基于溫州市域鐵路S1線計(jì)軸紅光帶分析與研究

廖文凱，吳代坤，郭騰飛，劉明琰

（1.中鐵通軌道運(yùn)營有限公司，浙江 溫州 325000；2.西門子信號有限公司，陜西 西安 710018；3.溫州人才有限公司，浙江 溫州 325000）

0 引言

隨著人民群眾出行需求日益增大，可供選擇的交通方式也越來越多。目前城市軌道交通工具以其污染少、噪聲小、不易造成交通堵塞等優(yōu)點(diǎn)而成為城市交通網(wǎng)必不可少的組成部分，而軌道交通信號設(shè)備也是城市軌道交通的重要組成部分［1］。

溫州市域鐵路S1線（簡稱S1線）為全國首家市域軌道交通，設(shè)計(jì)速度120 km/h，比普通地鐵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)速度高，站間距離較大，通行速度更快。因動力要求選用了國家高鐵供電方式，即27.5 kV交流接觸網(wǎng)供電［2］。溫州軌道交通采用變電站—接觸網(wǎng)—受電弓—車輛設(shè)備—鋼軌—回流線回流的方式實(shí)現(xiàn)列車供電，相較地鐵或輕軌等方式，S1線的鋼軌回流與回流線回流有著更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 設(shè)備原理

溫州市域鐵路S1線采用TAZⅡS295型計(jì)軸設(shè)備，屬輪緣計(jì)軸傳感器。計(jì)軸傳感器由2個(gè)完全彼此獨(dú)立的磁感應(yīng)單元SⅠ和磁感應(yīng)單元SⅡ構(gòu)成，工作原理見圖1。當(dāng)行進(jìn)列車的車輪靠近計(jì)軸傳感器單元時(shí)，傳感器的輸出電平會由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑傻碗娖较蚋唠娖教冃纬傻拿}沖信號即為1個(gè)計(jì)軸脈沖信號（見圖2）。當(dāng)車輪依次經(jīng)過2個(gè)相互獨(dú)立的磁感應(yīng)傳感器單元SⅠ和SⅡ時(shí)，計(jì)軸感知單元也會依次輸出2個(gè)計(jì)軸脈沖信號，脈沖信號在中間相互重疊。脈沖信號必須同時(shí)滿足如下2個(gè)條件才被認(rèn)為是有效的計(jì)軸信號：一是2個(gè)計(jì)軸脈沖信號必須有先后順序；二是2個(gè)計(jì)軸脈沖信號在中間必須有重疊區(qū)域。計(jì)軸脈沖信號只有符合上述2個(gè)條件，計(jì)軸系統(tǒng)才會計(jì)入或計(jì)出1個(gè)車軸。計(jì)軸系統(tǒng)依據(jù)2個(gè)脈沖信號的先后順序來判斷列車的行進(jìn)方向。該計(jì)軸傳感器有2個(gè)工作頻點(diǎn)，分別是38 kHz和42 kHz。如果計(jì)軸傳感器所在的周圍環(huán)境存在38 kHz和42 kHz頻點(diǎn)附近的干擾磁場，干擾磁場就會對計(jì)軸傳感器產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)軸錯誤，形成紅光帶現(xiàn)象［3］。

圖1 計(jì)軸傳感器工作原理

“7·23”甬溫線事故即因設(shè)備遭遇雷擊后造成紅光帶現(xiàn)象，在行車組織人員轉(zhuǎn)為人工控制后未確認(rèn)區(qū)段空閑，導(dǎo)致了事故的發(fā)生。可見一旦出現(xiàn)紅光帶故障后果必然十分嚴(yán)重，因此解決此類故障已成為非常重要的課題任務(wù)［4］。

2 S1線典型故障分析及處理方法

2.1 A0904計(jì)軸磁頭分析

列車運(yùn)行時(shí)，牽引動車通過受電弓從接觸網(wǎng)受電，受電弓隨之前后上下移動，接觸網(wǎng)和受電弓之間的碰撞瞬間會出現(xiàn)短暫分離，形成空氣間隙。當(dāng)接觸網(wǎng)和受電弓之間電壓大于空氣間隙擊穿電壓時(shí)會產(chǎn)生空氣放電，稱為接觸網(wǎng)電弧。高壓大功率的弓網(wǎng)系統(tǒng)形成的空氣放電會產(chǎn)生非常豐富的電流諧波分量，電流諧波成分最后都會通過軌道回流［5］，對軌道上的設(shè)備產(chǎn)生干擾。同時(shí)，列車在運(yùn)行過程中不斷加速減速，對于不同工況產(chǎn)生的電流，諧波比例和大小也會跟著發(fā)生變化，諧波電流最終會經(jīng)過車輪回流到軌道，信號設(shè)備計(jì)軸磁頭在鋼軌上的安裝位置見圖3。A0904磁頭運(yùn)營期間波形示意見圖4。

圖3 A0904計(jì)軸磁頭平面布置

圖4 A0904計(jì)軸磁頭運(yùn)營期間波形示意圖

由圖4可知，在無車通過的情況下，磁感應(yīng)單元SⅡ出現(xiàn)了明顯的異常波動，但由于SⅠ未出現(xiàn)波形變化，SⅡ的波動不滿足計(jì)軸器計(jì)軸條件，即此波形未能產(chǎn)生計(jì)軸紅光帶故障，被定義為計(jì)軸磁頭受擾。計(jì)軸磁頭在工作運(yùn)行中會收到來自鋼軌回流的電信號干擾，導(dǎo)致出現(xiàn)異常電信號［6］。

假設(shè)：磁感應(yīng)單元SⅠ與SⅡ均同時(shí)受到來自鋼軌回流的電信號干擾，產(chǎn)生了高低電平變化，即滿足脈沖信號的產(chǎn)生要求，導(dǎo)致計(jì)軸器成功記錄1軸，進(jìn)而區(qū)段顯示占用狀態(tài)，聯(lián)鎖設(shè)備給出紅光帶顯示。

為驗(yàn)證此假設(shè)：采集A0904計(jì)軸磁頭故障發(fā)生時(shí)的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

當(dāng)A0904計(jì)軸磁頭的磁感應(yīng)單元SⅠ和SⅡ均受到干擾，低電平轉(zhuǎn)為高電平，電壓增長，且SⅠ和SⅡ受擾同時(shí)發(fā)生，導(dǎo)致出現(xiàn)疊加波形（見圖5），產(chǎn)生1個(gè)計(jì)軸脈沖信號，計(jì)軸器成功記錄1軸。進(jìn)而區(qū)段顯示占用狀態(tài)，聯(lián)鎖設(shè)備給出紅光帶顯示。

圖5 A0904計(jì)軸磁頭故障波形示意圖

通過查詢并核對信號及車輛提供的后臺數(shù)據(jù)后，明確認(rèn)定磁感應(yīng)單元受到的高低電平變化為牽引回流導(dǎo)致。且列車在運(yùn)行過程中不斷加速減速，產(chǎn)生的電流諧波比例和大小也會隨之發(fā)生變化，諧波電流最終都會經(jīng)過車輪回流到鋼軌，計(jì)軸脈沖導(dǎo)致設(shè)備錯誤計(jì)數(shù)，影響設(shè)備正常使用。A0904磁頭正處于站臺發(fā)車處，此時(shí)列車會投入較高的制動與牽引力完成停車與發(fā)車功能［7］。

在明確了干擾出處后進(jìn)行如下嘗試：

（1）初步排除電纜阻抗較大、接電可能存在的問題，對接地問題進(jìn)行整改，將計(jì)軸電纜鎧裝和鋁護(hù)套環(huán)接后引入分線柜接入接地端子，采用電纜加芯并聯(lián)方式進(jìn)行優(yōu)化，測試結(jié)果未起作用；

（2）提高磁頭輸出線抗干擾能力，在室內(nèi)機(jī)柜、室外接盒內(nèi)對磁頭輸出線加裝高頻磁環(huán)，測試結(jié)果未起作用；

（3）將計(jì)軸電纜的接地引出線單獨(dú)接至設(shè)備房匯流排處，同時(shí)更換分線柜計(jì)軸的防雷單元，測試結(jié)果未起作用；

（4）計(jì)軸點(diǎn)進(jìn)行倒邊測試，將安裝于左側(cè)鋼軌上的計(jì)軸磁頭倒邊至右側(cè)鋼軌，動車測試未起作用。

經(jīng)過多項(xiàng)測試和干擾途徑分析后，結(jié)合供電部門意見，最終決定以在計(jì)軸點(diǎn)增設(shè)鋼軌接地線的方式截流干擾分量向磁頭傳導(dǎo)，確保計(jì)軸設(shè)備正常運(yùn)行（見圖6）。

圖6 牽引回流路徑

在A0904計(jì)軸磁頭前增加牽引回流地線，按線性電路中電勢從高到低的規(guī)律可知，在A0904計(jì)軸磁頭前增加牽引回流地線，此處電勢趨近于0，所以列車的牽引回流會優(yōu)先由此處回流而不經(jīng)過A0904磁頭處。

在距離A0904磁頭前就近接地端子處加裝回流地線并現(xiàn)場驗(yàn)證，將鋼軌與貫通地線相連（非軌道電路區(qū)段不考慮道床漏流），由于貫通地線接入大地，地線所處電位勢趨近于0［8］，因此產(chǎn)生的大部分干擾分量都由貫通地線導(dǎo)入地面。現(xiàn)場安裝情況見圖7。

圖7 回流地線現(xiàn)場安裝情況

2.2 A1405計(jì)軸磁頭分析

2019年6月以前，分相區(qū)因?yàn)閱沃魉╇姡刂葜魉瑢?shí)際未設(shè)置分相區(qū)。6月15日東段接觸網(wǎng)供電后，靈昆主所投入使用，分相區(qū)正式啟用，列車通過分相區(qū)設(shè)備自動斷合VCB操作，從而實(shí)現(xiàn)列車不降弓通過分相區(qū)。此時(shí)A1405計(jì)軸紅光帶故障明顯增加。A1405平面布置見圖8［9］。

圖8 A1405平面布置

下行A1405處磁頭由于分相區(qū)及自動斷合VCB裝置啟用后，受列車過分相合閘VCB時(shí)接觸網(wǎng)與列車供電系統(tǒng)接通，列車瞬時(shí)接入27.5 kV電壓，引發(fā)極強(qiáng)電信號擾頻，導(dǎo)致信號設(shè)備無法正常使用。結(jié)合A0904的成功經(jīng)驗(yàn)，采取同樣增加回流地線措施，觀測后續(xù)狀態(tài)良好，無異常波形出現(xiàn)。

針對A0904與A1405增加回流地線證明，牽引回流地線措施能有效解決計(jì)軸磁頭因鋼軌牽引回流導(dǎo)致的磁頭受擾，糾正錯誤計(jì)數(shù)，控制紅光帶現(xiàn)象。

2.3 A1003計(jì)軸磁頭分析

以A0904與A1405為參考案例，針對故障頻發(fā)的A1003處前方加裝地線，用以抵御列車在進(jìn)站過程中施加較大制動力時(shí)產(chǎn)生的牽引回流。在距離A1003磁頭前50 m處（就近接地端子處）加裝接地線并現(xiàn)場驗(yàn)證，加裝示意見圖9。

圖9 A1003平面布置

增加地線后，A1003處故障不降反升，1個(gè)月內(nèi)A1003共計(jì)發(fā)生24次計(jì)軸受擾故障。過程中在A1003處架設(shè)示波器，從示波器采集到的曲線可見，A1003處干擾波形多為多脈沖干擾，其中均為首個(gè)脈沖造成干擾故障，干擾波形示意見圖10。

圖10 A1003計(jì)軸磁頭故障時(shí)干擾波形示意圖

調(diào)查發(fā)現(xiàn)：A1003受擾時(shí)上行T1010區(qū)段有車經(jīng)過，通過示波器觀察岔區(qū)A1005磁頭同時(shí)也存在干擾脈沖。據(jù)此分析，此時(shí)A1003所受干擾由上行通過道岔傳導(dǎo)而來（見圖11）。

圖11 A1003計(jì)軸磁頭干擾來源示意圖

判斷主要原因?yàn)閳D中G點(diǎn)加裝地線后改變了此地電位，G點(diǎn)成為附近電位最低點(diǎn)，以致電流優(yōu)先到達(dá)G點(diǎn)，在岔區(qū)較多的車站里加裝接地線只能防止迎面干擾，卻增加了磁頭后方的干擾強(qiáng)度。

結(jié)合推斷，由于G點(diǎn)電位為附近最低，從而向上行引來了電磁干擾。修改G點(diǎn)位置，要求電位低于同處上線位置電位，即可解決由于同處電位差導(dǎo)致的對向電磁干擾現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際觀察，上行距A1003計(jì)軸磁頭處約120 m存在吸上線（鋼軌回流經(jīng)回流線返回牽引變電所的連接線），測量此處電位趨近于0，現(xiàn)場實(shí)踐調(diào)整接地線距離A1003磁頭前200 m處（就近接地端子處）觀察，1周內(nèi)A1003處未出現(xiàn)故障，但A1003依然存在大量干擾脈沖，此時(shí)脈沖形式多是單脈沖，且幅值不足以造成干擾故障。通過示波器捕捉到的造成A1003受擾脈沖均為單個(gè)幅值超限脈沖，或多脈沖只有首個(gè)脈沖幅值超限（見圖12）。

圖12 A1003計(jì)軸磁頭受擾脈沖波形示意圖

此現(xiàn)象由于均為單波峰脈沖，不滿足磁頭有效計(jì)軸條件，所以不會進(jìn)行有效計(jì)軸，因此也不會導(dǎo)致列車紅光帶故障，但單波峰脈沖信號依舊存在，磁頭記錄到脈沖信號后仍然會將信號發(fā)送至室內(nèi)設(shè)備，由室內(nèi)設(shè)備判斷后再行取舍。長期性單波峰脈沖數(shù)據(jù)會加大設(shè)備運(yùn)算量，對設(shè)備運(yùn)行不利，從軟件上對單波峰脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，從而減小設(shè)備運(yùn)算量［10］。

A1003處更換了新型智能板卡后提升了計(jì)軸的抗干擾能力，后續(xù)觀察1個(gè)月內(nèi)A1003計(jì)軸點(diǎn)成功規(guī)避了多次干擾波形，在此期間也未發(fā)生干擾故障。觀察月內(nèi)雖有多次干擾脈沖，但幅值未超限或超限干擾被智能板卡成功過濾［11］。

3 結(jié)束語

市域鐵路在我國快速發(fā)展，溫州市域鐵路S1線作為全國率先使用27.5 kV交流接觸網(wǎng)供電，信號系統(tǒng)在此高頻電磁干擾情況下面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，提出在計(jì)軸點(diǎn)增設(shè)鋼軌接地線的方式論證鋼軌接地線截流干擾分量向磁頭傳導(dǎo)的有效性，并發(fā)現(xiàn)該方法在岔區(qū)存在局限性，通過對此局限性給予解釋和應(yīng)對措施，并對其局限性進(jìn)行剖析，為軌道交通信號設(shè)備受電磁干擾提供了參考思路。