城市轨道交通计轴设备受干扰分析及解决方案

路怀明

0 引言

城市轨道交通信号系统已经全面进入移动闭塞控制时代，轨道区段的空闲或占用检查是信号系统的重要组成部分，直接关系行车安全和运输效率。为保证信号系统正常运行，很多城市轨道交通信号系统采用计轴设备作为轨道区段空闲或占用的备用检测系统。在列车供电模式为直流供电的情况下，钢轨作为牵引供电回流的一部分，信号系统的计轴设备极少出现受供电系统干扰而误动的情况。随着市域快速轨道交通的发展，因线路长大，为降低变电所数量、减少设备，一些城市轨道交通系统采用交流供电模式，钢轨依然作为牵引供电回流回路的一部分，但却发生了牵引供电回流干扰计轴设备的问题。

某市域轨道交通项目采用交流27.5 kV 高压供电，线路投入运行后即使在天气良好（排除了雷击因素）、轨道区段无车情况下也时常出现计轴系统受扰、显示区段“占用”的情况。观察发现，正线区段与车辆段区段出现非正常“占用”（计轴误报）的情况有所不同，正线区段的计轴误报常出现于接触网停送电期间，而车辆段区段的计轴误报常出现于列车在库内升降弓，即取电/停止取电期间。

为了查找该问题的原因，在进一步分析计轴系统工作原理的前提下，在出现误报情况的计轴室外设备（计轴点）相应位置安装了示波器等设备进行持续监测。

1 计轴系统工作原理

计轴系统是通过比较同一轨道区段两端驶入和驶出计轴点的列车轴数完成轨道区段占用与空闲状态自动检查的专用信号设备，可用于站（场）或区间等区域。计轴系统具备外接“复零”条件及与信号联锁系统、信号集中监测等设备的接口，由室内设备和室外设备组成，如图1 所示。

图1 计轴系统组成

计轴系统室外设备主要包括车轮传感器和传输电缆，室内设备主要包括放大板、计轴板、输出板、复零板和电源板等单元。其中车轮传感器与放大板组成车轴检测单元，计轴板与输出板等组成计轴运算单元。车轮传感器内有2 套单独的传感单元，相互独立地执行同种任务。

车轮传感器的内部电路由一个高频有源振荡器和相应附属电路构成，当车轮驶入车轮传感器作用区域时，车轮的铁磁介质对车轮传感器内部元件产生阻尼作用，致使车轮传感器2 套传感电路的工作状态发生变化，输出端电压升高形成轮轴信号，2 路轮轴信号的相位关系表示车轮的运动方向，系统以此识别车轮运行方向。同时，车轮传感器的2套传感单元形成的轮轴信号通过计轴电缆输出到室内的放大板，放大板将轮轴信号放大整形为轮轴脉冲，再传送至计轴板，计轴板进行列车运行方向判别及轴数统计。计轴板的运算单元通过比较同一区段内计入和计出的轴数，确定区段占用或空闲状态，为输出板提供工作条件。输出板根据计轴板和放大板提供的输入条件，输出区段占用或空闲信息。因计轴系统的车轮传感器及传输电缆等电气设备位于室外，故需采用防雷设备。该项目采用GDT 和TVS 两级串联结构的防雷系统，通常情况下，可防护1 kV 以上的短暂过电压（钢轨对地），同时对芯线之间的过电压予以保护，如图2 所示。

图2 计轴系统室外防雷设备示意图

图2 中，GDT 是一种开关型过压防雷保护器件，主要采用陶瓷气体放电管，实现纵向防雷，常态时为开路，当电压达到(68±20%) V 的触发值时，启动防护功能，瞬间对地短路进行泄流。TVS 提供电源芯线之间的稳压作用，正常处于高电阻状态（高阻态）。当电路出现过电压（设定门限电压为20 V）时，TVS 迅速由高阻态突变为低阻态，泄放由异常过电压导致的瞬时过电流入地，并将异常过电压钳制在较低水平，从而保护后级电路。

2 计轴设备受扰原因分析

在正线及车辆段出现故障的计轴点相应位置安装示波器，记录计轴电缆通道芯线对地电压变化情况，如图3 所示。

图3 计轴电缆芯线对地电压录波

根据在正线故障计轴点的录波情况可知，大部分时间段无异常，但个别时间段出现了超过70 V的异常电压值，持续时间约2 ms。该电压值及持续时间均超过了车轮传感器第一级防雷模块GDT的启动电压(68±13.6%) V，该异常电压值一出现，便引发GDT 瞬间短路泄流，造成计轴设备受扰、轨道“占用”误报现象。

进一步分析发现，因项目采用交流27.5 kV 牵引供电制式，正线牵引回流通过“钢轨+架空回流线”进行回流。示波器显示的异常电压值主要出现在接触网停送电过程中，而计轴电缆芯线虽未与钢轨、接触网直接连通，但计轴电缆与轨道交通高架桥线路两侧弱电电缆槽内的贯通地线（用于系统接地）同槽敷设，贯通地线与每个桥墩“基础地”就近相连，而桥墩的接地电阻远高于信号系统接地电阻标准，在接触网停送电过程中因为“感性”负载的问题，引起计轴系统“地”电位变化，造成计轴防雷保护误动作，致使计轴设备出现了误报。

根据在车辆段故障计轴点的录波情况发现，示波器波形显示出现了不同频次的谐波，且谐波电压值较高，同时伴有谐波电流。经分析，因在车辆段不设架空回流线，车辆段内主要通过钢轨和大地进行回流，其牵引供电回路构成是：牵引变电所—接触网—电力机车—钢轨（大地）—牵引变电所，正常情况下，钢轨中回流电流较正线钢轨中回流电流大。此外，当库内股道有列车受电弓升降时，供电回路的合开（开关）瞬态效应产生了谐波，回路电流中谐波分量增高，钢轨中谐波电流也进一步加大，致使该股道计轴点位置钢轨旁的计轴线缆中谐波电压增高，同时产生的磁场变化对安装在轨腰上的车轮传感器（磁头）也产生一定的影响，从而造成计轴设备误动[1]。

需要说明的是，该项目车辆段车轮传感器安装于车库前钢轨均流电缆与车库之间，致使车库内某股道的列车供电产生的回流必须首先全部流经该股道的车轮传感器区域，然后才通过均流电缆分散到其他股道钢轨再流回变电所，势必加大了上述因素对车轮传感器的影响。车库计轴点与均流电缆位置关系如图4 所示。

图4 车库计轴点与均流电缆位置关系

3 解决方案

3.1 正线区段解决方案

根据上述分析，为解决上述原因对计轴设备的干扰，理论上将车轮传感器防雷模块第一级防雷，即GDT 气体放电管的启动门限电压适当提高，使其“躲过”（高于）接触网停送电期间引起的最大对地电压变化，计轴设备即可避免受到干扰。经过多次反复试验，证明提高GDT 的门限电压值可行，而且为了最大限度地防止各种特殊情况下的干扰，最终将GDT 气体放电管启动门限提高至350 V，其他参数保持不变，有效解决了计轴设备受扰问题。

由于提高防雷触发门限电压可能造成信号系统回路中存在较高电压，引发人员意外触电风险，基于 GB/T 28026.1—2018（IEC 62128-1:2013,MOD）《轨道交通 地面装置 电气安全、接地和回流 第1 部分：电击防护措施》中人体最大允许电压与电流时限的关系，需分析可能出现的高电压是否对人员人身安全产生威胁。

接触网停送电期间对计轴电缆芯线引起的对地电压持续时间仅为2 ms，远小于GB/T 28026.1中最大允许电压360 V 时人体可以耐受50 ms。而现场实际采集到的最大电压峰值在70 V 左右，远未超出GB/T 28026.1 中的安全电压时限要求，因此提高GDT 启动门限值允许回路中有较高的电压存在，并不会危及人身安全。

3.2 车辆段区段解决方案

根据对车辆段区域的计轴设备受扰情况分析，只需减小流经计轴点车轮传感器处的钢轨回流，从而降低其周围的感应电压和交变磁场，即可避免计轴设备受到干扰。具体措施是在库内各股道新增“均流电缆”，实现库内各股道钢轨的“再次并联”，既改善了供电回流回路，库内某股道列车产生的供电回流也能在库内（未全部流经该股道的计轴点前）即通过均流电缆分散到各股道流回至变电所，降低了单一股道的供电回流量，从而避免了对车轮传感器的干扰[2]。

4 结论

通过试验分析，确定了正线区段和车辆段区段不同条件下的计轴设备干扰源，提出了解决方案并在运营中得以成功应用，解决了计轴设备受交流供电干扰的问题，大大降低了计轴误判的概率，为城轨车辆的正常运行提供了重要保障。