HVDC 干扰轨道电路机理探讨

钱学成 刘明光 李 扬 王 旭

随着我国 “西电东送，南北互供，全国联网”电力发展总方针的开展，高压直流输电技术（HVDC）将成为我国电网互联主要途径。高压直流输电的输送容量大、输电距离长、电压高，线路走廊窄，适合大功率、远距离输电。目前世界上已有70多项HVDC工程投入运行，例如：瑞典—丹麦的康梯－斯堪工程，瑞典—芬兰的芬挪－斯堪工程，我国葛洲坝—上海1100km、±500kV输送容量工程等，这些工程的陆续开展说明HVDC是未来电网的发展趋势。

HVDC入地电流在变电站间感应出较大的电势差，可能通过变压器接地的中性点流入变压器，并在电网内分布，造成变压器直流偏磁，引起变压器半个周波内的铁芯过饱和，导致磁致伸缩加剧，噪声增加，变压器铁芯过热，温升增大，对整个电网安全运行不利。此外，入地电流还直接影响建筑工程接地极附近交流系统的安全稳定运行，并使得金属接地极发生电腐蚀和对地下金属管线造成腐蚀。不仅能缩短金属管、线的使用寿命，而且还会降低建筑物钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性，甚至酿成灾难性的事故。换流器在交流和直流侧都产生谐波电压和谐波电流，降低了换流站的运行可靠性。

以上分析都是HVDC入地电流对电网安全运行和建筑物结构造成的影响，但这种入地电流对于铁路运输方面的影响还未得到关注。

无论是普速铁路还是高速铁路，都需要轨道电路，轨道电路的工作状态直接关系到行车秩序，甚至行车安全和乘客的人身安全。由于轨道电路及通信信号系统的工作电压低，设备和装置由多种电气和电子设备组成，属于弱电系统，因此相比强电设备而言，抗干扰能力比较脆弱。本文创新性地探讨HVDC入地电流是否会威胁轨道电路信号系统正常工作状态。由于该课题在国内外研究甚少，需要引起有关部门的高度重视。

1 HVDC入地电流侵入轨道电路的机理

两端直流输电系统主要由整流站、逆变站和输电线路3部分组成。在单极大地返回运行方式中，利用1根或2根导线和大地构成直流侧的单极回路。在该运行方式中，两端换流站均需接地，大地作为一根导线，通过接地极入地的电流，即为直流输电工程的运行电流。单极大地回线方式的线路结构简单，可利用大地这个良导体，省去1根导线，线路造价低，同时大地电阻率低、损耗小、运行费用也低。直流电流通过接地极向大地散流，接地极和大地都会呈现一定的电位，入地电流HVDC可以参考的数值是：±800kV，HVDC接地极入地电流4kA。在用HVDC运行方式时，广东地区曾监测到窜入变压器中性点的直流电流高达80A以上，远远超过了变压器的偏磁承受能力，在对国内某站直流工程接地极调试过程中，发现主变压器中性点最大直流电流达22A，这样大的电流将对系统造成一定影响。

实际工程中，钢轨线路与直流输电线路通常在某一段平行接近，一般而言，钢轨线路至少长数百公里，可视为无穷长线路。假设一条800kV HVDC线路与一条长距离钢轨在某段平行，直流电流通过接地极入地，于是地下就以接地极为中心，形成了一个电势分布区域，越靠近接地极，地表等位线越密。如果钢轨与接地极比较接近，接近距离为d，HVDC入地电流就会通过钢轨接地极窜入钢轨中，在钢轨中产生的不平衡电流就有可能对轨道电路产生影响，如图1为直流输电线路与钢轨平行接近模型示意图。

轨道电路可能受到HVDC入地电流产生的地电位影响，也称为阻性耦合影响。地电位影响原理可以用地中杂散电流场的基本原理来说明。设HVDC入地电流I自接地极M集中入地，如图2所示。

直流输电线路与钢轨平行接近模型示意图

图2 接地点周围大地电位

HVDC入地电流I通过大地电阻耦合，将在地中距接地极M距离为l的N 处产生某一电位，该电位可以按如下步骤确定。

在N点附近的电流密度为

该点的电场强度为

则N点的电位为

式中：I为从接地极M 流入地中的电流 （A）；ρ为大地电阻率 （Ω· m）；σ为大地电导率 （S／m）；l为接地极M 至N 点的距离 （m）。实际上，对于交流电气化铁道，钢轨有一定屏蔽作用，其屏蔽系数小于1，HVDC入地电流窜到钢轨附近的电位相对于无穷远点 （零电位点）表达式为

式中：λ为钢轨屏蔽系数；x为钢轨到接地极的横向距离；y为钢轨到接地极的纵向距离；Ω（γx，γy）为特种函数，具体数值可查表得到。由式 （3）和 （4）可见，钢轨和接地极的接近距离越小，HVDC入地电流越大，钢轨对入地电流的削减程度越小，大地的电导率越小，则钢轨上的电位就越高，窜入轨道电路的直流就会越大。

2 入地电流影响轨道继电器的机理分析

现以微电子电路为核心的常用WXJ25型相敏轨道电路接收器为例，分析入地电流对轨道电路信号传输状态的影响。

WXJ25型相敏轨道电路接收器由移相器、乘法器和积分器组成，输出信号驱动JWXC－1700安全型轨道继电器执行吸起或落下动作，信号流的原理框图如图3所示，其中XJ（t）是局部电源信号，XG（t）是轨道信号，XC（t）是入地电流侵入信号，Y是驱动JWXC－1700安全型轨道继电器工作的输出信号。

图3 相敏轨道电路接收器的信号流原理框图

2．1 不受入地电流影响的轨道电路信号传输

假设局部电源信号和轨道电路是同频率，相位差α，则XJ（t）＝As i nωt，XG（t）＝Bs i n（ωtα），计入相敏轨道电路接收器中的移相器，首先对XJ（t）信号移相90°，则一个周期的信号传输函数为：

如果2根钢轨上的牵引电流不平衡，轨道电路中将出现50Hz牵引电流。因此保证行车信号正确状态的要求是：在列车占用轨道电路时，相敏轨道电路接收器不驱动JWXC－1700型轨道继电器动作。假设局部信号XJ（t）的角频率为ω，轨道信号XG（t）角频率为2ω，相当于局部信号25Hz，轨道信号50Hz，则信号传输函数为：

对于牵引电流中的高次谐波，假设轨道信号XG（t）的频率为局部信号XJ（t）频率的n倍，同样可以得到信号传输函数为：

式 （8）和式 （9）说明：相敏轨道电路接收器在同时收到25Hz和50Hz，或者同时收到频率差为n倍的2种信号时，一个周期内的信号传输函数Y＝0，不会驱动JWXC－1700型轨道继电器发生错误动作，仍然具有可靠的相位选择性。

2．2 入地电流侵入后的轨道电路信号传输

仍然假设局部电源信号和轨道电路是同频率，相位差为α时，XJ（t）＝Asinωt，XG（t）＝Bsin（ωtα）。考虑到在高压直流输电系统中，换流器的操作会在直流侧产生谐波电流，而因杂散电容的存在为换流器中的谐波电流提供了对地的通路。HVDC入地电流具有准直流特性，变化频率在0．001～0．1Hz之间。为了方便计算，设入地电流相位差为β，XC（t）＝Csin（ωct－β），其中角频率ωc＝（0．002～0．2）πrad／s，则一个周期的信号传输函数为：

将式 （10）记为：

比较式 （5）与式 （10），可以看到式 （10）中多了Y2一项表达式。对Y2进行计算：

可见：Y2值与sin函数变化和相位差β有关，可能出现正数，也可能出现负数。因此，式 （12）的结果表明：如果HVDC入地电流侵入轨道电路，入地电流将造成相敏轨道电路接收器的信号传输函数，在一个周期内 （Y＝Y1＋Y2）值具有正负数的随机性，就可能导致JWXC－1700型轨道继电器发生错误动作。

3 结论

高压直流输电入地电流往往很大，如果侵入轨道电路，足以影响轨道电路的元器件工作特性，对铁路行车通信信号的正常工作状态造成威胁。HVDC入地电流会对钢轨上的电位造成影响，侵入到轨道电路的电流大小与接地点到钢轨的接近距离成反比，与入地电流大小成正比，同时与钢轨的屏蔽系数和大地电阻率有关。式 （11）、式 （12）从理论上证明：如果轨道电路中有高压直流输电入地电流侵入，就可能导致轨道继电器发生误动作，这是需要高度重视的新问题，必须进一步深入研究。

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