牵引谐波、供电回流系统对ZPW-2000A轨道电路的影响及防护

杨晓锋

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

牵引谐波、供电回流系统对ZPW-2000A轨道电路的影响及防护

杨晓锋

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

随着高速铁路及客运专线的大量建设，电力机车、供电回流系统日益复杂，对ZPW-2000A轨道电路产生的干扰也越来越多。对两起现场案例进行详细描述，分析干扰产生机理并提出解决方案。

ZPW-2000A轨道电路；牵引谐波；频率干扰

ZPW-2000A轨道电路目前全路装备约10万km，随着近年来机车类型的升级换代及回流系统的影响，轨道电路出现随列车运行下的工作电压波动或受干扰情况。

1 现场案例分析

1.1供电回流谐波耦合至钢轨线路造成轨道电路被载频干扰

某线联调联试期间，检测车对ZPW-2000A轨道电路区段检测出2 600 Hz干扰信号，且干扰信号幅度很大，导致动检车在该区段运行时，出现掉码情况。内燃机车连挂的检测车对该区段检测时，未检测出相关信号干扰。动检车检测出的干扰如图1所示。

图1　区段受载频干扰图

现场进行调查，轨道电路工作正常，钢轨线路不存在不平衡现象，排除区段受到邻线、邻区段、电缆串音干扰等情况，常态下未在线路上测试到2 600 Hz干扰信号。被干扰区段钢轨线路外侧发现与线路并行长度约150 m的供电电缆。

利用动车拉动试验时间段，在区段室内送、受端电缆侧进行信号采集测试。查看采集信号的频谱，未见轨道电路送、受电端通道内存在2 600 Hz信号侵入情况。排除了干扰信号侵入轨道电路送、受电端通道的情况。现场供电电缆布置如图2所示。

图2　现场供电电缆设置

在轨面、供电电缆上进行信号采集测试，有如下情况：

1）内燃检测车通过时，无干扰信号出现，信号采集如图3所示。

2）电气化检测车通过本区段或其邻线时，均在区段轨面及电力电缆上采集到相同的干扰信号，且信号同时出现、频率相同、变化情况一致。信号采集如图4所示。

图3　内燃机车运行时无干扰信号

图4　电力机车运行时的干扰信号频谱曲线

3）干扰信号频率为2 550～2 650 Hz的幅度较高。

因此，供电电缆上产生与轨道电路频段相近的谐波耦合至钢轨线路，车载接收后错误判断，致使轨道电路发生频率干扰情况。

1.2牵引回流谐波高频分量不平衡引起轨道电路电压波动

某站内道岔区段使用ZPW-2000A一体化轨道电路，有道岔区段在股道发车时，出现轨出电压波动现象。轨出电压呈振荡波动状态，随列车远离后，波动消失。轨出电压波动如图5所示。

图5　电压波动截图

对比接收端电缆侧电压和轨出电压的变化情况，接收端电缆侧电压未出现明显上升现象，因此，可认为是轨道电路接收端通道受到干扰。

在室外回流通道中的扼流变压器上对牵引电流和轨面电压的谐波成分进行采集，得到不同车辆发车时牵引电流的频谱。

运行车辆类型为380B、380BG、380BL、380CL、380D重联和CRH2C共6种，截取典型的牵引电流频谱如图6、7所示。

图6　380BG型发车时的牵引电流频谱图

图7　380D 型发车时的牵引电流频谱图

如图6、7显示，动车组运行时会产生牵引谐波，各种车型谐波含量和分布均不同，其中380B（G/L）型车谐波含量最少，380C及CRH2C含有较大的低次谐波，而380D型车则含有大量的3～4 kHz、6～8 kHz谐波。流经受端扼流引接线的牵引电流低次谐波基本一致，是平衡的，而高频谐波（2 kHz以上）有不平衡的现象。

轨面电压的高频谐波分量与不平衡的牵引电流高频谐波分量成对应关系。当谐波中含有4 150 Hz 或8 150 Hz频率时，就造成轨出电压波动。

2 原因分析

2.1谐波耦合干扰

当钢轨回路处于外界信号交变磁场时，会在钢轨回路中产生耦合信号电流，如图8所示。

图8　谐波信号耦台干扰原理图

机车轮进入轨道电路频段的谐波耦合回路范围内对钢轨分路时，产生分路电流，电流大小超过车载接收门限值后出现轨道电路受到干扰情况。

2.2谐波频率干扰

采样定理（sampling theory）：若连续信号x（t）是有限带宽的，其频谱的最高频率为fc，对x （t）进行采样时，若保证采样频率fs≥2fc；那么，可由x（nTs）恢复出x（t），即x（nTs）保留x（t）的全部信息。

采样定理是由奈奎斯特（Nyquist）和香农（Shannon C.E.）分别于1928年和1949年提出的。该定理指出对信号采样时必须遵循的基本原则：对实际信号x（t）进行采样时，首先要确定其最高截止频率fc，以确定大于2fc的采样频率fs。也就是说，当采样频率为fs时，其能最高分辨的信号频率便是采样频率的一半，即fs/2。而如果fs/2低于待分析信号中的频率分量，则会出现频率“混叠”现象。

ZPW-2000A轨道电路监测设备的采样频率fs=6 150 Hz，能够分辨出的最高信号频率为fc=fs/2=3 075 Hz，这对于1 700～2 600 Hz的移频信号能够准确采集。但是，当信号通道中叠加有高于fs/2频率的谐波信号时，监测设备便不能对这些高频信号频率进行真实分辨，而是将其误认为3 075 Hz以内的信号，从而产生频率混叠，造成监测曲线出现波动情况。

根据计算可得出ZPW-2000A轨道电路各载频频段可混叠高频频率，如表1所示。

表1　可混叠高频频率列表

3 解决方案

3.1对外部耦合的防护

1）加强专业沟通，在设计、施工层面杜绝。

2）对干扰源加装屏蔽措施，减少干扰值。

3）减小钢轨线路与外部干扰信号发射源间的并行长度，降低干扰值。

案例中，现场通过对供电电缆外侧加装铁板作为屏蔽，并良好接地后，该区段干扰信号明显降低。加装屏蔽措施后的动检车检测结果如图9所示。

图9　加装屏蔽措施后的检测结果

3.2谐波频率的防护

1）制定机车牵引谐波范围的相关标准，从源头控制谐波量产生和大小。

2）减小钢轨不平衡度，降低谐波干扰强度。

3）针对牵引谐波频率设置区段载频，使轨道电路频带避开谐波频率。

4）提高监测设备的采样频率。

案例中，现场区段载频为2 000 Hz，根据表1的描述，当牵引回流中含有4 100～4 200 Hz及8 100～8 200 Hz分量时，区段轨出电压出现波动。若将该区段载频更换为2 600 Hz时，谐波分量就不会对2 600 Hz频率产生影响。

With the development of high speed railways and passenger dedicated lines， the electric locomotive and the return path of traction current become more and more complex. Meanwhile， the interference to the ZPW-2000A track circuit is also becoming more serious. The paper introduces two cases in detail and puts forward solutions based on analyzing the mechanism of the interference.

ZPW-2000A track circuit； traction harmonic； frequency interference

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.04.024

2016-03-06）