌（及扼流變壓器等）是牽引電流和軌道電路信號電流的共同通道，具有共阻抗耦合的特點。按照通信傳輸線的方式來類比，信號電流是差模電流，而牽引電流則是共模電流。在一定條件下，共模電流將轉化為差模干擾，形成傳導性干擾即鋼軌中不平衡牽引電流，影響設備工作。造成不平衡的原因為縱向和橫向不平衡，縱向不平衡是指沿著鋼軌方向的不對稱因素，如：由于長度差異或因接觸電阻等引起接續線阻抗不同側鋼軌斷裂等帶來的鋼軌阻抗不同、扼流變壓器一次線圈或空心電感（SVA）不對稱、與鋼軌連接線長度不相等;橫向不平衡是指兩側鋼軌對地不平衡，如兩側對地漏泄電導不同、接觸網桿塔地線或電纜護套等與一側鋼軌連接引起對地漏泄電流不同。另外，還涉及列車長度及運行時與鋼軌的接觸阻抗等動態因素。

2.工頻磁場和射頻對信號聯鎖設備的干擾。某站計算機聯鎖設備的工作環境如圖所示，電力加強線用來為電力機車供電。電磁干擾現象是：位于運轉室的控制臺CRT顯示屏幕經常出現嚴重抖動，致使圖像和文字無法辨認，影響值班員操作和運輸。原因分析：顯示器顯像管中的高速電子束在幀偏轉線圈和行偏轉線圈磁場的共同作用下以掃描形式轟擊顯示屏，產生圖像顯示。如顯示器周圍存在其他外部磁場，同樣會影響電子束的軌跡。由于圖像是每秒50幀，所以50HZ的工頻磁場是產生圖像抖動的主要原因。而周圍高頻電磁場、顯示器電源中的瞬變脈沖等干擾因素可能通過各種途徑影響視頻信號，使屏幕顯示出現同步不穩、滾動、雪花、亮條等現象，但不會出現顯示字符和線條的抖動。

3.無線集群電話干擾信號設備。在機械室ZPW-2000A無絕緣軌道電路接收器附近使用無線對講機時，射頻干擾引起軌道繼電器錯誤落下，軌道電路出現“紅光帶”。另外，現場也再現過使用400MHZ手持電臺時，引起聯鎖控制臺上鼠標移動甚至錯誤操作的現象;使用150MHZ或230MHZ電臺時，射頻輻射對車載信號造成干擾。原因分析：目前鐵路行業用于集群移動通信的頻段主要在400MHZ和800MHZ頻段，手持終端對講機的功率范圍為0.5～5W。根據單點騷擾源的功率和場強之間的關系，GB/T17926.3提供的便攜式收發機由功率P在VHF（米波）和UHF（分米波）頻段場強E的計算公式：E= = ，式中，d為到源的距離（遠場區），單位m。可得距離為0.5m處的場強值：0.5W時為4.24V/m，5W時為13.42V/m。如果距離更近，再疊加其他射頻成分，則騷擾場強更大。而信號設備射頻輻射的抗擾度限值（等級3）為10V/m。由于軌道電路接收器采用基于數字信號處理器（DSP）的技術，因而當輻射干擾對邏輯電路、時鐘電路或其他數字信號時，造成兩路輸出不一致，使繼電器落下，導向安全。

二、抑制和防干擾措施

1.牽引電流不平衡性抗干擾措施。①減少兩鋼軌間不平衡電流，必須改善兩鋼軌的縱向電導的不平衡性，平衡由于長度差異或因接觸電阻等引起接續線阻抗不同側鋼軌斷裂等帶來的鋼軌阻抗不同、扼流變壓器一次線圈或空心電感（SVA）不對稱、與鋼軌連接線長度不相等;做好由于施工過程所造成的因兩側鋼軌對地不平衡，如兩側對地漏泄電導不同、接觸網桿塔地線或電纜護套等與一側鋼軌連接引起對地漏泄電流不同等工作。②加強對軌道電路設備的防干擾措施。扼流變壓器是電化區段導通牽引電流和傳遞軌道電路信息、匹配軌道電路送受電端的主要任務。選擇與最大牽引電流相匹配的高容量扼流變壓器能起到有效防護的作用，扼流變壓器容量的確定取決于鋼軌電流的大小，鋼軌牽引電流的大小則與供電方式、大地傳導、鋼軌阻抗等因素有關。采用非工頻軌道電路（如25HZ相敏軌道電路、移頻軌道電路等），與50HZ牽引電流相區分開，以防護牽引電流的干擾;軌道電路受電端軌道繼電器線圈并接防護盒，濾除50HZ不平衡電流的基波及諧波成分，并保證軌道電路信號電流衰耗很小;改善扼流變壓器的磁滯結構，采用開氣隙扼流變壓器，使其鐵芯不易飽和，工作于線性特性區域，提高瞬態脈沖電流的沖擊能力。

2.工頻磁場和射頻干擾引起聯鎖控制臺顯示器圖像抖動的抑制措施。經過實際測試記錄的最大磁場為138mGs，而CRT顯示器滿足磁場強度為1A/m（磁感應強度為12.6mGs）的要求。①采用抗工頻磁場干擾性能強的CRT或液晶顯示器，其工頻磁場抗擾度試驗等級應達到三級以上，具有功能或性能暫時降低或喪失，但需操作者干預或系統復位以上防護能力。②去除干擾源。結合變電所的整改工程，取消電力加強線，或將該線移到遠離信號樓的地方。③信號樓采用屏蔽或顯示器加屏蔽罩，屏蔽效能應能達到20～30dB。由于低頻磁場不易屏蔽，加之不能遮擋屏幕，所以在屏蔽材料、尺寸、開口方向、孔隙安排等方面做周密考慮。

3.無線集群電話干擾信號設備的抑制措施。在微電子設備附近，應限制大功率無線通信設施或器材的使用，同時信號設備工作場所應考慮射頻源的影響，設備本身應采取屏蔽及濾波等措施。

通過分析電磁干擾對信號系統的影響，對于不同的信號設備，應從干擾能量和影響嚴重性的角度出發，重點關注的干擾種類也有所不同。如：對于軌道電路，我們最為關注第一類干擾，即傳導性干擾;對于信息傳輸電纜，我們最為關注第三、第四類干擾，即電容耦合的電場干擾和電感耦合的磁場干擾。因此，信號抗干擾技術研究應當建立正確的指導思想，重點考慮建立信號系統EMC設計理念，包括：①整個鐵路系統與外界的電磁關系。②信號系統與鐵路內部其他系統的兼容。③在同一環境中的各個信號設備之間的兼容。④信號設備自身的EMC設計。同時還應加強管理，對于信號設備，尤其是微電子設備的EMC設計，應該實行過程化的電磁兼容管理，對設備進行全生命周期（life cycle）設計。簡單地說，從設計、研發、測試、生產、質量監督、使用維護、監測記錄等各個環節，均涵蓋電磁兼容的相關內容及要求，直到設備生命周期結束。

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