牽引回流不平衡對高速鐵路信號系統(tǒng)的影響

喻喜平

牽引回流不平衡對高速鐵路信號系統(tǒng)的影響

喻喜平

武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學院, 湖北 武漢 430205

本文首先對高鐵牽引供電系統(tǒng)、高鐵信號系統(tǒng)、電力機車牽引傳動系統(tǒng)等相關(guān)概念或工作原理進行闡述，據(jù)此再通過實際檢測的方法對牽引回流不平衡對高速鐵路信號系統(tǒng)的影響進行探討，通過檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于諧波頻率的不斷提升，遭受諧波干擾影響將隨之減小，卻還一直會存在。在當前，我國高速鐵路牽引回流中的諧波還是會對高鐵信號設備有著非常明顯的影響。

牽引回流不平衡; 鐵路信號系統(tǒng)

1 高鐵牽引供電系統(tǒng)與信號系統(tǒng)概述

1.1 高鐵牽引供電系統(tǒng)

就是把外部有關(guān)電力系統(tǒng)的電源輸送進變電所，再經(jīng)過該變電所的變壓器，將外部輸送進來的電源轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電力機車正常運行所需要的電壓，以便于使得電力機車正常工作得到保障，它的最核心所在就是牽引變電所與接觸網(wǎng)（俗稱外部電源）[1]。

1.2 高鐵信號系統(tǒng)

高鐵信號系統(tǒng)是普通鐵路信號系統(tǒng)優(yōu)化升級版，該系統(tǒng)屬于一種多種技術(shù)的集合體，比如集調(diào)度集中、車站信號、微機監(jiān)測以及區(qū)間自動閉塞等于一體的系統(tǒng)。其主要功能是使高速列車行駛安全性得到保障，它遵守故障-安全最基本原則，寓意倘若存在無法達到安全條件的狀況下，高鐵信息系統(tǒng)就一定會發(fā)出停車信號[1]。

2 電力機車牽引傳動系統(tǒng)

電力機車牽引傳動系統(tǒng)由多個設備構(gòu)成，比如牽引電機、牽引變壓器與逆變器、以及脈沖整流器等幾部分構(gòu)成[2]。其工作原理：牽引供電系統(tǒng)使用的單相交流電（25 KV,50 Hz），而對列車牽引電動機進行供電源的卻是能夠調(diào)節(jié)的三相交流，且列車在正常運行過程，由于它本身還要接觸電弓升起與外部電源，從外部電源中所獲取電流屬于單相交流電，此交流電的電壓為25 KV、頻率為50 Hz，再輸送至牽引逆變器與脈沖整流器，以此就可獲得能夠控制的三相交流電，其交流電壓與頻率分別為0~2300 V與0~220 Hz，將這些可控三相交流電輸送至異步牽引電動機之后，由此高速列車產(chǎn)生了足夠的動能，從而促進高速列車正常行駛，高速列車牽引功率與運行阻力、最高時速、質(zhì)量以及剩余的加速度均有著非常密切的關(guān)系[2]。

3 牽引回流不平衡對高鐵信號系統(tǒng)的影響

3.1 牽引回流形成不平衡情況

由相關(guān)方面文獻可知，牽引回流分兩部輸出，一部分流入大地，另一部分則傳輸至變電所，而移頻信號的傳遞將受到部分經(jīng)鋼軌傳輸回變電所的牽引回流的干擾與影響[3]。此種移頻信號均是立足于載頻的根基之上再對低頻信號進行疊加而形成的，此處載頻以4類頻率為主，其分別為2600 Hz、2300 Hz、2000 Hz、1700 Hz，其低頻信號和代碼序號詳見表1。

表1 低頻信號與碼序?qū)φ毡?/p>

軌道電路信息相關(guān)定義：L6碼、L5碼、L4碼、L3碼、L2碼、L碼分別代表運行前方8個、7個、6個、5個、4個、3個以上封閉分區(qū)空閑。LU碼、LU2碼、U碼分別表示運行前方2個、2個、1個封閉分區(qū)空閑。U2S碼、U2碼表示要求高速列車在規(guī)定速度內(nèi)行駛，預先通知高速列車行駛的前方封閉分區(qū)分別為UUS碼與UU碼。UUS碼：對于那些未有貨車運輸?shù)蔫F路客運線，此碼就對此高速列車的速度進行了相應的規(guī)定（岔側(cè)向的速度為80 km/h），要求其一定要在規(guī)定的速度內(nèi)駕駛，表示高速列車接近的地面信號機開放經(jīng)過18號道岔側(cè)方向處進路；對于那些不但有客車經(jīng)過，而且有時還會有貨車經(jīng)過的客運專線，此碼也將對此高速列車的速度進行了相應的規(guī)定（岔側(cè)向的速度為80 km/h），表示高速列車接近的地面信號機開放經(jīng)過18號道岔側(cè)方向處進路，同時次一架信號機經(jīng)過超過18號以上道岔側(cè)向處或者經(jīng)道岔直向進路。UU碼：要求高速列車在相應規(guī)定的速度內(nèi)行駛，表示高速列車接近的地面信號機開放經(jīng)道岔側(cè)向處進路。HB碼：表示高速列車接近進站或者接車進路信號機開放機指引相關(guān)信號，或者利用該信號機對容許信號進行展現(xiàn)；HU碼與H碼分別要求高速列車及時與馬上停止行駛的方法[3]。即倘若牽引回流被空心線圈與扼流變壓器接收時，所形成的差動信號，倘若在低頻信號上面進行疊加時，軌道電路傳遞的碼序?qū)l(fā)生變動，如此一來就會對高速列車行駛安全產(chǎn)生較大的影響，對移頻信號形成的較大影響的作用的牽引回流，就是被學界稱作不平衡牽引回流。

3.2 高鐵信號系統(tǒng)受不平衡牽引回流影響

在理想情況下，當不平衡牽引回流經(jīng)過兩支鋼軌應劃分為共模電流，這兩支牽引回流大小一樣。當其同時流經(jīng)扼流跨截止鋼軌絕緣時，在線圈上就會出現(xiàn)相對流通。倘若不平衡牽引回流經(jīng)過空心線圈或者扼流變壓器再次進入鋼軌時，出入流口的電流因為第一次變壓器線圈與第二次線圈匝數(shù)相同，那么線圈中的磁通量就會存在相互抵消而不會產(chǎn)生變化，這時的軌道電路移頻信號就將不會受不平衡牽引回流影響。

可是在高速列車行駛實踐過程中，牽引回流中由于它本身還存在諧波的這個事實。由相關(guān)文獻可知空心線圈（或者扼流變壓）中的一二次線圈的匝數(shù)并不定會相等方面因素事實存在性[4]，這就會引起流經(jīng)空心線圈（或扼流變壓器）兩支牽引回流強弱不同，這種強弱不同的牽引回流就體現(xiàn)在空心線圈或者扼流變壓器上，從而便形成了差模電流。因為軌道電路相關(guān)設備能夠接收差模電流形成的磁通量，從而一個移頻影響信號將被感應，以高鐵站內(nèi)一體化移頻軌道電路作為案例。由于客觀事實存在性，筆者把一個牽引回流不平衡的常數(shù)概念設定為，把其看作對牽引回流產(chǎn)生干擾的全部因素的累積總和，再參考不平衡牽引回流形成的原理可以得到右邊表達式：=(I1-I2)/I×100%，在該式中，值要盡量不超過5%，倘若大于5%就很有可能對移頻軌道電路信號產(chǎn)生影響，I表示牽引電流，I1與I2分別表示兩支鋼軌之上的牽引電流。

4 關(guān)于幅值與諧波實測

4.1 實測方法

筆者在實測現(xiàn)場運用磁場環(huán)天線(Hz-10型)與頻譜檢測議（RSA3308B)對牽引回流諧波進行實際檢測，第一步就是對高速列車行駛所產(chǎn)生的噪音進行檢測，第二步才正式檢測流經(jīng)鋼軌之上的牽引回流中的諧波幅值與含量，具體檢測過程：在高鐵線路旁，一側(cè)離鋼軌大約0.01 m處擺放著磁場天線(Hz-10型)，此磁場天線應環(huán)繞與地面平行，卻不能與地面發(fā)生相連。倘若高速列車駛過此鋼軌時，與磁場天線進行相連接的頻普檢測議（RSA3308B)就能獲取對電流產(chǎn)生的磁場強度。再經(jīng)過磁場強度，筆者就能推算出這里干擾電流值大小，磁場強度的單位是用（)表示。

在上（4）式中，代表將會產(chǎn)生一定影響的電流，代表兩者之間距，即測試地點與高速列車經(jīng)過的鋼軌之間最近距離，代表對磁場形成影響感應程度。把（4）式代入（3）式中，此外，還將=0.20 m與=1.433 m放入其中，就能夠得到右式：

4.2 測試結(jié)果分析

通過上文分析，筆者運用磁場環(huán)天線(Hz-10型)與頻譜檢測議（RSA3308B)取得鋼軌上牽引回流對磁場產(chǎn)生影響的強度，而且通過（5）式計算出影響電流強弱的大小，筆者再描繪出電流值與磁感應強度示意圖對其進行對比，就可以取得干擾電流程度與磁場率發(fā)生變化兩者的相互關(guān)系。詳細操作如下：為了使得測試結(jié)果準確性與可靠性，經(jīng)過檢測數(shù)次，檢測方式是采取開燈情況下的站間自動封閉。站間無列車開通時，詳見圖1。

圖1 背景噪音

經(jīng)過圖2對比可知，在站間有高速列車行駛時，磁場天線感應到磁場強度大致提高了70 dB。這就反應了磁場的增強重點還是由于牽引回流所導致影響電流的形成，倘若高速列車從正方向行駛經(jīng)過鋼軌時所取得軌道對電流產(chǎn)生影響的峰值分別為4.798 A（50 Hz)、0.801 A(300 Hz)、0.449 A(600 Hz)，當高速列車反向行駛經(jīng)過時所得到的軌道干擾電流峰值分別為5.402 A(50 Hz)、0.898 A(300 Hz)、0.449 A(600 Hz)，其頻率也均為50 Hz。倘若牽引車回流頻率提高時，軌道的干擾電流將回落。

圖 2 實測磁感應強度與干擾電流值

4.3 測試結(jié)果分析

筆者總共檢測3次，由于篇幅與時間關(guān)系就沒有再把第2、第3次檢測方法經(jīng)過在本文進行詳細描述，通過三次檢測結(jié)果可知，倘若高速列車從正方向行駛經(jīng)過時，所檢測到電流的幅值所形成的頻率為50 Hz、300 Hz、600 Hz位置處，在50 Hz的位置處將出現(xiàn)最高干擾幅值為6.39 A，而其余處均不會超過1.1 A。

可以通過運用Allometricl模型進行擬合，獲取干擾電流的變化。倘若影響頻率高于500 Hz，那么這種影響電流就完全有可能發(fā)生過沖與震蕩[6]。筆者將頻率為3000 Hz內(nèi)的影響電流的譜波成分，站間有列車開通時見表2。

表2 牽引電流各次諧波分布

從表2可取得，由于諧波頻率的不斷提升，遭受諧波干擾影響將隨之減小，卻還一直會存在，在當前，我國高速鐵路牽引回流中的諧波還是會對高鐵信號設備有著非常明顯的影響。

[1] 譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)[M].成都:西南交通大學出版社,2009

[2] 張偉.石太客專軌道電路牽引回流干擾分析及改進措施[J].鐵道通信信號,2017,10(17):38-41

[3] 蘇立軒.高速電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)對信號電纜的瞬態(tài)電磁影響研究[D].北京:中國鐵道科學研究院,2016

[4] 常媛媛.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)對信號電纜電磁影響若干問題的研究[D].北京:中國鐵道科學研究院,2011

Effect of the Unbalanced Traction Return on a Signal System of High-speed Railway

YU Xi-ping

430205

Firstly, the paper elaborated the related concepts or working principles of high-speed railway traction power supply system, high-speed railway signal system and electric locomotive traction drive system, and then discussed the influence of unbalanced traction return on high-speed railway signal system through actual detection method. Through the test results, it was found that the unbalanced traction return affected the high-speed railway signal system. As the harmonic frequency increases, the influence of harmonic interference would decrease, but it would still exist. At present, the harmonics in the traction return of high-speed railway in China will have a very obvious impact on the high-speed railway signal equipment.

Unbalanced traction return; railway signal system

U284.93

A

1000-2324(2019)05-0861-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.05.027

2018-09-23

2018-10-08

喻喜平(1968-),女,碩士,副教授,研究方向:城市軌道交通通信信號技術(shù). E-mail:yuxiping1968@163.com