牽引供電系統對信號設備影響的探討

孫明新

0 引言

鐵路是國民經濟的大動脈，在社會經濟發展中舉足輕重。鐵路運輸是當前世界最重要的運輸方式之一，也是我國貨物運輸的主要方式之一，是經濟發展的“晴雨表”。電力機車的產生是推動電氣化鐵路發展的關鍵，電氣化鐵路具有運輸能力強、成本低、綠色環保等優點，是我國鐵路發展的主要方向，是當今鐵路運輸領域中最重要的類型。我國鐵路電氣化率已高達70%以上，電氣化鐵路中牽引供電系統對鐵路沿線通信信號設備的干擾不容忽視，本文主要對牽引供電系統對信號設備的影響進行探討。

1 牽引供電系統

牽引供電系統從電力系統獲取電能，通過牽引變壓器降壓及配電裝置進行電能分配，由牽引網向電力機車負載提供所需電能。牽引供電系統具有供能效率高、性能可靠以及環保等優點。我國牽引供電系統主要有以下幾種供電方式。

1.1 直接供電方式

直接供電方式是牽引供電系統直接將牽引變電所輸出的電能供給電力機車（如圖1（a）所示），具有低投資、結構簡單、維護成本低等特點。但該方式為單相負荷，牽引回流一般通過鋼軌傳輸，供電相對不平衡，形成的回路電阻較大，鋼軌中的大電流容易產生電氣擾動。

圖1 供電方式

1.2 帶回流線的直接供電方式

帶回流線的直接供電方式是對直接供電方式的進一步優化，在接觸網相應位置設置一條回流線，如圖1（b）所示。該方式將原本流經大地和鋼軌的電流引至增設的回流線，經架空回流線返回牽引變電所。該回路的電流方向與接觸網中的電流方向不一致，降低了二者之間產生的磁場，從而減少了對鐵路沿線信號設備的干擾。

1.3 自耦變壓器（AT）供電方式

自耦變壓器（AT）供電方式是鐵路沿線按照一定距離在接觸網和正饋線之間布置自耦變壓器，能夠穩定送電，提升抗干擾能力，如圖1（c）所示。自耦變壓器的存在使牽引網阻抗很小，牽引變電所主變輸出的高壓在送電過程中損耗較小，供電距離能夠長達40～50 km，送電效果顯著提升。該方式下的正饋線的下方同時設有保護線，當接觸網絕緣子受損甚至擊穿時能夠提供回路保護，起到避雷器的作用。

2 牽引供電系統對鐵路信號設備干擾分析

鐵路信號軌道電路回路和牽引供電回路共用鋼軌組成各自的電氣回路，鋼軌上既有軌道電路電流，又同時存在牽引電流[1]。兩種性質截然不同的電流共同傳輸時會產生干擾問題，主要為傳導干擾、輻射干擾、感應耦合干擾3種形式。

2.1 傳導性干擾

在列車運行過程中，牽引供電系統回流和軌道電路共用同一電氣回路，鋼軌作為傳輸媒介容易出現對地漏泄、高低阻故障等現象，導致鋼軌內部產生不平衡電流。牽引電流不平衡是最常見的電氣干擾形式之一，根據生成類型分為穩態脈沖和瞬態脈沖兩種基本形式。當流經兩條鋼軌的牽引回流不平衡時，流經扼流變壓器鐵心的磁通不能相互抵消，即總磁通量不為零，從而在二次側線圈產生干擾信號，導致信號設備無法正常運行[2]。

2.2 輻射性干擾

電氣化鐵路中電力機車一般通過受電弓與接觸網進行接觸取電。列車行駛過程中，當受電弓在升弓、降弓以及經過曲線區段的接觸網時，會在短暫的離線過程中產生較大的瞬時沖擊電流，經由鋼軌進行回流，造成扼流變壓器的磁通瞬間飽和，致使軌道電路信號在幾個周期內被削弱甚至無法正常傳輸，導致軌道繼電器誤動或故障進而影響運營安全。

2.3 感應耦合干擾

牽引供電系統容易產生感應耦合干擾，主要包括容性耦合和感性耦合。

（1）容性耦合。容性耦合產生的原因主要是不同電位場間的電容作用，目前我國的接觸網對地電壓比較高，信號電纜對地也有電壓。因此接觸線與信號電纜間會產生電容耦合，靜電場的強度與干擾電流大小和受擾物的距離存在一定聯系。

（2）感性耦合。感性耦合產生的原因主要是電力機車牽引電流較大，在強電線路中電流流通時，會在強電線路與受擾信號設備中產生耦合電感，致使受擾信號設備內部產生感應電動勢，進而影響信號設備正常工作。

設計過程中，通過感應電動勢計算確定信號電纜受影響大小，感應電動勢（直接供電）計算式為

式中：ω為接觸網電流、電壓的角頻率，rad/s；Mi為50 Hz時接觸網與信號電路間第i段互感系數，H/km；Lpi為接觸網與信號線纜間第i段接近長度，km；Id為接觸網等效牽引電流，A；K為50 Hz時接近段內各種接地導體的電磁綜合屏蔽系數。

接觸網在電流流經時產生的磁力線會垂向切割信號電纜，從而在信號電纜的金屬鎧裝護套上產生感應電動勢。當弓網系統發生接地故障時，強感應電動勢足以擊穿絕緣介質造成信號電纜短路。

3 應對策略

3.1 減少鋼軌電流的不平衡

牽引電流不平衡引起的是傳導性干擾，這種不均勻的干擾信號經過扼流變壓器傳輸后容易引起鐵磁元件磁場飽和。由于干擾信號中含有直流分量，而扼流變壓器不能處理直流信號，從而導致信號電壓出現跌落。為減少不平衡電流帶來的影響，可采取以下措施：

（1）將接觸網支柱的接地線與扼流變壓器一次側的中心端進行焊接，或設置專用接地線并按規定間距匯接到扼流變壓器一次側的中心端上，以減小側向不均衡電壓。

（2）設置適配器來緩沖信號以抵抗干擾，并根據不同的設備制式選擇相應的適配器。

（3）改進鋼軌接續線使用狀態，使兩條鋼軌的阻抗匹配。扼流變壓器連接線采用等阻線，避免由于扼流變壓器連接線長度不一致引起的軌道電流不平衡問題。

（4）由于軌道與扼流變壓器線圈的阻抗不匹配，當較大的電流瞬間通過時會產生干擾電壓，可適當增加扼流變壓器的氣隙，增加鐵心的飽和電流強度進行有效防護[3]。

（5）復線區段設置橫向連接線接地，進一步減少軌間不平衡電流。

3.2 選擇適當的信號電流頻率

在電氣化鐵路區段，存在各種類型機車牽引電流工頻及諧波干擾、牽引供電及回流形成的工頻干擾，這些干擾信號的頻率分布于不同頻段，其量值也不盡相同。為確保軌道電路信息傳遞的可靠性，需要選擇合適的信號電流頻率，以減少上述干擾對信號設備的影響。

牽引供電系統采用的牽引電流頻率為50 Hz，由于牽引電流和軌道電路在同一介質進行傳輸，為避免信號干擾，兩條頻率相似的信息容易產生諧波干擾，進而導致信號失真，軌道電路信號的頻率應高于50 Hz或低于50 Hz。目前，25 Hz相敏軌道電路在我國電氣化鐵路區段已被廣泛采用，其通過采用以下防護措施，獲得良好的抗干擾能力：

（1）采用二元二位繼電器或微電子接收器，其具有可靠的相位選擇性和頻率選擇性，能夠針對其他不同頻率電流的干擾進行有效防護；

（2）通過采取提高繼電器返還系數、降低軌道電路匹配變壓器變壓比、減小分頻器輸出電壓值的波動等措施，使軌道電路的極限長度逐步延伸至1 500 m；

(3) 軌道電路中增設適配器，減少脈沖干擾，有效提高軌道電路的穩定性。

另外，在高速鐵路和普速鐵路自動閉塞區段，廣泛采用ZPW-2000系列移頻軌道電路設備，采用1 700、2 000、2 300、2 600 Hz高頻載頻傳遞軌道電路信號，其具有更精準的頻率選擇功能，抗干擾能力良好。

3.3 其他抗干擾措施

為了提高軌道電路設備的抗干擾能力，防止供電電纜的諧波影響周圍信號設備，應避免供電電纜與信號設備電纜近距離平行敷設。同時，保證吸上線設置合理，信號專業敷設貫通地線，吸上線可以經過信號扼流變壓器接引至貫通地線，使干擾電流暢通接地，并在變電所就近設置牽引回流線，盡可能地縮短回流的距離。在車站股道的一端對扼流變壓器連接設置“一頭堵”，有效疏導牽引回流方向，使回流更暢通。在施工過程中，必須嚴格執行鐵路信號機房綜合接地施工工藝相關技術標準，電纜間獨立設置，完善電纜入樓、成端以及接地措施[4]。

4 結語

鐵路信號設備的正常運行是鐵路運營安全的基礎，牽引供電系統對鐵路信號設備的諸多干擾會對鐵路運輸安全帶來風險。降低此類影響首先應明確干擾的類型，采取具有針對性的應對及防護技術措施，并針對受干擾的信號系統設備采取主動性防護設計，選用抗干擾能力強的信號軌道電路制式、設備器材和施工工藝，利用監測技術手段加強日常維護管理，從而最大限度地減少牽引供電對信號設備的影響，保障鐵路運輸的安全和高效。