电气化铁道区段信号设备电磁兼容性分析

罗明玉

摘要：本文通过对电气化铁道区段信号设备所受电磁干扰的原因进行分析，提出相应抑制措施，讨论相关电磁兼容性问题。

关键词：电气化;牵引电流;电磁兼容;电磁干扰

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）08-0243-02

随着铁路运输的快速发展，我国铁路正向着高速铁路、重载运输的方向发展，铁道信号开始大量应用微电子、现代通信、自动控制和计算机等技术，系统主要由信息和通信设备构成，趋向小型化、数字化和低功耗化。主要表现在：一方面，电子设备组成更加复杂，微电子器件工作频率、通信速率越来越高，而功耗、工作电压和电流逐渐降低，即信号更加敏感;另一方面，列车高速度、高密度和重载的发展又会带来牵引功率和电流的增加，可能导致电磁环境更加恶劣。电力牵引是一种有轨运输牵引动力形式，利用电能作为牵引动力，驱动铁路列车、电动车组和城市电动车辆等有轨运输工具的运行。按牵引网供电制式不同，分为工频单相交流制、低频单相交流制（欧洲：162/3Hz）和直流制。我国铁路采用工频单相交流制（50Hz/ 25kV）电力牵引，直流制电力牵引仅用于地下铁道、城市交通轻轨运输系统和工矿运输系统。牵引供电回路是由牵引变电所—馈电线—接触网—电力机车—钢轨—回流联接—（牵引变电所）接地网组成的闭合回路。

一、电磁干扰的机理及分析

1.牵引电流不平衡性产生的干扰。电力牵引区段的两条钢轨，既作为轨道电路的通道传输信息，也作为牵引电流的回流通道。这两种不同性质的电流在同一钢轨线路中传输，牵引电流对干扰轨道电路的正常工作带来很大影响。

不平衡电流：在同一时刻，两条钢轨中牵引电流的差值。

ΔI=I -I ？摇

不平衡系数：钢轨不平衡电流与总电流的比值（%）。

K=ΔI/I +I ？摇×100%

对于同一区段，不平衡系数k并不是一个恒定的常数，而是牵引电流、大地电导、钢轨阻抗以及牵引网类型等的函数。对有绝缘轨道电路和无绝缘轨道电路均产生干扰。

以有绝缘轨道电路的电磁干扰为例：当从BE的钢轨连接端流入的牵引电流不相等时，耦合到扼流变压器次级的磁通不能完全抵消，则形成干扰。

扼流变压器BE匝数比为1∶3，假定BE为理想变压器，且工作于磁化曲线线性区，当不平衡电流20A时，半线圈50Hz阻抗取1Ω，则在半个线圈上产生的干扰电压为20V，在二次线圈即信号侧对应的干扰电压将达120V。按照轨面信号电压1V考虑，干扰电压远大于信号电压。不平衡电流形成干扰机理：钢轨（及扼流变压器等）是牵引电流和轨道电路信号电流的共同通道，具有共阻抗耦合的特点。按照通信传输线的方式来类比，信号电流是差模电流，而牵引电流则是共模电流。在一定条件下，共模电流将转化为差模干扰，形成传导性干扰即钢轨中不平衡牵引电流，影响设备工作。造成不平衡的原因为纵向和横向不平衡，纵向不平衡是指沿着钢轨方向的不对称因素，如：由于长度差异或因接触电阻等引起接续线阻抗不同侧钢轨断裂等带来的钢轨阻抗不同、扼流变压器一次线圈或空心电感（SVA）不对称、与钢轨连接线长度不相等;横向不平衡是指两侧钢轨对地不平衡，如两侧对地漏泄电导不同、接触网杆塔地线或电缆护套等与一侧钢轨连接引起对地漏泄电流不同。另外，还涉及列车长度及运行时与钢轨的接触阻抗等动态因素。

2.工频磁场和射频对信号联锁设备的干扰。某站计算机联锁设备的工作环境如图所示，电力加强线用来为电力机车供电。电磁干扰现象是：位于运转室的控制台CRT显示屏幕经常出现严重抖动，致使图像和文字无法辨认，影响值班员操作和运输。原因分析：显示器显像管中的高速电子束在帧偏转线圈和行偏转线圈磁场的共同作用下以扫描形式轰击显示屏，产生图像显示。如显示器周围存在其他外部磁场，同样会影响电子束的轨迹。由于图像是每秒50帧，所以50HZ的工频磁场是产生图像抖动的主要原因。而周围高频电磁场、显示器电源中的瞬变脉冲等干扰因素可能通过各种途径影响视频信号，使屏幕显示出现同步不稳、滚动、雪花、亮条等现象，但不会出现显示字符和线条的抖动。

3.无线集群电话干扰信号设备。在机械室ZPW-2000A无绝缘轨道电路接收器附近使用无线对讲机时，射频干扰引起轨道继电器错误落下，轨道电路出现“红光带”。另外，现场也再现过使用400MHZ手持电台时，引起联锁控制台上鼠标移动甚至错误操作的现象;使用150MHZ或230MHZ电台时，射频辐射对车载信号造成干扰。原因分析：目前铁路行业用于集群移动通信的频段主要在400MHZ和800MHZ频段，手持终端对讲机的功率范围为0.5～5W。根据单点骚扰源的功率和场强之间的关系，GB/T17926.3提供的便携式收发机由功率P在VHF（米波）和UHF（分米波）频段场强E的计算公式：E= = ，式中，d为到源的距离（远场区），单位m。可得距离为0.5m处的场强值：0.5W时为4.24V/m，5W时为13.42V/m。如果距离更近，再叠加其他射频成分，则骚扰场强更大。而信号设备射频辐射的抗扰度限值（等级3）为10V/m。由于轨道电路接收器采用基于数字信号处理器（DSP）的技术，因而当辐射干扰对逻辑电路、时钟电路或其他数字信号时，造成两路输出不一致，使继电器落下，导向安全。

二、抑制和防干扰措施

1.牵引电流不平衡性抗干扰措施。①减少两钢轨间不平衡电流，必须改善两钢轨的纵向电导的不平衡性，平衡由于长度差异或因接触电阻等引起接续线阻抗不同侧钢轨断裂等带来的钢轨阻抗不同、扼流变压器一次线圈或空心电感（SVA）不对称、与钢轨连接线长度不相等;做好由于施工过程所造成的因两侧钢轨对地不平衡，如两侧对地漏泄电导不同、接触网杆塔地线或电缆护套等与一侧钢轨连接引起对地漏泄电流不同等工作。②加强对轨道电路设备的防干扰措施。扼流变压器是电化区段导通牵引电流和传递轨道电路信息、匹配轨道电路送受电端的主要任务。选择与最大牵引电流相匹配的高容量扼流变压器能起到有效防护的作用，扼流变压器容量的确定取决于钢轨电流的大小，钢轨牵引电流的大小则与供电方式、大地传导、钢轨阻抗等因素有关。采用非工频轨道电路（如25HZ相敏轨道电路、移频轨道电路等），与50HZ牵引电流相区分开，以防护牵引电流的干扰;轨道电路受电端轨道继电器线圈并接防护盒，滤除50HZ不平衡电流的基波及谐波成分，并保证轨道电路信号电流衰耗很小;改善扼流变压器的磁滞结构，采用开气隙扼流变压器，使其铁芯不易饱和，工作于线性特性区域，提高瞬态脉冲电流的冲击能力。

2.工频磁场和射频干扰引起联锁控制台显示器图像抖动的抑制措施。经过实际测试记录的最大磁场为138mGs，而CRT显示器满足磁场强度为1A/m（磁感应强度为12.6mGs）的要求。①采用抗工频磁场干扰性能强的CRT或液晶显示器，其工频磁场抗扰度试验等级应达到三级以上，具有功能或性能暂时降低或丧失，但需操作者干预或系统复位以上防护能力。②去除干扰源。结合变电所的整改工程，取消电力加强线，或将该线移到远离信号楼的地方。③信号楼采用屏蔽或显示器加屏蔽罩，屏蔽效能应能达到20～30dB。由于低频磁场不易屏蔽，加之不能遮挡屏幕，所以在屏蔽材料、尺寸、开口方向、孔隙安排等方面做周密考虑。

3.无线集群电话干扰信号设备的抑制措施。在微电子设备附近，应限制大功率无线通信设施或器材的使用，同时信号设备工作场所应考虑射频源的影响，设备本身应采取屏蔽及滤波等措施。

通过分析电磁干扰对信号系统的影响，对于不同的信号设备，应从干扰能量和影响严重性的角度出发，重点关注的干扰种类也有所不同。如：对于轨道电路，我们最为关注第一类干扰，即传导性干扰;对于信息传输电缆，我们最为关注第三、第四类干扰，即电容耦合的电场干扰和电感耦合的磁场干扰。因此，信号抗干扰技术研究应当建立正确的指导思想，重点考虑建立信号系统EMC设计理念，包括：①整个铁路系统与外界的电磁关系。②信号系统与铁路内部其他系统的兼容。③在同一环境中的各个信号设备之间的兼容。④信号设备自身的EMC设计。同时还应加强管理，对于信号设备，尤其是微电子设备的EMC设计，应该实行过程化的电磁兼容管理，对设备进行全生命周期（life cycle）设计。简单地说，从设计、研发、测试、生产、质量监督、使用维护、监测记录等各个环节，均涵盖电磁兼容的相关内容及要求，直到设备生命周期结束。

参考文献：

[1]范季陶，张晨.电气化铁道电磁影响问题的研究[C].EMC会议论文集，2006：288，292.

[2]周克生，张林昌.高速电气化铁道无线电噪声预测[J].铁道学报，1999，21（2）：54-57.

[3]虞尉民.铁路的电磁兼容通用要求[J].安全与电磁兼容，2007，（4）：22-34.

[4]杨克俊.电磁兼容原理与设计技术[M].北京：人民邮电出版社，2004.