太阳风暴对高速铁路轨道继电器的影响研究

钱学成， 张晨云， 刘明光，尹燕霖，李 扬，李 阳

(1.国网江苏省电力公司 常州供电公司，江苏 常州 213003；2.北京交通大学 电气工程学院，北京 100044；3.中国铁道科学研究院 标准计量研究所，北京 100015；4.国网山西省电力公司 晋城供电公司，山西 晋城 048000；5.国网浙江省电力公司 杭州供电公司，浙江 杭州 310020)

近些年，太阳活动比较频繁，太阳风暴平均每11年爆发一次，且有愈演愈烈的趋势。太阳风暴作为一种空间电磁效应，其产生的大量等离子体以1 000～2 000 km/s的高速度传播到地球近空[1]。太阳风暴在地球表面的不同地理位置处产生不同的磁场和电场，与地球本身的内部磁场和电场叠加，地表面产生电势差。文献[2]研究表明该电势差的数值为1 V/km，而在高纬度地区可能达到10～15 V/km。

太阳风暴对大电网及长管道的影响已经逐渐被媒体报道[3-5]。在2004年11月至12月期间，太阳风暴引发了强磁暴，与此同时，岭澳核电站周围的输电线路中电流谐波增加，电力变压器铁芯饱和，噪声增加。1989年3月磁暴期间，美国阿拉斯加的输油管道被腐蚀，从而导致管道泄漏，对环境造成污染。在2015年中国石油石化腐蚀与防护技术交流大会上，有关于“地磁暴对埋地油气管道腐蚀影响与对策”的报告。同样，敷设在野外且长数十千米的高速铁路钢轨也是一种特长导体模型。由此推断：由钢轨和继电器等设备构成的轨道电路，很可能受到太阳风暴的影响。

目前，国内对太阳风暴侵害高速铁路轨道电路的研究较少，见诸于文献的仅有本课题(国家自然科学基金项目(41374189))的一些研究。前期的研究侧重于地磁感应电流干扰轨道电路的电路原理与机理定性分析，以及地磁感应电流侵害轨道电路的物理过程和效应仿真。由于高速铁路信号直接受轨道继电器控制，研究地磁感应电流对高速铁路信号的安全问题，必须要讨论地磁感应电流对轨道继电器的影响，为此，本文从实际需要出发进行分析研究。

1 高速铁路轨道继电器的电气特性

轨道电路用来反映钢轨区段的占用和空闲，信号机灯光的颜色直接决定列车的行车状态，列车行车秩序混乱将严重影响高速铁路的正常运营。轨道继电器作为轨道电路的重要组成部分，是信号机的执行器材，继电器通过可靠工作反映轨道电路空闲，可靠不工作反映轨道电路占用。轨道继电器动接点吸起时，信号机灯光的颜色显示为绿色，落下时，信号机灯光的颜色显示为红色。轨道继电器是一种交流感应式继电器，利用电磁铁所建立的交变磁场与金属转子中感应电流之间相互作用的原理而动作，灵敏度较高。高速铁路轨道继电器采用JRJC-70/240型号，该轨道继电器的电气特性见表1，由继电器带轴翼板、轨道线圈、局部线圈和接点组四大部件构成。轨道继电器应动作灵活，无机械卡阻现象，继电器动接点接触电阻应小于等于0.1 Ω，工作时接点系统在上，磁路系统在下。在环境温度为60 ℃且加于轨道继电器局部线圈两端的电压为110 V，轨道线圈两端的电压为15 V时，线圈的温升应不超过45 K[6]，轨道线圈电压滞后于局部线圈电压的理想相位角为90°，翼板得到最大转矩，此时继电器的动接点处于最佳吸起状态。

表1 继电器的电气特性

2 太阳风暴侵害高速铁路轨道继电器的机理

我国高速铁路营运采用AT供电方式，在这种供电方式下，牵引供电所的牵引绕组和自耦变压器中点均需与大地连接，太阳风暴产生后，在地球表面引发的电势差计为ESP(Earth Surface Potentials)。ESP、钢轨和大地三者构成回路，在钢轨中就会存在流通的GIC，如图1所示，GIC的频率在0.001～0.1 Hz之间，为准直流，会持续几分钟，甚至几十分钟[7]。GIC在钢轨中流通，高速铁路轨道基本采用无缝钢轨，相邻两个车站区间的钢轨很少存在机械绝缘节，绝缘节一般只布置在列车进站处和出站处，为GIC的流通提供了方便。由于钢轨不平衡度的存在，一般情况下GIC在两根钢轨中的数值不相等，GIC在轨道电路中传输，经过扼流变压器和轨道中继变压器的线圈电磁感应侵入轨道继电器中，其流通路径如图2所示。GIC的频率较小，防护盒中的滤波装置对GIC的流通不起阻碍作用，从而GIC经过扼流变压器、轨道变压器的电磁感应侵入了轨道继电器。由轨道继电器的电气特性可知，其工作电流较小，不大于0.04 A，所以即使GIC很小，也很有可能造成轨道继电器误动作。

图1 GIC在高速铁路运行时的流通图

图2 GIC侵入轨道继电器的路径示意图

2.1 不受太阳风暴影响的轨道电路各节点电气参数计算

轨道电路的四端网传输模型如图3所示，每个设备的电气参数取其有效值[8]。在调整状态(轨道电路中无列车)时，轨道继电器GJ的工作电压Uj=15 V、工作电流Ij=0.039 A、轨道线圈阻抗角为70°。轨道变压器的变比为1∶15，受电端扼流变压器至受电端轨道变压器间的连接线电阻Ry=0.3 Ω，受电端轨道变压器至轨道继电器间的电缆阻值Rl=100 Ω(电缆长度相当于单芯一去一回2 km)，限流电阻RS=4.7 Ω，包括送电端扼流变压器至送电端轨道变压器间的连接线电阻。防护盒阻抗值ZHF=400∠-88° Ω。

图3 轨道电路四端网等效电路模型(无GIC)

送电端BE-400/25型扼流变压器的四端网络参数矩阵为

受电端BE-400/25型扼流变压器的四端网络参数矩阵为

受电端BG25-130/25型轨道变压器的四端网络参数矩阵为

钢轨的分布参数等效四端网络图如图4所示。

图4 分布参数等效四端网络

coshγl=cosh(75.95+j29.15)=92.041 5+j40.706 6

=100.644 6∠23.86°

sinhγl=sinh(75.95+j29.15)=81.680 3+j31.152 2

=87.418∠20.87°

所以

A=D=coshγl=100.644 6∠23.86°

B=ZKsinhγl=53.325∠41.87°

在计算过程中，以轨道线圈的电流相角为0°为基准。

防护盒中的电流为

(1)

受电端轨道变压器次级线圈的电流和电压为

Ibgsh=Ij+Ihf=0.039+0.037 5∠158°=

0.014 66∠73.24°(A)

(2)

Ubgsh=Uj+Ibgsh×Rl=15∠70°+

0.014 66∠73.24°×100=16.463 87∠70.3°(V)

(3)

受电端轨道变压器初级线圈的电压和电流为

Ubgsh2=AbgshUbgsh+BbgshIbgsh=0.0715∠2.93°×

16.463 87∠70.3°+4.173 7∠8.3°×

0.014 66∠73.24°=1.237 74∠73.64°(V)

(4)

Ibgsh2=CbgshUbgsh+DbgshIbgsh=0.001 2∠-70.27°×

16.463 87∠70.3°+14.017 4∠-3.17°×

0.014 66∠73.24°=0.213∠65.07°(A)

(5)

受电端扼流变压器信号线圈的电压和电流为

Ubesh1=Ubgsh2+Ibgsh2×Ry=1.237 74∠73.64°+

0.213∠65.07°×0.3=1.300 95∠73.23°(V)

(6)

Ibesh1=Ibgsh2=0.213∠65.07°(A)

(7)

轨道电路终端即受电端扼流变压器牵引线圈的电压和电流为

UZ=AbeshUbesh1+BbeshIbesh1=0.329 5∠-0.62°×

1.300 96∠73.22°+0.032 8∠14.14°×

0.213∠65.07°=0.435 6∠72.7°(V)

=(0.105 9+j0.339 9)(V)

(8)

IZ=CbeshUbesh1+DbeshIbesh1=0.268 4∠-80.74°×

1.300 96∠73.22°+3.046 8∠0.15°×

0.213∠65.07°=0.823 1∠41.32°(A)=

(0.618 2+j0.543 5)(A)

(9)

2.2 受太阳风暴影响的轨道继电器两端电压变化

轨道电路处于调整状态，GIC在钢轨中流通时，在轨道电路中叠加GIC，可将GIC等效为在一根钢轨中流通，此时其数值为两钢轨中的GIC差值，为实际的GIC与钢轨不平衡度相乘。如图5所示，因为GIC为准直流，电感相当于短路，电容相当于断路，所以只需取受电端四端网络参数矩阵的实部，可得

图5 轨道电路受电端四端网等效电路模型(有GIC)

轨道电路受电端总的四端网络参数矩阵为(忽略电感、电容)

(10)

利用电路叠加定理，可得

(11)

ΔUj=GIC×(-5.547 2)

(12)

由式(12)可知，GIC在钢轨中流通会导致轨道继电器的端电压下降，由文献[10，11]可知，在中低纬度地区，钢轨中流动的不对称地磁感应电流的数值为0.25 A，而在高纬度地区，钢轨中流动的不对称地磁感应电流的数值为1.5 A。当GIC为0.25 A时，轨道继电器两端的电压降低了1.386 8 V。因为轨道继电器存在继电特性，且由表1可知，继电器轨道线圈两端的电压有效值小于8.6 V时，继电器动接点才落下，故0.25 A的不对称地磁感应电流不会使轨道继电器误动作。但当GIC为1.5 A时，轨道继电器端电压下降了8.320 8 V，经计算继电器的端电压低于7 V，故动接点落下，造成轨道继电器误动作，轨道电路将发码异常，使信号机灯光显示的颜色由绿灯变为红灯，此时认为有列车通过轨道电路，给高速铁路的安全营运带来干扰。

3 GIC对轨道继电器的仿真计算

根据文献[12]和上述计算得出的参数，对继电器的选频特性采用局部线圈电压超前轨道线圈电压90°进行模拟，利用Ansoft软件对轨道继电器的结构及工作方式进行仿真。仿真参数设置如图6所示，建立的轨道继电器结构模型和剖分图模型如图7所示。将不同数值的地磁感应电流通入轨道继电器的轨道线圈，在调整状态下仿真得到轨道继电器的端电压波形图如图8所示[13]，分别对应的端电压有效值及其是否达到误动条件见表2。可以看出，随着GIC的增加，轨道继电器的端电压随之降低，与式(12)结论一致。当GIC达到1.5 A时，轨道继电器两端的电压有效值约为8.8 V，极有可能导致继电器误动作，当GIC继续增大，轨道继电器的端电压继续减小，小于继电器的释放电压8.6 V时，将不能使前接点吸起，此时继电器的动接点处于释放状态，信号灯闪红。

图6 轨道继电器的仿真参数设置

图7 轨道继电器的结构模型和剖分图模型

图8 不同数值的GIC对应的轨道继电器端电压波形

表2 不同数值的GIC对应的继电器端电压有效值

图9和图10分别反映了通入不同数值的GIC后，轨道继电器的总损耗对应的波形和直观3D图。可以看出，随着GIC的增加，继电器的损耗也增加，无GIC通入时，轨道继电器的损耗约为1.94 W，当GIC达到2.5 A时，继电器的损耗达到了6.04 W，约为正常情况下的3倍，此时继电器的工作效率降低，铁损和铜损引起继电器发热增加，有可能超过继电器规定的温升，使轨道继电器的工作寿命缩短。

图9 不同数值的GIC对应的继电器损耗波形

图10 不同数值的GIC对应的继电器损耗三维图

图11和图12反映了通入不同数值的GIC时，轨道继电器的前接点压力对应的波形图，表3反映了不同数值的GIC对应的继电器前接点压力有效值及其是否达到误动条件。由表1轨道继电器的电气特性可知，当继电器的前接点压力不小于240 mN时，轨道继电器的动接点处于落下状态，当GIC达到1.5 A时，轨道继电器处于误动作边缘状态，与表2中的结论一致，当通入的GIC继续增加时，继电器前接点压力继续增加，继电器动接点将落下，与轨道继电器的铁芯紧密贴合，此时继电器误动作，使信号机灯光的颜色错误显示。

图11 不同数值的GIC对应的继电器前接点压力有效值

图12 不同数值的GIC对应的继电器前接点压力波形

表3 不同数值的GIC对应的继电器前接点压力有效值

4 结论

(1)太阳风暴对轨道信号的影响途径主要是：地磁感应电流窜入高速铁路轨道电路(钢轨、受电端扼流变压器、受电端轨道变压器、轨道继电器)，在不利的情况下会导致轨道继电器动接点发生错误释放。

(2)轨道继电器两端的电压与钢轨中流通的不对称地磁感应电流有关。式(12)计算表明，一旦有1.5 A的不对称地磁感应电流流入钢轨，将导致继电器的动接点失压落下，意味着在调整状态下，信号机灯光的颜色会发生错误显示，影响安全行车。这一点需要引起高速铁路运行部门的高度重视。

(3)针对太阳风暴引发的地磁感应电流对轨道继电器的损耗以及对前接点压力造成的影响，利用Ansoft软件仿真得出：1.5 A以上的不对称地磁感应电流流入轨道继电器，将导致继电器的端电压和前接点压力同时达到误动条件，与式(12)的计算结论一致；且当不对称地磁感应电流达到2.5 A时，继电器的损耗是无地磁感应电流时的3倍，将导致继电器发热增加，使继电器加速老化，影响轨道继电器的寿命和正常工作。

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