电气化铁路对铁路通信的干扰问题以及防护措施研究

2021-04-22董富月

科技经济导刊 2021年10期

关键词：电气化铁路电动势接触网

董富月

（中国铁建电气化局集团第二工程有限公司，山西太原 030023）

电气化铁路的牵引供电体系、贯通地线、弓网电弧均可能引发铁路通信干扰问题，这往往会导致继电设备干扰、信号电缆绝缘皮击穿、电源脉冲受到干扰等问题出现。为尽可能排除铁路通信受到的电气化铁路干扰，正是本文围绕该课题开展具体研究的原因所在。

1.电气化铁路对铁路通信的干扰问题

1.1 贯通地线干扰

如电流和电缆线在信号电缆中对称，存在得到感应电动势相同的贯通地线两边信号电缆，但二者的方向相反，此时存在为0的感应电动势。如存在不对称的贯通地线与信号电缆电流输入点，且感应电流出现于信号电缆中，这会导致感应电动势产生，感应电动势会在贯通地线的一端出现峰值。工作正常时贯通地线会出现60V以下的感应电动势，同时信号电缆线外皮较小电流波动会导致较大的感应电动势出现于电缆中，线路接触网故障会导致30V以下的反应电动势出现[1]。

1.2 牵引供电体系干扰

干扰可细分为两类。第一，牵引传导性干扰。电子化铁路牵引供电体系存在的电流不平衡会引发电磁干扰问题，作为牵引电流与信号设备的载体，阻抗较大的钢轨和不对称的变压器线圈会导致电流对地泄漏，电流不平衡现象将因此出现，进而导致感应动势出现于变压器两边[1]。两根钢轨的差相直接关系感应动势大小，如存在超过限制的差值，轨道机电设备将受到直接影响；第二，牵引电磁干扰。铁路线路高负荷运行引发的干扰也需要得到重视，这一过程中产生的电磁会直接影响电缆的相关信号，如存在达到一定水平的电缆感应电动势，信号电缆绝缘皮击穿问题很容易出现，进而威胁行车安全。信号电缆屏蔽接地向来受到重视，只有优选接地方式导出干扰电流，方可保证行车安全[2]。

1.3 弓网电弧干扰

图1 电能获取方式

25kW的高压交流电为电气化铁路的机车工作环境，电机以接触导线和受电滑板间的滑动为电能获取方式，具体如图1所示。围绕图1进行分析可以发现，弓网离线的情况很容易在机车运行过程中出现，虽然运转过程中的机车能够承受瞬间高温电弧并维持受流稳定，但由此产生的电磁干扰不应被忽视，这类干扰可细分为四类。

第一，弓网地电弧干扰。受流阶段的机车会因受电弓与接触线接触不稳定出现较大车速波动，整体恶化的机车系统会影响设备工作稳定性，运行中的供电质量和平稳性均会受到威胁；第二，牵引网电压突变。弓网离线电弧会导致牵引网电压突变，进而干扰电源脉冲，围绕同时负责电车供电和现场控制系统计算机系统供电的电源网络进行分析能够发现，弓网离线对信号电源系统带来的影响较为深远，计算机控制故障也很容易因高幅值脉冲引发；第三，高次谐波电压影响。高次谐波电压可能因弓网离线电弧出现，轨道电路很容易受到影响，控制信号故障的发生几率会随之大幅提升；第四，高频电磁噪声干扰。高频电磁噪声干扰源于弓网电弧离线，大量能量释放引发的过电压、空气中较多数量高频电磁波的凝聚将对通信信号造成干扰，通讯信号中断问题也可能出现，受到高频噪声影响的机车控制信号将直接威胁机车运行稳定性和安全性。

对于铁路通信来说，电气化铁路带来的信号电缆干扰问题必须得到重视。作为闭塞地区接收发送电缆，铁路信号电缆在电气化轨道中的铺设需要依托预制好的槽进行，由于一同铺设信号电缆和地线，贯通地线和信号电缆间存在较大的磁耦合，远大于信号电缆与牵引供电系统正馈线、回流线、接触线的耦合[3]。综合分析能够发现，贯通地线与信号电缆间的耦合带来的干扰较为深远；进一步分析可以发现，电缆只注入到电流一侧时存在最大的电缆感应电动势，这种最大感应电动势带来的干扰问题必须得到重视。对于外壳接地的信号电缆来说，部分回流经过壳上部分，电缆受到的这部分回流干扰不容忽视。结合上文论述和相关研究可以发现，电气化铁路对铁路通信的干扰可细分为磁感应影响、电感应影响、地感应影响，磁感应影响源于交变电磁场，由接触网牵引电流引发，通信电缆线路与接触网的互感带来的影响必须得到重视。电感应影响源于接触网牵引电压的电场，大地与通信电缆线路、通信电缆线路与接触网的耦合电容会带来影响。地感应影响源于通过钢轨回流时接触网电流导致的大地电位升高，通信电缆线路和通信设备因此受到的影响也不容忽视[4-5]。

2.电气化铁路对铁路通信干扰的防护措施

2.1 基本防护措施

为有效防护电气化铁路对铁路通信干扰，可从三方面防护措施入手：第一，贯通地线干扰防护措施。为应对上文提及的贯通地线干扰，可优选新型材料，贯通地线的电阻可通过能够减小感应电动势的地线外套材质有效降低，泄漏能力可有效提升。施工铺设贯通地线时，应选用绝缘的电缆槽，将电缆与地线分开，二者的距离需要在1m以上，并使用填砂防护模式进行填充。室内监控体系的完善也需要得到重视，以此强化电缆质量检测，基于防护需要控制防护设备质量，并保证存在足够小的贯穿地线电阻，其接地的安全可靠也需要得到重视[6]。铁路周围的土壤的填充压实同样属于铁路周围地线布设的关键点，土壤的泄流能力需得到保障，并规避地线与信号电缆混淆问题，因此需远离信号电缆进行地线布设；第二，牵引供电体系干扰防护措施，对于处于25Hz的轨道电路系统，应设法增加饱和电流强度，具体可采用扼流变压器，具体需要增加其气隙并设置更多的抗干扰线圈，适配器的合理添加也极为关键，同时信号的抗干扰能力的增强还可以使用并联谐振[7]。在平衡电流环节，对牵引电流阻抗较小的ZPW-2000轨道电路线圈应得到重视，基于其特点即可实现电流平衡。考虑到现阶段存在较大的牵引电流波类，如偶次谐波、奇次谐波、50Hz基波，选取载频时为设法规避牵引电流干扰应选用高频偶次谐波，并保证牵引电网中地接触线与正馈线位置对称，以此更好应对干扰影响；第三，合理选用信号电缆。为降低外界磁场对信号电缆的干扰，应优选采用绝缘材料抗击穿能力较强绝缘材料的信号电缆，并采用单端接地方式进行信号电缆屏蔽层的接地，电缆线感应电动势带来的影响可有效应对，如需要采用双端接地，电缆屏蔽层的保护必须得到重视[8]。

2.2 接地防护措施

电气化铁路对铁路通信干扰的防护需得到接地防护措施的重视，通过连接接地装置和设备，即可提供较为有效的防护，结合电气化铁路通信设备及通信电缆的特殊环境，本文建议采用五种接地防护措施：第一，屏蔽地线保护措施。屏蔽地线保护措施可用于干线电缆区间，具体可每隔4km在干线电缆线路上设置地线，一般应选择电缆接头位置，以此通过接地装置将电缆的铠装钢带和金属护套与大地进行电气连接，通过迅速将铠装钢带和金属护套上积聚的感应电荷流入大地，即可保证其拥有接近大地电位的电位，零电位干线电缆可顺利获得。一般需保证存在4Ω以下的屏蔽地线接地电阻，特殊情况下也需要控制在10Ω内；第二，电缆电气隔离。为避免遭受强电袭击的干线电缆引发设备伤害问题，引入室内干线电缆的绝缘气闭必须得到重视，保证内外分离在绝缘气闭接头处实现，将地线与屏蔽地线连接引出。如存在超过2km的电气化铁路与地区电缆线路平行接近长度，电缆屏蔽接地应设置在主干电缆两端，引入通信机械室的地区电缆需做好闭气换接全塑电缆处理，同时并联地区电缆金属护套，接至屏蔽地线；第三，光缆防护措施。对于引入机械室的光缆，必须在光缆进入ODF架前做绝缘节，保证结缘节套管内ODF架内外光缆的皱纹钢带铠装、铝铂护层、加强芯断开且相互绝缘，以此得到金属部分电气分离的光缆，机械室引入强电流的问题将有效规避；第四，机械架保护装置设置[9]。为避免接触网干扰导致干线线路的通信设备损伤，进入通信设备前的干线电缆线路必须经过电化引入架的保安管及隔离变压器，并保证电缆芯线经保安管接保护地，由此强电袭击时的电缆线路能够保证芯线上积聚的电荷流入大地，保安管、保护地线能够有效保护通信设备。为防止强电引入设备，接入各种地区电缆时需先进入保安器柜或总配线架，为发挥防强电作用，需保证芯线经保安器接保护地。对于直接连接机壳或机架的长途电缆芯线，应对地绝缘；第五，通信设备地线保护。中间站的通信设备较为集中，应设置屏蔽地线、保护地线、工作地线，中心通信站需采用同等设置。通信设备的设备机体、直流电源正极接工作地线，需保证存在1Ω内的工作地线接地电阻。总配线架保安器、电化引入架保安器、设备外壳等接保护地线，需保证存在10Ω内的保护地线接地电阻。地区电缆、干线电缆等金属护套、铠装钢带接屏蔽地线，需保证存在4Ω内的接地电阻。不得设置与其他地线合用的电气化区段电缆屏蔽地线，必须做到分别设置，并保证存在20m左右的埋设距离。为更好应对电气化铁路对铁路通信干扰，接地地线需遵循一定安装标准，保证电气化铁路通信机房内分别安装屏蔽地线、保护地线、工作地线三种地线，选用带绝缘子的地线接线排，一般在静电地板下设置地线排，在距静电地板、距地面分别为0.2m、0.4m处安装[10-11]。