铁路数字信号电缆抗外界干扰素力的影响因素及控制

2022-03-07豆蕊王慧

电子测试 2022年24期

豆蕊，王慧

(西安西电光电缆有限责任公司,陕西西安，710082）

0 引言

由于铁路在高速行驶中需要进行多种通信，其通信距离可以达到数十公里，甚至数百公里，所以实现可靠的实时通信是一个亟待解决的问题。通过对车辆内部人员的实时了解，实现了对车辆的实时信息传递。当发生意外或紧急情况时，可以提供报警信息。公安部门在接到110报警后，可以通过拨打110报警，及时向铁路公司求助，以便及时解决事故。近几年，我国的通信技术工作者们发现，铁路信号的传播受到了多种因素的影响，信号的准确性、持续性和安全性都受到了严重的影响。因此，在不增加干扰信号、减小现有干扰信号幅度的前提下，保证有效信号的畅通是改造线路的关键。

1 铁路数字信号电缆的干扰形式

1.1 电磁干扰

电磁干扰是一种无法避免的干扰，它不但会对电子产品产生影响，而且会对器件的晶片产生损伤。由于地球电磁环境的影响，各种干扰的强度也会有差异。电磁波对信号线缆的影响是不断发生的。这种干扰有传导干扰和辐射干扰两类，它们的作用方向和作用的大小不同。前者是通过传导的，后者是通过辐射来实现的。电磁干扰可使列车信号强度下降，并在接近接收机时中断消失。

1.2 环境干扰

由于各地气候条件的差异，对铁路信号的传递造成了很大的影响。在空间上，当列车进入山区隧道或偏远地段时，其信号强度会显著降低；就气候而言，不同地区的风力、湿度、温度等指标的差异，会对信号的品质造成一定的影响。它会在不同的情况下对信号发送和接收设备产生干扰。通信理论认为，当频段较高时，频段较大，则意味着较高的载频会导致较大的频宽。但是它通过障碍物的能力却是越弱。尤其是新疆和西藏等落后地区，通信水平不高，需要在这些区域架设大量的通讯线路，以改善其通讯能力。因此，在不增加干扰信号、减小现有干扰信号幅度的前提下，保证有效信号的畅通是改造线路的关键。

1.3 谐波干扰

动力系统安全可靠，是电网安全、平稳、经济运行的关键。其工作状况直接关系着电网的安全、可靠、平稳地运营。但动力系统在正常工作时产生了谐波，对整个电力系统正常运行的信号有极大的影响。在动力系统中产生了巨大的谐波，引起了整个电网电压的畸变，对供电系统中各种电子设备的工作质量也产生了很大的影响，从而导致了系统的能量损失，更严重时还会产生系统的共振，引起装置的破坏。例如：在一般工作条件下，因为线路电压、电流值的改变，会产生较大的谐波，进而影响通信系统的传输能力，使信息在规定的时限内无法及时送达接收器。当供电发生故障时，因为电力的传输，会导致供电不均匀，导致供电失步，严重影响电网的稳定与安全。当电网发生短路时，电力分配和电压的大幅下降将会对并联的稳定产生不利的影响，进而使整个电网脱序。

2 铁路信号干扰造成的不利影响

2.1 安全性问题

温州高铁事件的最大原因在于通讯系统的信号传递出现了问题，由此可以看出，正确、及时地传递铁路信号是非常重要的。由于外部环境的影响，铁路信号在行车过程中很容易出现交通事故，严重影响了行车安全。如果前后两个方向的车辆都没有收到来自另一个方向的信号，那么就不能正确地判断出该车辆的运行状态，进而影响到车辆的驾驶性能，降低对道路的判断和反应，从而提高了事故的发生概率。如工作人员的疏忽，可能造成交通事故。由于缺乏对周边交通环境的正确认识，使得相关的交通管理系统无法对其进行正确的决策与控制，从而影响到交通的安全性和效率。因此，对交通信号路口交通控制进行优化，可以有效地降低车辆通行效率，减少交通延误，成为交通管制领域的一个重要课题。

2.2 效率性问题

铁路信号的干扰，将会对其“时效性”产生直接的影响，并对相邻的高速列车运行的安全性产生重要的影响。由于时间上的偏差太大，导致了对工作人员的辨识。高速行驶的铁路对行车安全的要求很高，对安全部位的控制也很困难，对驾驶员的生命安全构成了极大的威胁。它的监测数据通常是起伏的，特别是在列车运行过程中，它的变化幅度可以达到40～60倍。在接收到的原始信号后，需要对其进行相应的处理，从而使其在传输过程中所需要的时间更长，从而影响到信号的处理效率，从而限制了有关车辆的高速控制。这种数据在确保数据精度的前提下，会占用较多的内存，特别是对音频、振动等高速数据的录制。同时，随着资料来源的增多，数据的处理方式也越来越复杂，数据的处理也越来越困难。为了保证数据的稳定性和可靠性，必须采取一些预处理技术。

2.3 可靠性问题

随着我国铁路工程建设的不断深入，我国对铁路通信设备的可靠性要求越来越高，对通信设备、光缆设备的产品结构、技术服务的需求也越来越大。铁路运行管理方式从线路走向线网，这就需要 AFC设备的维修与管理。如何提高铁路运输企业的经营管理与经营决策，已经成为我国铁路运输企业可持续发展的一个重要课题。所有的干扰都要尽量排除，以保证信号的畅通。随着 AFC体系结构的规范化改革，AFC系统的维护与管理系统已不仅仅局限于设备层面的维护，更高层次的 SC/LC/MLC对系统的维护也有了新的要求。由于电网的谐波和 EMI对铁路信号造成了严重的影响，使整个通讯系统的可靠性大大下降，在传输的过程中，信号很有可能会被切断，从而导致信号的传输失效。信号的干扰和延迟阻塞是一种常见的现象，它不但会影响到系统的可靠性和性能，也会影响到整个系统的工作效率和工作效率，同时也会对系统的稳定造成一定的影响，最终造成系统的突然崩溃。为此，各技术单位要尽快提升应急响应能力，并尽快突破技术瓶颈。

3 增强信号电缆抗干扰能力的策略

3.1 25Hz频率轨道电路的干扰应对策略

25Hz的频率轨道电路主要受到导电干扰，而导电干扰通常是由于轨道间的电流不平衡造成的，这种现象有两种：一是脉冲电流不均匀，二是电流不均匀，会导致变压器饱和，导致线路内的电流出现凹陷。本文提出了三种方法：增加扼流变压器的铁心饱和电流，增加气隙；为了增强其抗干扰性，在扼流变压器上增加了抗干扰性；为了增强系统的安全性能，在负荷侧加入了过流和过电压保护。该方法采用25Hz同步谐振的方法，使信号得到增强，25hz轨道电路简图如下图1所示。这种控制策略能够在一定程度上抑制电机的电磁转矩波动，并能很好地解决电机的速度响应问题，从而改善其稳定性。首先，在控制电缆上增加备用电缆，经实验验证，该备用电缆能大幅度降低干扰电压，并且安装过程简单，无需额外投入，能有效减少干扰。其次，由于其性能稳定，结构稳定，在正常运行时仍能稳定运行。

图1 25hz轨道电路简图

其次，应选用带有金属防护的控制电缆，以防止电干扰。其中，变压器端子的使用情况如表1所示。调试人员在对设备进行调试时，应仔细检查电线是否够粗，是否符合要求。

表1 变压器端子使用情况

在选择金属屏蔽层时，要充分考虑到所需要的电磁干扰，选择合适的金属护罩，以达到减小干扰和过电压的目的。在弱电回路中，由于电力的干扰，使其无法进行抗干扰，使用金属保护的控制电缆，可以使电力对线路的损坏减至最小；同时，为了便于使用，可以适当减小金属的厚度。而对于强电回路，除了高压配电装置外，没有金属防护的控制电缆可能会造成干扰。最后，由于电网的干扰会对整个线路造成很大的影响，所以必须采取多种安全措施，除常规的电流、电压、频率保护之外，还要考虑孤岛效应，从而避免线路的损伤，在安装的时候，要在不同的线路上设置一根控制线，这样就能减少电流的损失，同时也能保证系统的安全。

3.2 采用ZPW2000轨道电路应对干扰

UM71是ZPW2000的原型，它的特点是：通过使用空心导线，可以降低50Hz的牵引电流，并能很好地切断ZPW2000的电源，达到平衡运行的目的；ZPW2000在使用偶次谐波技术的同时，还可以在电压稳定和频率稳定的基础上得到进一步的提高；在系统发生较大的扰动时，该系统具有较强的响应能力，能有效地抑制电压、频率变化，改善系统的电压、频率动态特性。除50 Hz外，牵引电流还会出现偶次、奇次谐波，并且由于列车的功率因数太小、高次谐波的影响，会导致电力系统的能耗下降。它所包含的能量要比偶次谐波大得多，而且频率越低，所包含的能量就越多，ZPW2000采用了偶次谐波，这样就可以减少牵引电流对信号设备的影响。当频率偏移为奇数时，最多只能影响到两个谐振分量，因此，对其的干扰微乎其微。为进一步改善网络的吞吐性能和频谱利用率，本文主要采用动态多波束技术和宽频通信技术，利用ZPW2000轨道电路应对干扰。ZPW-2000A轨道电路构成如下图2所示。

图2 ZPW-2000A轨道电路构成简图

虽然通过改善PCB的EMI性能可以保证PCB的设计质量，但是在PCB组装完毕后，仍需要将PCB安装到测试平台上，通过TDR或示波器对实际PCB参数与模拟期望的结果进行对比。通过对试验数据的分析，轨道电路现场测量值如表2所示。可以对模型和生产工艺进行改善，从而为今后的研究提供更好（更少的限制）的决策提供依据。

表2 轨道电路现场测量值

通过Matlab等软件，对试验数据进行分析，发现其规律。在此基础上，本文还对不同的信号模式、不同的滤波器进行了分析，并对其幅频特征进行了分析。通过调节参数，可以使模型的性能得到改善，从而使模型的效果得到进一步的改善。

3.3 综合性的抗干扰措施

在挑选装备时要慎重。采用BT.AT等电气化牵引电源，增加牵引环的对称性，使其对信号设备产生的感应电流最小。利用电容补偿技术对信号进行补偿，能较好地抑制谐波的产生；在建设牵引供电系统前，应对其进行合理的规划。为实现直接供电，在输电线路中引入架空回流，可以提高输电线路的对称性。另外，为了减小导线与导线之间的直接接触，应合理配置扼流变压器：对牵引供电系统进行了优化。改善了回流线、列车室、信号室等的报警功能。最重要的是，在完全失压的情况下，可以使用警报器与药量传感器保持15米以上的间隔，使其不受干扰的影响。

另外，应根据实际情况和相关法律规定，合理设置吸上线。针对特定电路的需要和特殊情况，对其进行了优化，以达到设计的目的。为防止设备损坏，布线系统中的器件应具备抵抗内部传导和外部干扰的能力。电力干扰会给电力线路带来很大的影响，甚至会导致系统的恶性故障，从而威胁到电力系统的安全。所以，控制电缆必须要有防护措施，同时要做好可靠的接地工作，才能满足技术上的安全使用。

4 铁路数字信号电缆发展前景预测

为提高企业的经营管理水平，降低数字信号电缆决策的盲目性，就需要在预测数字信号电缆的发展趋势时，对其进行合理的设计，并对其今后的发展进行长期的规划。掌握我国的经济形势和未来发展趋势，减少未来的不确定性，减少决策的风险，确保政策的顺利执行，并展望了今后的发展方向：

4.1 确定对象

目标的确定是今后的预报工作的第一步，因为预测对象的不同，所涉及的内容和项目、所需要的资料以及所使用的方法都不一样。“预测”指的是根据我国目前的实际情况，提出预报方案，编制预测工作计划，编制预算，调集力量，组织实施，以保证数字信号电缆发展的有计划有步骤地进行。另外，要根据预报对象选取适当的预测手段，比如要充分考虑统计预报的重要意义和特点的可解释性，所以在选择预报方法时要谨慎。

4.2 搜集资料

要想预测将来的发展趋势，就必须有充足的资料。只要有了足够的资料，他就可以做出正确的判断。在今后的发展计划中，对有关数据进行调研、收集和预测是预测未来发展的重要步骤。海量数据的采集与存储十分便捷，但是如何在数据中发现隐含的规则，并对其进行预测。

4.3 选择

根据预测对象和实际应用的特点，选择了预测的方法。有时，可以使用许多不同的预测方法来实现相同的目标。预测方法的选择，将直接影响到预报的可靠性和准确性。运用电力线缆的发展趋势预报技术，其核心是建立一个能够描述和概括研究对象特征和变化规律的数学模型，并运用数学模型进行计算和处理，以获得预测结果。

4.4 修正的分析

分析判断，是指从搜集到的资料中，综合分析、判断、推理，将感性的认识提升为理性，从现象到实质，并预测未来的发展与改变。在作出分析和判断后，通常还会根据已有的数据，对已有的预测做出评估和修改。在以后的工作中，应继续向方程组中注入新的资料，并不断地增大方程式的样本量，并对其进行修改，以使其与实际情况更为接近，从而提高预测精度。