牽引諧波、供電回流系統對ZPW-2000A軌道電路的影響及防護

楊曉鋒

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

牽引諧波、供電回流系統對ZPW-2000A軌道電路的影響及防護

楊曉鋒

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

隨著高速鐵路及客運專線的大量建設，電力機車、供電回流系統日益復雜，對ZPW-2000A軌道電路產生的干擾也越來越多。對兩起現場案例進行詳細描述，分析干擾產生機理并提出解決方案。

ZPW-2000A軌道電路；牽引諧波；頻率干擾

ZPW-2000A軌道電路目前全路裝備約10萬km，隨著近年來機車類型的升級換代及回流系統的影響，軌道電路出現隨列車運行下的工作電壓波動或受干擾情況。

1 現場案例分析

1.1供電回流諧波耦合至鋼軌線路造成軌道電路被載頻干擾

某線聯調聯試期間，檢測車對ZPW-2000A軌道電路區段檢測出2 600 Hz干擾信號，且干擾信號幅度很大，導致動檢車在該區段運行時，出現掉碼情況。內燃機車連掛的檢測車對該區段檢測時，未檢測出相關信號干擾。動檢車檢測出的干擾如圖1所示。

圖1　區段受載頻干擾圖

現場進行調查，軌道電路工作正常，鋼軌線路不存在不平衡現象，排除區段受到鄰線、鄰區段、電纜串音干擾等情況，常態下未在線路上測試到2 600 Hz干擾信號。被干擾區段鋼軌線路外側發現與線路并行長度約150 m的供電電纜。

利用動車拉動試驗時間段，在區段室內送、受端電纜側進行信號采集測試。查看采集信號的頻譜，未見軌道電路送、受電端通道內存在2 600 Hz信號侵入情況。排除了干擾信號侵入軌道電路送、受電端通道的情況。現場供電電纜布置如圖2所示。

圖2　現場供電電纜設置

在軌面、供電電纜上進行信號采集測試，有如下情況：

1）內燃檢測車通過時，無干擾信號出現，信號采集如圖3所示。

2）電氣化檢測車通過本區段或其鄰線時，均在區段軌面及電力電纜上采集到相同的干擾信號，且信號同時出現、頻率相同、變化情況一致。信號采集如圖4所示。

圖3　內燃機車運行時無干擾信號

圖4　電力機車運行時的干擾信號頻譜曲線

3）干擾信號頻率為2 550～2 650 Hz的幅度較高。

因此，供電電纜上產生與軌道電路頻段相近的諧波耦合至鋼軌線路，車載接收后錯誤判斷，致使軌道電路發生頻率干擾情況。

1.2牽引回流諧波高頻分量不平衡引起軌道電路電壓波動

某站內道岔區段使用ZPW-2000A一體化軌道電路，有道岔區段在股道發車時，出現軌出電壓波動現象。軌出電壓呈振蕩波動狀態，隨列車遠離后，波動消失。軌出電壓波動如圖5所示。

圖5　電壓波動截圖

對比接收端電纜側電壓和軌出電壓的變化情況，接收端電纜側電壓未出現明顯上升現象，因此，可認為是軌道電路接收端通道受到干擾。

在室外回流通道中的扼流變壓器上對牽引電流和軌面電壓的諧波成分進行采集，得到不同車輛發車時牽引電流的頻譜。

運行車輛類型為380B、380BG、380BL、380CL、380D重聯和CRH2C共6種，截取典型的牽引電流頻譜如圖6、7所示。

圖6　380BG型發車時的牽引電流頻譜圖

圖7　380D 型發車時的牽引電流頻譜圖

如圖6、7顯示，動車組運行時會產生牽引諧波，各種車型諧波含量和分布均不同，其中380B（G/L）型車諧波含量最少，380C及CRH2C含有較大的低次諧波，而380D型車則含有大量的3～4 kHz、6～8 kHz諧波。流經受端扼流引接線的牽引電流低次諧波基本一致，是平衡的，而高頻諧波（2 kHz以上）有不平衡的現象。

軌面電壓的高頻諧波分量與不平衡的牽引電流高頻諧波分量成對應關系。當諧波中含有4 150 Hz 或8 150 Hz頻率時，就造成軌出電壓波動。

2 原因分析

2.1諧波耦合干擾

當鋼軌回路處于外界信號交變磁場時，會在鋼軌回路中產生耦合信號電流，如圖8所示。

圖8　諧波信號耦臺干擾原理圖

機車輪進入軌道電路頻段的諧波耦合回路范圍內對鋼軌分路時，產生分路電流，電流大小超過車載接收門限值后出現軌道電路受到干擾情況。

2.2諧波頻率干擾

采樣定理（sampling theory）：若連續信號x（t）是有限帶寬的，其頻譜的最高頻率為fc，對x （t）進行采樣時，若保證采樣頻率fs≥2fc；那么，可由x（nTs）恢復出x（t），即x（nTs）保留x（t）的全部信息。

采樣定理是由奈奎斯特（Nyquist）和香農（Shannon C.E.）分別于1928年和1949年提出的。該定理指出對信號采樣時必須遵循的基本原則：對實際信號x（t）進行采樣時，首先要確定其最高截止頻率fc，以確定大于2fc的采樣頻率fs。也就是說，當采樣頻率為fs時，其能最高分辨的信號頻率便是采樣頻率的一半，即fs/2。而如果fs/2低于待分析信號中的頻率分量，則會出現頻率“混疊”現象。

ZPW-2000A軌道電路監測設備的采樣頻率fs=6 150 Hz，能夠分辨出的最高信號頻率為fc=fs/2=3 075 Hz，這對于1 700～2 600 Hz的移頻信號能夠準確采集。但是，當信號通道中疊加有高于fs/2頻率的諧波信號時，監測設備便不能對這些高頻信號頻率進行真實分辨，而是將其誤認為3 075 Hz以內的信號，從而產生頻率混疊，造成監測曲線出現波動情況。

根據計算可得出ZPW-2000A軌道電路各載頻頻段可混疊高頻頻率，如表1所示。

表1　可混疊高頻頻率列表

3 解決方案

3.1對外部耦合的防護

1）加強專業溝通，在設計、施工層面杜絕。

2）對干擾源加裝屏蔽措施，減少干擾值。

3）減小鋼軌線路與外部干擾信號發射源間的并行長度，降低干擾值。

案例中，現場通過對供電電纜外側加裝鐵板作為屏蔽，并良好接地后，該區段干擾信號明顯降低。加裝屏蔽措施后的動檢車檢測結果如圖9所示。

圖9　加裝屏蔽措施后的檢測結果

3.2諧波頻率的防護

1）制定機車牽引諧波范圍的相關標準，從源頭控制諧波量產生和大小。

2）減小鋼軌不平衡度，降低諧波干擾強度。

3）針對牽引諧波頻率設置區段載頻，使軌道電路頻帶避開諧波頻率。

4）提高監測設備的采樣頻率。

案例中，現場區段載頻為2 000 Hz，根據表1的描述，當牽引回流中含有4 100～4 200 Hz及8 100～8 200 Hz分量時，區段軌出電壓出現波動。若將該區段載頻更換為2 600 Hz時，諧波分量就不會對2 600 Hz頻率產生影響。

With the development of high speed railways and passenger dedicated lines， the electric locomotive and the return path of traction current become more and more complex. Meanwhile， the interference to the ZPW-2000A track circuit is also becoming more serious. The paper introduces two cases in detail and puts forward solutions based on analyzing the mechanism of the interference.

ZPW-2000A track circuit； traction harmonic； frequency interference

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.04.024

2016-03-06）