牵引供电系统对弱电信号系统的影响与对策

2011-08-15解立强

河北水利电力学院学报 2011年4期

解立强

(中国中铁电气化局集团电气化公司,北京 100036)

至 2007年底,我国的电气化铁路营业里程已达到了 24046.6 km,占我国铁路总营业里程的 37.8%,各大干线都已实现了电气化。但是,随着电气化铁路的建成,电气化铁路也带来了许多新的问题,特别是强电系统对铁路信号设备的影响尤为突出。近年来,以计算机联锁系统和区间无绝缘移频自动闭锁系统为代表的现代铁路信号系统在现场逐渐普及,系统采用了大量的新技术及众多的电子元器件,这也使信号系统的抗干扰问题日益明显。如何克服电气化铁路强电对弱电信号系统设备的影响,采取何种措施,变得越来越重要。

1 我国现有的电气化铁路的特点

电力牵引是一种有轨运输的牵引形式。它利用电能作为动力,驱动列车运行。现有的牵引供电系统主要由牵引供电所、接触网、轨道回路、回流线以及馈电线组成。其中,牵引电流所经过的回路是：牵引变电所、馈电线、接触网、机车、钢轨、回流线、变电所。我国目前电气化铁路采用工频交流制供电,接触网额定工作电压为 25kV,所采用的供电方式主要是自耦变压器供电(AT方式),它具有供电距离远、牵引电压损耗少、对通信干扰小的特点。电力牵引供电除了自耦变压器供电(AT方式)外,还有吸流变压器、直供和同轴电力电缆等其它几种供电方式,本文不作赘述。

2 电气化牵引供电对信号设备影响的原因及其分类

信号系统室内外设备通过电缆线路联系起来,室内室外设备间有一定的逻辑联锁关系,室内设备通过采集室外设备的状态,送到控制计算,结合操作人员指令,产生驱动命令,通过驱动电路送达室外设备进行控制,从而确保行车安全和效率。信号系统的干扰信号通过钢轨、信号电缆、接地设备、设备外壳、设备电源及空间辐射等途径进入到信号系统,对信号系统的正常运行产生干扰。例如：牵引电流产生的干扰信号以电磁波在空中幅射的方式,对信号系统的电子设备产生干扰;电力机车牵引电流回流与信号系统共用同一载体钢轨也是使信号系统受到干扰的另一个最主要原因。

与电气化铁路强电系统相比,信号系统设备在电气化铁路中处于从属被动的地位。电气化铁路系统的强电部分具有额定电压高(25 kV)、牵引电流可达到数百安培甚至上千安培、电力机车为非线性负载、整流换相和运行过程中会产生大量谐波成分等特点。这些构成了电气化铁路强电对信号设备干扰的主要原因。

电气化铁路强电对信号设备的干扰可分为以下 6类。

1)传导性干扰

传导性干扰即牵引电流不平衡干扰,它是电气化铁路对弱电信号电路干扰的主要原因。信号设备回路电流和牵引电流共用钢轨这个通道,由于钢轨阻抗、接续线电阻、对地漏泄、扼流变压器线圈对称度不同等因素,往往使流经两根钢轨上的电流不相等,从而形成了不平衡电流。由于不平衡电流的存在,会在扼流变压器二次侧产生一个感应电动势,它的大小相当于扼流变压器一次侧半个线圈中流有一个大小为两个钢轨电流差的电流在次级线圈中的感应值,这个差值能使扼流变压器升压,电压升到一定程度就会使轨道继电器误动。衡量不平衡电流的参数是不平衡系数,它是不平衡电流与总电流的比值(%)。如一根钢轨中的电流为 I1,另一根钢轨中的电流为 I2,则不平衡系数为：k=(I1-I2)/(I1+ I2)×100%。

2)容性耦合干扰

接触网电压为 25 kV,当强电线上有一对地电压存在时,由于受扰设备(如通信线)与大地之间有电压,强电线与通信线之间就会有电容耦合,因此必然有干扰电流自强电线路流入弱电信号线路设备,产生静电感应电动势,从而形成容性耦合。静电场的强度与电流大小与受扰设备的距离有关。

3)感性耦合干扰

由于牵引电流可达数百安培甚至上千安培,当强电线(接触网)中有电流通过时,通过强电导线与受扰设备之间的耦合电感(互感),受扰设备中会产生感应纵向电动势,从而形成感性耦合。感性耦合不仅与接触网电流的大小有关,还与接近的距离、接近的长度有关。

4)辐射性干扰

受电弓与接触网接触,当受电弓升降、过分电段、开关其主电路以及驶过有硬点的接触网时,会使牵引网中产生大的冲击电流。钢轨是牵引电流的回线,脉冲电流瞬间冲击使扼流变压器饱和,25 Hz信号在几个周期内被削弱,从而使轨道继电器误动。另外,受电弓与接触网离线时会产生电火花,引发无线电干扰脉冲,从而影响到无线通信的质量。

5)阻性耦合与地电位干扰

牵引回流通过钢轨与大地之间漏导入地,使附近的大地电位升高,大地中杂散电流会对通信电缆等产生影响。接触网短路时,瞬间电流很大,地电位明显升高,会对设备或人身安全造成隐患。

6)其他干扰

现有的供电系统中,为了保证人员的安全和设备的正常运行,通常利用钢轨作为接触网的自然接地体。当接地装置的火花间隙失效或有些杆塔不经过火花间隙直接连接钢轨,在同一轨道电路区段内的 2个及以上接触网杆塔地线分别接在两根钢轨上,或者不同轨道电路区段内杆塔地线经贯通的架空地线短路了钢轨绝缘接头,就会造成轨道电力红光带。另外,当机车发生受电弓支持绝缘闪络、放电间隙击穿等接地故障时,巨大的短路电流会瞬间使火花间隙反击穿,也会影响到信号设备。

3 信号设备采取的抗干扰措施

不同弱电系统的信号设备对不同类型的干扰反应不同,因此,具体的信号设备所采取的抗干扰措施也各不相同。

1)25 Hz轨道电路的抗干扰措施

25 Hz轨道电路主要是传导性干扰,即牵引电流不平衡所引起的干扰。一是会导致轨道电路中传输的 25 Hz信号电流产生陷落现象;二是由于脉冲干扰在轨道电路接受器中线性滤波器的通带内形成 25 Hz衰减振荡,与原有的 25 Hz信号可能相加(同相时)、相减(反相时),从而使轨道电路发生误动。

25 Hz轨道电路采取的抗干扰措施：

a.增加扼流变压器的气隙,增加铁芯的饱和电流强度;

b.在扼流变压器次级加绕抗干扰线圈,并加装适配器;

c.设计 LC电路使其对 25 Hz产生并联谐振、增强信号。

2)机车信号系统的抗干扰措施

机车信号同样要应对不平衡电流的影响,目前的数字式机车信号采用数字滤波器和频谱分析的方法进行处理。

3)计算机连锁、集中调度、列控中心等电子设备所采取的抗干扰措施

电气化铁路对于电子设备的影响主要是电磁辐射、电磁感应、地电位等方面的影响,对于这些问题主要的解决方法就是屏蔽,从传播途径上切断电磁辐射的来源。根据铁道部铁运〔2006〕26号文件,对于微机房、机械室应进行屏蔽,其中包括微机房的天花板、各个墙面和门窗;所有的电子设备在上道前都要进行电磁兼容的实验,实验达到标准才能上道。