減小動車所機車測試環線電磁干擾的研究

王彥寧，程曉東，萬發國，李云霞

當前,動車組進入檢修庫后,通過庫內測試環線完成軌道電路信息接收檢測是ATP設備測試的重要內容之一。用測試環線模擬ZPW-2000系列軌道電路進行發碼,通過安裝在動車組第1輪對前的機感線圈產生感應電壓,傳至ATP設備中解碼,形成上碼信息。在實際使用過程中,由于測試環線沒有嚴格的電磁施工標準要求,常常受到復雜的電磁干擾,影響到ATP的正常上碼測試。

經初步調查,在全路范圍內曾多次發生庫內測試環線上碼不穩定問題,而系統地研究和介紹上碼不穩定原因及解決辦法的文獻還不多。文獻［1-5］是基于測試環線被鋼軌等金屬屏蔽的理論,給出了測試環線的安裝方案；文獻［6-7］針對測試環線上碼異常問題,給出了閉環有害電路的原因及解決辦法；文獻［8］設計了碼箱遠程控制裝置,可以及時查看測試環線的運行狀態。但上述文獻均未對測試環線所受的電磁干擾進行分析。

為此,本文將以銀川動車所測試環線上碼不穩定問題為例,定性分析庫內測試環線所受的電磁干擾,并通過試驗進行驗證,得到解決方案。

1 問題提出

為提升發碼箱的工作可靠性,銀川動車所機車測試環線采用了室內集中放置發碼箱的方法,用主干電纜先將發碼電流引至股道旁的分線盒中,再用分支電纜接至接續盒中的連接環線。主干主用電纜采用SPTYWL23-24B,備用電纜和分支電纜采用SPTYWL23-8B,環線采用10 mm2多股非屏蔽銅線,測試環線設置見圖1。在動車組未壓入軌道前,測量各發碼環線的電流、電壓均達到標準,但在動車組壓入后,即出現以下問題。

圖1 動車所測試環線設置

1）當動車組停于Ⅰ列位時,ATP設備在對應的L1處出現上碼不穩定現象。

2）當同一股道上停放2列動車組時,ATP設備在對應的L2處均出現上碼不穩定的現象。

2 原因分析

2.1 環線與鋼軌間存在互感

由于環線和鋼軌距離很近,基于鋼軌感性的特點,它們之間必然存在著互感現象。供電部門為了暢通牽引回流,在動車所L1處的2根鋼軌間安裝了接通線,當動車組第1輪對壓在鋪有環線的鋼軌上時,車輪輪對、鋼軌、鋼軌接通線在L1處共同構成了一個有害閉合回路,導致了上述問題（1）的發生,如圖2（a）所示；動車所同一股道同時停放2列動車組時,在股道中間部位,動車組A和B相鄰的第1輪對、鋼軌在L2處也共同構成了一個有害閉合回路,導致上述問題（2）的發生,如圖2（b）所示。

圖2 測試環線有害閉合回路

當環線傳輸實時變化的電流時,由于環線和鋼軌的互感現象,鋼軌閉合回路中產生的感應電動勢會實時“阻礙”環線電流的變化,其方向與環線電流相反,大小隨環線電流發生線性變化［9］,從而造成對機車ATP車載設備上碼電流的電磁干擾。

2.2 模型驗證

在動車組出庫后,將機車感應線圈置于鋼軌上方155 cm標準高度,測量其感應的電壓大小,用于模擬ATP設備接收到的感應電壓。當股道上沒有動車組時,在環線L1、L2、L3處各測量1組數據,見圖3。由圖3可以看到,隨著室內碼箱發碼電流的增大,3個測試點線圈的感應電壓都保持著線性增大的趨勢,說明在動車出庫后,鋼軌沒有形成閉合回路的情況下,動車所內環線L1、L2、L3處的電磁環境是一樣的。

圖3 未封線時線圈感應電壓

采用0.15 Ω封線封聯2根鋼軌,模擬動車組輪對封聯鋼軌。逐漸增大發碼電流,測量鋼軌上方機感線圈的感應電壓,見圖4。黃線表示在動車所環線L3處測試的數據,數值略有下降,與室內發碼電流成線性關系,另外2條線為動車所環線L1、L2處測試的數據,感應電壓下降明顯,與室內發碼電流成線性規律,說明其受到了強烈的電磁干擾。由圖4可見:動車組進入動車所后,因在環線L1、L2處鋼軌形成了閉合回路,產生了強烈的電磁干擾；當受到電磁干擾時,可以通過提高發碼電流的方法,提升機感線圈的感應電壓,從而使ATP設備正常上碼。

圖4 封線時線圈感應電壓

根據上述理論分析得知,機車測試環線電磁環境的主要干擾源為處于閉環的磁性鋼軌產生的反向感應電動勢。

3 解決方案

為了克服機車測試環線所受的電磁干擾,減小磁性鋼軌產生的感應電動勢,提出以下3種解決方案。

3.1 改裝“8”字環線

將環線改裝為“8”字環線,見圖5。在任一時刻,鋼軌產生的感應電動勢是反向的,2個“O”圈在同一鋼軌上產生的感應電動勢也是反向的,感應電動勢相互抵消,可有效降低對測試環線的電磁干擾。

圖5 “8”字環線原理圖

根據動車所測試環線長度的實際情況,設計了2種實施方案,見圖6,并在環線L1處用臨時測試環線進行驗證。

圖6 “8”字環線布置方案

方案1:布置4段長度均為15 m的測試環線。

方案2:交替布置20 m與10 m的測試環線。

在D76道、D78道的環線L1處分別采用2種“8”字交叉法后,將發碼電流從低到高進行逐步調節,直至ATP設備上碼,定義此時發碼電流為上碼電流,記錄并統計一周。用同樣的方法,統計未采用“8”字交叉法的D77道環線L1處的上碼電流。統計結果見表1。從表1可以得出,加裝“8”字環線后上碼電流明顯降低,且采用2種交叉方法區別不明顯。說明無論是否受到電磁干擾,發碼電流與機感線圈的電壓均保持線性關系,同時假設ATP設備上碼需要的感應電壓是恒定的,則加裝“8”字環線后機感線圈的感應電壓明顯增強。

表1 ATP車載設備上碼電流

3.2 加裝空扼流變壓器

扼流變壓器又稱阻抗聯接變壓器,它既能將相鄰軌道電路中的信號電流隔開,又可使牽引回流導通。在庫門口D78道的鋼軌接通線與環線L1之間加裝空扼流變壓器后,將發碼電流逐漸調高,直至ATP設備上碼,記錄此時的發碼電流并統計一周。用同樣的方法統計未加裝空扼流變壓器的D79道環線L1處的上碼電流。統計結果見表2。由表2可以得出,加裝空扼流變壓器后上碼電流明顯降低,假定ATP設備上碼需要的感應電壓是恒定的,說明加裝空扼流變壓器后機感線圈的感應電壓明顯增強,受到的電磁干擾顯著減弱。

表2 加裝空扼流變壓器前、后上碼電流

3.3 在軌道一側鋼軌加裝機械絕緣

在動車所庫內軌道正中間（環線L2處）,利用鋼軌間的接縫,在一側鋼軌上加裝機械絕緣,切斷鋼軌和車輪輪對組成的有害閉環回路,使之不能形成干擾的反向電動勢,并且在另外一側鋼軌接縫處加裝回流渡線,以減小對供電牽引回流導通的影響,從而解決動車所機車測試環線受互感影響的電磁干擾問題。

在D76道環線L2處的一側鋼軌上加裝機械絕緣后,當D76道停放2列動車組時,將發碼電流逐漸調高至ATP設備上碼,記錄此時的上碼電流并統計一周。用同樣的方法統計未加裝機械絕緣的D77道環線L2處上碼電流。統計結果見表3。由表3可以得出,在軌道一側鋼軌加裝機械絕緣后上碼電流明顯降低,假定ATP設備上碼需要的感應電壓是恒定的,說明軌道一側鋼軌加裝機械絕緣后,機感線圈的感應電壓明顯增強,受到的電磁干擾顯著減弱。

表3 在軌道一側鋼軌加裝機械絕緣前、后上碼電流

4 可行性分析

3種方案的可行性比較見表4。測試環線“8”字交叉法雖然克服鋼軌感應電動勢的干擾明顯,但在銀川動車所測試環線后期改造中需重新鋪設測試環線,測試環線需多次穿越動車所的作業地溝,施工難度大、成本高,在有其他改造方案的情況下,暫時排除該方案。最終,根據在動車所環線L2處無法進行設備加裝施工的客觀條件,以及供電部門對牽引回流影響的論證,在銀川動車所L1處加裝空扼流變壓器,解決了動車所環線L1處上碼不穩定的問題,在L2處一側鋼軌處加裝機械絕緣,有效地解決了環線L2處上碼不穩定的問題。

表4 方案可行性比較

5 測試分析

根據銀川動車所測試環線需后期改造施工的實際情況,在動車所L1處加裝空扼流變壓器,在L2處一側鋼軌加裝機械絕緣后,統計分析了近一個月內動車所環線L1、L2處的上碼電流,見圖7。上碼電流穩定在0.7 A,且未超出0.9 A,滿足施工需求。

圖7 ATP上碼電流統計圖

6 總結

以銀川動車所機車發碼環線為研究對象,通過建立動車所機車測試環線電磁干擾的系統模型,驗證了建立模型的合理性和適用性。提出了“8”字交叉環線、加裝空扼流變壓器、在一側鋼軌接縫處加裝機械絕緣的解決方案,并進行了施工改造,消除了動車所機車測試環線受互感影響的電磁干擾,統計分析了1個月內車載設備的發碼電流,基本解決了ATP上碼不穩定的問題。