铁路客运专线对城市地铁电磁干扰分析研究

程 敏

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

铁路客运专线对城市地铁电磁干扰分析研究

程 敏

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

为提高轨道交通的快捷性、舒适性，对各类轨道交通相互结合的紧密度要求越来越高，随之而来的铁路与地铁的相互影响也突显出来，重点分析铁路客运专线与城市地铁衔接后，交流牵引电流对地铁的电磁干扰情况，并提出应采取的相应措施，其研究结论对地铁信号等弱电系统的实施具有一定指导意义。

铁路；客运专线；地铁；电磁；兼容；研究

1　研究背景

随着我国轨道交通的大力发展，铁路（在城市主要体现为客运专线）正向市区各个角落延伸，并可能与城市轨道交通（地铁、轻轨）连接。如成都地铁2号线西延线（以下简称地铁）与成灌铁路客运专线（以下简称客专）在犀浦车站接轨、实现同站台换乘，如图1所示。地铁为城市轨道交通主干线，牵引供电为直流1 500 V架空接触网，采用四动两拖6辆编组的地铁B型车，最高设计速度为80 km/h，信号系统采用基于通信的列车控制系统（CBTC），车地无线通信采用2.4G、802.11标准；客专是高速电气化铁路，采用CRH和谐号动车组；8辆编组、预留两列连挂运行，最高设计速度为250 km/h，交流25 kV牵引接触网供电，信号系统采用CTCS-2级列控系统。

接驳站—犀浦站为高架站，如图2所示，铁路与地铁设计为同向、同站台换乘，如图3所示，共设两个岛式站台，客专上、下行线路分别位于两站台最外侧，站台长约450 m、宽约15 m；地铁线路位于两站台之间, 即2座岛式站台分别位于客专线路与地铁线路的中间。

此环境下，客专与地铁的控制设施处于非常接近的位置，客专铁路特别是其交流25 kV牵引强电流对地铁弱电系统可能产生非常不利的干扰，为此，本课题重点研究铁路牵引电流对地铁弱电系统的干扰问题。

2　铁路电磁干扰分析

2.1铁路客专的供电结构

铁路牵引供电系统包括铁路牵引变电所、馈电线、接触网、轨道回路供电系统等，如图4所示。

2.2电气化铁路干扰源的分类

电气化铁路产生的电磁干扰主要有以下几类：

1）静电感应

电气化铁路额定供电电压为25 kV，由于静电感应，接触网的高电压在周围空间会产生很强的电场，从而使周围的非带电金属部件产生很高的对地电位，因此这些金属部件必须进行良好的接地，以免人身和设备遭受危害。这些部件包括接触网的钢柱、金属支撑结构、距接触网带电部分5 m以内的所有非带电金属结构（或金属外壳）。

2）电磁场耦合

电力机车牵引电流通过的环路很大，从而产生交变电磁场，进而影响设备的正常工作。牵引电流中的高频成分来源于电流中的脉冲，包含从低频到高频很宽的频率成分，可产生对外界的电磁干扰。其中，弓网离线放电噪声是电气化铁路产生射频电磁干扰的主要根源。

为了减少电气化铁路对外界的电磁场耦合干扰，铁路部门在直接（TR）供电方式的基础上加设了回流线，即直供加回流线（TR-NF）供电方式，可以减少大约一半的干扰。进一步又采用吸流变压器（BT）供电方式和自耦变压器（AT）供电方式，使干扰影响有较大的改善。

3）直接耦合

牵引电流以钢轨作为回流途径，即使不是直接供电方式，部分钢轨中也会有回流，特别是在机车与吸上线之间存在“半段效应”，在这半段距离内，回流还要从钢轨上经过才能到达吸上线。两根吸上线间的距离在BT供电方式中为2～4 km，而轨道电路的闭塞区间一般长度为1～2 km，因此两根吸上线之间可能包括多个信号闭塞区间。若信号系统选用轨道电路制式，则牵引电流就可能“直接耦合”到轨道电路中。

4）地电流

牵引电流由机车传送到钢轨后，回流中的一部分经钢轨，另一部分经大地回归牵引变电所。回流电流的分配由钢轨对地漏泄电阻决定，漏泄电阻大，大地泄漏电流就小。电气化区段一般泄漏电阻为0.3～1 Ω.km，大地泄漏电流约为回流的10%～20%。

地电流产生的另一个因素是各种接地电极中的电流流入大地。电气化区段内有很多设备都设有接地极，例如牵引变电所、分区亭、AT所、接触网的高压变压器、支柱、站台上的避雷架空线、通信信号设备的保护和防雷用的接地极等。

地电流从接地极向四周的土壤扩散，引起地电位升高，当地电流很强时，土壤中的电位梯度很高，如果超过临界值，就会产生地下电子流放电，在放电区域埋设的地下电缆就很可能发生电缆绝缘被击穿的现象。

2.3弓网离线原因分析

弓网受流过程中发生连续火花，说明受电弓滑板与接触导线在运行中发生脱离，瞬时切断了电流，引起电弧。弓网离线放电是电气化铁道产生射频电磁干扰的主要根源。对造成这种现象的原因进行分析。

1）接触网波动引起的弓网振动不匹配

接触网和受电弓在高速运行中形成了一对动态振动系统，两个子系统相互激励，各自又有自己的固有振动参数。当弓网振动不匹配，接触压力为零时，造成受电弓滑板脱离接触导线，即“离线”。接触压力变化的主要原因是由于接触导线悬吊点周期的弹性变化、吊弦间接触线的弛度及导线高度不平顺所致。

理论分析可知，受电弓受到的接触线入射波动使接触力发生变化，受电弓的接触力变化与入射于受电弓的接触线波动速度和振幅成正比，受电弓和接触网的机械阻抗越小，接触力的变化越小。理论分析时，假设接触线是一无限长的弦，但实际的接触网结构，在吊弦点、定位点、下锚点和其他集中质量点均有波动反射，并传播到承力索上，又对受电弓成为入射波动。单弓或双弓运行工况下，受电弓均受到入射波动。受电弓的接触力变化受吊弦点等的反射波和先行受电弓(双弓运行时)的行波等受电弓入射波动影响。改进接触网结构，使入射到受电弓的接触线波动减少，可有效降低高速运行时的接触力变化。

实际表明，接触网的振动加速度在受电弓通过时为最大，其大小与列车速度成正比。接触网振动频率范围，跨距间单位固有振动频率为1 Hz，吊弦间单位固有频率约为10 Hz，弓头的固有振动频率及波状磨耗周期在几百Hz。减少接触网振动可以改善受流性能。

2）导线不平顺引起弓网连续离线

在导线不平顺(有小弯)和导线高度变化较大处，受电弓受到导线不平顺缺陷扰动后，弓网产生剧烈的振动可能造成离线。造成接触线不平顺的原因有几个方面：由于接触线施工放线时操作不当，造成接触线底面不平顺(或称为硬弯)；接触线出厂时本身存在不平顺等。

研究表明，对接触线连续谐波类型的不平顺，其谐波的波长对弓网接触力有重要影响，波长为5 m的正弦波对接触力影响明显。实际接触线不平顺的谐波类型和波长很难测得。测试结果表明，如果接触导线存在不平顺，不论是银铜接触线或是镁铜接触线，都会产生连续弓网离线火花，不平顺幅值越大，离线火花越严重。

3）接触导线的材质影响

接触线内部材料金相组织应做到颗粒细小、分布均匀，使得接触线的刚度均匀。如果接触线内部存在孔洞，颗粒过大或分布不均，接触线在加上工作张力后，造成刚度不均，受电弓滑板在沿导线底面摩擦时，容易受到小的冲击，形成小的离线火花。

4）其他原因

吊弦间隔的接触线高低不平引起的周期性离线：接触网相邻吊弦点的接触线高度应一致，在接触线有坡度要求时，吊弦点的接触线高度应均匀变化。当吊弦点的接触线高低不平时，将造成弓网离线。

接触线的大硬弯、大质量的零部件等造成硬点会引起离线。

接触导线波状磨耗也会引起连续小离线火花。

3　结论及措施建议

通过对电气化铁道弓网离线产生的电磁干扰进行分析，结合现场的测试数据，对于弓网离线放电脉冲对地铁弱电系统的干扰问题，初步得出以下结论及措施建议。

3.1客专电气化干扰的影响

电气化铁道及列车的低频段电磁干扰主要是牵引电流引起的，由于地铁信号系统在正线上通常不采用轨道电路，且在铁路与地铁的接近区段，两线间距一般为10 m以上，脉冲强度会有很大程度的衰减，因此，电气化干扰应不会影响地铁信号设备的正常工作。

电气化铁道和列车的主要射频干扰是由弓网离线放电产生的，产生的射频干扰主要集中在500 MHz之内，对基于WLAN的CBTC系统和导乘系统等，弓网离线放电产生的射频干扰不会影响其正常工作。对于Tetra数字集群系统，弓网离线放电对于其语音业务的影响比较微弱，不会明显降低语音通话质量，对于其数字业务，考虑到扩频通信的特点，不应会有明显干扰。

3.2现有各种通信设施的影响

现有环境的通信设施主要有：机车电台、GSM-R、GSM、CDMA和WLAN。其中，移动通信GSM、CDMA和民用WLAN等其他的通信信号与铁路系统无关。

铁路的机车电台和站场工作人员使用的无线手持机的工作频率是450 MHz左右，其信号较强，测量得到的电场强度约为100～120 dBμV/m左右，其信号和杂散辐射有可能对Tetra系统的性能造成影响。根据国家无线电管理委员会对移动通信工作频段的规定，Tetra系统工作频段为160 MHz频段：138 MHz～149.9 MHz （上行）/ 150.05 MHz～167 MHz（下行）；450 MHz频段：403 MHz～420 MHz （上行）/450 MHz～470 MHz（下行）；800 MHz频段：806 MHz～821 MHz（上行）/851 MHz ～866 MHz（下行）。如果Tetra系统选择450 MHz系统，那么机车信号落入Tetra的下行频段，可能造成严重的同频干扰；因电气化铁道和列车的射频辐射干扰主要集中在500 MHz以下，为避免电气化铁道和机车电台的电磁干扰，可考虑将工作频段设置在800 MHz频段，则机车电台信号的干扰降低为杂散辐射干扰，相对较弱。对于800 MHz频段，就GSM-R而言，其工作频段为885 MHz～889 MHz（上行）/ 930 MHz～934 MHz（下行）,二者频段不重叠。对于移动、联通的GSM而言，GSM900使用的频段为905 MHz～915 MHz （上行）/950 MHz～960 MHz（下行），频段也不重叠。但是，对于Tetra系统，实际使用时必须考虑可能的移动信号干扰，如果出现移动信号的干扰，可在设备选型时通过选择合适的工作频段降低其影响，并与相关单位协商解决。

通过实验及分析研究，认为更需要重点关注其他通信信号对地铁设备的电磁干扰问题。由于地铁的CBTC、导乘等系统使用的无线通信方式为基于IEEE802.11无线局域网协议的WLAN技术，而地铁设备的工作原理与民用WLAN设备并无差别，因而，民用WLAN信号就成为一个重要的干扰源；随着无线智能终端的普及，民用WLAN信号会愈加密集地出现在地铁运用环境中，很可能对地铁系统造成干扰，如出现信道阻塞或失效现象。

解决方案：首先是考虑增强信号的覆盖强度，并可根据现场的频率分布，自适应地选择空闲信道等。其次，考虑到WLAN设备通常支持2.4 GHz和5.8 GHz两个频段，2.4 GHz频段为公共开放频段，存在的干扰较多，而5.8 GHz频段目前尚未开放，可以考虑将5.8 GHz作为备选方案，在2.4 GHz频段受干扰严重、信道阻塞时，可申请启用5.8 GHz频段。此外，正逐步进入轨道交通各领域的LTE（长期演进）技术，有较强的抗干扰能力，可作为一种新选择。

弱电系统电磁兼容是当今轨道交通工程建设中的一个重要指标，是保证通信、信号系统安全可靠运行的关键技术。在国内，为满足铁路电磁兼容工程应用的需要，借鉴EN50121-4和EN50121-3标准，我国颁布了《铁道信号电气设备电磁兼容性试验及其限值》（TB/T 3073-2003）、《机车车辆电气设备电磁兼容件试验及其限值》（TB/T 3034-2002），规定了铁路信号控制系统中信号电子设备的电磁兼容试验项目，我国客运专线的电磁干扰度均在标准的有关规定之内。目前，地铁尚没有相应的行业电磁兼容标准，建议所有地铁设备，特别是信号设备等必须参照铁路标准和国际标准，即铁路、地铁工程均应满足上述电磁兼容的相关标准要求，则即使出现客专与地铁并行的环境，客专25 kV牵引接触网、牵引供电系统及铁路相关设施也不会对地铁通信、信号系统产生干扰，不会影响地铁系统安全正常运营。参考文献

[1]中华人民共和国铁道部.TB/T 3073-2003 铁道信号电气设备电磁兼容性试验及其限值[S].北京：中国铁道出版社，2003.

[2]中华人民共和国铁道部.TB/T 3034-2002 机车车辆电气设备电磁兼容性试验及其限值[S].北京：中国铁道出版社，2002.

[3] BS EN 50121-3-1:2006 Railway applications—Electromagnetic compatibility—Part 3-1: Rolling stock—Train and complete vehicle[S].

[4] BS EN 50121-3-2:2006 Railway applications—Electromagnetic compatibility—Part 3-2: Rolling stock—Apparatus[S].

[5] BS EN 50121-4:2006 Railway applications—Electromagnetic compatibility—Part 4: Emission and immunity of the signaling and telecommunications apparatus[S].

In order to improve demands for rapid and comfortable transportation of rail transitsuch as railways, metro lines and light railways, the interrelationship between different transportation modes should be well treated, especially at join area between a passenger dedicated line and a metro line in urban rail transit. This paper analyzes and studies the electromagnetic interference of the railway traction current to the metro line in the coexistence region and puts forward corresponding electromagnetic interference protection measures. The study results have certain guiding signifi cance to implement metro signaling and communication systems.

railway; passenger dedicated line; metro; electromagnetic; compatible; research

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.03.006

2016-03-31）