温州市域铁路S1线计轴红光带问题分析及解决方案

郑儆醒 潘林杰

（1.温州市铁路与轨道交通投资集团有限公司运营分公司 浙江省温州市 325000）

（2.浙江众合科技股份有限公司 浙江省杭州市 310013）

1 引言

随着CBTC技术的发展，CBTC系统在城市轨道交通信号系统的应用越来越普遍。正常情况下，CBTC系统是不需要轨道电路作为区段轨道占用的检测手段。但是为了提高系统的可用性，确保CBTC系统在出现故障系统降级的时候还能正常运行，现在很多城市的地铁线路都会保留计轴设备来检测轨道占用情况。

温州市域铁路S1线最高车速有达120公里/小时，而当时的无线Wi-Fi通信无法支持这么高的车速，所以温州市域铁路S1线不是全线都支持CBTC，在没有移动通信的区段，必须使用计轴器作为列车占用轨道区域的检测设备。

计轴器通过统计进入区段和离开区段的车轴数来判断列车的占用及出清情况。当进入区段的车轴数与离开区段的车轴数一致，就认为区段处于清空状态；当进入区段的车轴数大于离开区段的车轴数，就认为区段处于占用状态。与以往的轨道电路相比，计轴设备具有很大优势，它可以在不依赖轨道的条件下，就能检测出长区间轨道的占有情况，同时还具有不受钢轨生锈和道床潮湿等这些环境干扰的优点[1]。

电力牵引是我们国家现在轨道交通的主要的动力源，电力牵引的供电回路通常由变电所→接触网→列车→钢轨等组成[1]。电力牵引通常是高电压大电流，牵引电压高达25kV，牵引电流达数百安培甚至上千安, 这种大功率非线性的整流逆变过程往往会带来非常丰富的谐波电流对轨旁的设备产生严重的干扰[1][2]。

2 计轴传感器

根据不同的车轮检测方式，可分为两种计轴传感器。一种是通过检测车轮的轮幅，来计入或计出一轴，另一种是通过检测车轮的边缘来计入或计出一轴[3]。由于轮辐计轴传感器的磁场路径与牵引回流磁力线方向相同，所以轮辐计轴传感器比较容易受牵引回流磁力线的干扰。而轮缘计轴传感器磁场路径与牵引回流磁力线方向相互垂直，所以轮缘计轴传感器相对轮辐计轴传感器更不容易受牵引回流的干扰[3]。本文讨论的温州市域铁路S1线采用的是TAZ II S295型计轴设备，属于轮缘计轴传感器。

计轴传感器的工作原理示意图如图1所示，由两个完全彼此独立的磁感应单元S1和磁感应单元SII构成，计轴传感器里面包含检波器、LC振荡器、恒流源、施密特触发器和配套的控制电路等部件。当行进列车的车轮靠近计轴传感器单元时，传感器的输出电平会由低电平转变为高电平，这个由低电平向高电平跳变形成的脉冲信号就是一个计轴脉冲信号。

图1：计轴传感器的工作原理示意图

当列车的车轮依次先后经过两个相互独立的磁感应传感器单元S1和SII时，这两个计轴感知单元也会依次输出两个计轴脉冲信号，这两个脉冲信号在中间相互重叠。两个计轴脉冲信号必须同时满足下面两个条件才认为是有效的计轴信号：条件一是两个计轴脉冲信号必须是有先后顺序；条件二是两个计轴脉冲信号在中间必须是有重叠区域。计轴脉冲信号只有符合上述两个条件，计轴系统才会计入一个车轴，或者计出一个车轴，如图 1所示[1][4]。计轴系统依据两个脉冲信号的先后顺序来判断列车的行进方向[1]。

计轴传感器的感知单元里面有一个LC振荡器，是一个非常敏感的部件。通过查看计轴传感器厂家的规格书得知，该计轴传感器有两个工作频点，一个频点是38kHz，另一个频点是42kHz。如果计轴传感器所在的周围环境存在38kHz和42kHz频点附近的干扰磁场，那么这个干扰磁场就会对计轴传感器的LC 敏感部分产生影响，进而导致计轴错误，行成红光带现象。

图2：牵引系统的原理图

图3：安全接地线电流谐波含量

3 牵引干扰谐波电流的产生

牵引供电系统主要由接触网、受电弓、变压器、整流器、逆变器、牵引电机和钢轨组成，如图2所示。列车由受电弓从接触网受电，再由铁轨回流，构成一个闭合的回路。铁轨既是供电的回流通道，同时又是列车上所有用电设备的保护接地，列车上的干扰电流均是通过这个通道释放到铁轨上。

干扰谐波电流通常是由列车上这些大功率的电气转换设备和非线性大功率的用电设备产生。变压器、整流器、变流器、牵引电机等电力电子设备是干扰谐波电流的主要来源。对于电力供电的地铁列车，接触网电弧和牵引动车是最主要的两种干扰电流谐波源[6]。

牵引动车通过受电弓从接触网受电，列车前后运动的时候，受电弓也会跟着前后和上下移动，接触网和受电弓之间就会产生一定程度的碰撞。碰撞的瞬间受电弓和接触网之间会出现短暂的分离，形成空气间隙。当接触网和受电弓之间电压大于这个空气间隙击穿电压时，就会产生空气放电，称为接触网电弧[7]。这个高压大功率的弓网系统形成的空气放电，会产生非常丰富的电流谐波分量，这些电流谐波成分最后都会通过铁轨回流，对轨道上的设备产生干扰[5]。

牵引动车采用的是交流到直流，再由直流逆变成交流的传动过程。直流到交流的逆变过程使用的是PWM脉冲调制技术。PWM控制电路按照正弦波的规律对输出脉冲的宽度进行调制来改变逆变电路输出电压幅度。逆变过程产生的谐波分量主要是以奇数次谐波为主，谐波的频率由PWM开关频率决定[5]。列车上非线性的牵引变压器和牵引电机也是电流谐波分量的主要来源[5]。同时，列车在运行过程中不断的加速和减速，对于这些不同工况，产生的电流谐波比例和大小也会跟着发生变化。电流谐波峰值有达30 dBμA[1]，谐波电流最终都会经过车轮回流到铁轨，并对轨道上的设备产生干扰，如图3所示。

4 计轴红光带的原因分析及解决方案

如上文所述，温州S1线采用的是轮缘计轴传感器，传感器安装于轨道上，其工作频率分别是38kHz和42kHz两个频点。当牵引供电产生的谐波分量在38kHz和42kHz这两个频点附近，这些干扰的谐波电流导入钢轨，在钢轨的周围产生磁场，就会对安装于轨道上的计轴传感器产生干扰。当这些谐波电流分量达到一定的幅值，产生的干扰会导致区间计轴错误，产生区间红光带现象。

通过对车上安全接地线电流频谱的测试，发现接地线上有 38kHz和42kHz这两个频点附近的谐波电流流过，如图4所示（蓝色是最大值保持， 黄色是实时值）。

由于地铁列车上安全接地线的电流谐波极其复杂，很难找到干扰源。为了抑制轨道上谐波电流对计轴传感器的干扰，在计轴传感器安装点前100米左右的位置增加接地线，让干扰谐波电流提前通过接地线释放到大地，避免了对计轴传感器的干扰。

通过对全线的计轴传感器安装点前增加接地线的措施后，红光带的现象有了显著的改善。

5 小结

牵引供电回流包含非常丰富的谐波分量，谐波电流通过钢轨回流，会对安装于轨道上的计轴传感器产生干扰，从而会导致计轴区间红光带问题。通过在计轴传感器前面的钢轨安装接地线，提前将干扰谐波电流引入大地，可以抑制牵引供电回流对计轴传感器的干扰。