市域快轨信号计轴设备受扰故障案例分析与对策研究

朱发林，吴沛轩，孙晓伟

近年来，轨道交通已成为我国新型城镇化建设中，引导城市群空间形态布局的重要力量和促进城市群发展的基础条件。随着经济社会的快速发展和技术水平的提升，创建以干线铁路、城际铁路、市域（郊）铁路、城市轨道交通“四网融合”为特征的综合立体轨道交通网络，已成为轨道交通领域发展趋势。广州地铁18 号线是国内首条运行时速达160 km 的全地下市域快轨线路，在设备选型上与地铁和国铁均有一定区别。信号控制设备采用地铁的基于通信的列车信号控制系统（CBTC）；车辆方面选用类似高铁列车的市域D型动车组；牵引供电系统采用交流25 kV 替代传统城市轨道交通直流1.5 kV 供电，以提高市域铁路的供电效率和驱动力。随着供电制式改变和电压等级的提升，牵引电流会达到数百安培甚至上千安培［1］，如此大功率非线性整流逆变过程往往会带来非常丰富的谐波电流［2］，而牵引回流产生的杂散电流及高速时弓网离线产生的燃弧会对计轴设备正常工作造成影响；同时，高速运行的列车对计轴传感器的安装稳固性也提出了更高的要求。因此解决市域快轨在交流25 kV 牵引制式下的电磁干扰问题和提升计轴传感器安装稳定性就成为亟待研究的课题。

郑儆醒等［1］对温州S1 线25 kV 牵引电流产生的干扰谐波电流进行分析，通过在计轴传感器安装点位置增加接地线，使干扰谐波电流提前通过接地线释放到大地，避免对计轴传感器的干扰；王一搏［3］、蒋晶等［4］、付丽等［5］对牵引传动过程、牵引回流等外部环境的电磁兼容性进行技术分析，并从计轴尾缆布线方式、接地屏蔽处理方面给出解决思路。由于以上研究多从设备接地和外部屏蔽干扰方面给出解决方案，而对如何提升计轴设备自身可靠性研究较少，因此本文结合市域快轨计轴设备的特点，从外部环境、自身抗干扰能力、安装方式等多方面提出提升计轴设备可靠性的优化方案。

1 ARTJZ-2A型计轴设备原理

广州地铁18 号线采用国产ARTJZ-2A 型计轴设备进行占用/出清检测。ARTJZ-2A 型计轴设备由计轴传感器、计数单元、通信单元、主机单元等模块组成。室外计轴传感器采用双传感器冗余布局，计轴区段中任意一个传感器故障的情况下，区段仍可以采用四取三容错计算方式，保证计轴区段可以正常工作，系统设计整体具有较高的可靠性和可用性。

计轴传感器设计有2 个接收线圈［6］，通过2 个接收线圈探测轮对的轮缘以电流形式输出2 个方波计数信号SIG1、SIG2，根据车轮经过传感器2 路信号的时间差值即可判定列车的行驶方向。计数单元对来自计轴传感器的计数信号进行计数和轮对行驶方向判定；通信单元负责接收室外计数单元发送的计数数据，并将数据上传至计轴主机单元；计轴主机单元通过记录计轴传感器的轮对数，实现相应轨道区段占用和出清状态的判定、计轴区段的复位、故障判断等功能。计轴设备原理见图1。

图1 国产ARTJZ-2A型计轴设备原理

2 电磁干扰分析

广州地铁18 号线采用25 kV 交流牵引的供电制式，架空刚性接触网供电。由牵引供电系统产生的电磁干扰源主要有2 个方面：一是牵引电流回流产生的杂散电流干扰；二是列车升弓运行时弓网离线燃弧干扰。这2 类干扰都可能造成计轴传感器发生故障，在信号系统人机界面上显示出计轴区段干扰［7］。

2.1 杂散电流电磁干扰分析

市域铁路的牵引电流由牵引变电所出发，经由馈电线→接触网→受电弓→电力机车→钢轨或大地→回流线→牵引变电所，形成闭合回路。实际应用时钢轨与大地间存在泄漏电导（杂散电流），使部分牵引电流先流入大地，再通过大地回流到牵引变电所。杂散电流在流经大地时会引起钢轨电位的变化，且钢轨电位越高，流向大地中杂散电流就越大，越容易对轨旁信号设备产生感性、阻性耦合干扰。

广州地铁18号线开通后，折返站岔区计轴传感器频发故障，经示波器监测传感器输出电流（图2）可以看出，输出电流的方波信号中存在较多的干扰毛刺杂波，说明计轴传感器在工作过程中受到外界电磁干扰，产生了不规则图形，无法识别有效的轮轴脉冲信号及车轮方向［7］。根据电磁干扰原理，当感应电流产生功率大于传感器工作功率时，传感器正常的工作信号会被淹没，无法正常解析，造成计轴设备判断轴数无效或导向安全侧。进一步排查周边环境，发现该位置在变电所向线路供电的注入处，且此处轨电位电压高于其他区域，因此判断该位置存在较大不均衡牵引回流，造成道床杂散电流功率过高［8］，从而扰动计轴传感器正常工作。

图2 示波器采集故障时输出电流波形

2.2 弓网离线燃弧电磁干扰分析

列车高速运行时，电力机车通过受电弓以滑动接触的方式从接触网上获取电能，受流过程中电力机车受电弓与接触网始终进行连续的机械运动。受电弓因电力机车影响在竖直方向上振动，并在水平方向左右摆动，同时接触网也不断抖动，造成弓网间难以保持良好的接触，特别是在列车过分相时更易发生弓网离线，而弓网离线的间隙会发生火花放电，引起电弧，导致强电磁脉冲噪声发射。弓网离线产生的电磁噪声为瞬变噪声，其频率高、覆盖范围广，已成为市域铁路中最为严重的干扰源之一。弓网离线产生的电磁干扰会在车体表面产生感应电流，进而引发二次辐射，干扰轨旁信号设备。

广州地铁18 号线列车高速行驶时同样会出现明显弓网离线燃弧现象。经过查阅相关刚性接触网设计规范，架空刚性接触网适用于时速不大于160 km 的交流25 kV 牵引制式线路，160 km/h 运行速度已经是刚性接触网的工作极限，因此要解决弓网燃弧造成的计轴干扰问题，还需进一步研究如何提高自身计轴设备的抗干扰能力。

3 计轴传感器安装稳固性分析

计轴传感器安装在工字轨内侧，采用支架安装方式，固定螺丝均采用防震防松结构。计轴传感器安装完成后，其顶部不能进入轨面下部，距钢轨侧面距离应在0～3 mm，一旦超出该范围，就会出现计轴输出电流波形异常，严重时造成计轴设备无法正常工作，产生故障。

经统计，列车高速运行区域发生计轴设备故障占比较大，主要原因是高速列车振动，使计轴传感器位置发生偏移，传感器与钢轨之间的距离不满足“计轴传感器距离钢轨间隙0～3 mm”的技术标准。发生故障时，计轴传感器和钢轨趋于贴合状态，输出的空闲、占用电流参数产生变化，影响计数功能。

4 计轴设备可靠性研究

4.1 解决道床杂散电流问题

JZ2102计轴传感器故障有2个特点：一是故障计轴点位置处于牵引供电回流注入变电所的前方，牵引回流电位相对较高；二是故障传感器集中在图3 所示的没有连接牵引回流线的2 号计轴传感器处，而安装牵引回流线的1 号计轴传感器运行较为稳定。由此分析得出，列车车轮靠近或经过2 号计轴传感器时，2 号传感器处的牵引回流可能存在回流不畅，计轴轮对脉冲信号出现大量的杂波干扰，两轨之间的电位差越高，杂波信号越强。因此，提出在JZ2102 传感器前方增加均流线的方法［9］，将传感器前方的牵引回流分流到另外一侧钢轨流向等电位排，减少通过JZ2102 流入道床的杂散电流，从而达到减少计轴设备受扰的目的。

图3 加装均流线解决道床杂散电流

按照图3所示位置安装均流线后，JZ2102计轴传感器受干扰问题得到彻底解决。此外还需排查均流线、回流线的安装牢固性，如果存在虚接，同样会造成道床杂散电流过高，影响计轴设备的正常工作。

4.2 优化计轴设备出清占用判断逻辑

通过对计轴设备故障的漏轴数统计发现，计轴设备发生漏1轴的故障占比达到89%，如能解决该问题，将大幅度提升计轴设备的可靠性。

根据原设计的计轴区段出清、占用逻辑，进出区段的轴数必须完全一样，信号系统才能判定该区段出清，一旦出现漏轴，必然会发生计轴设备故障。因此，如需减少偶发漏轴问题造成的设备故障，需提升计轴设备的容错能力，允许偶发性的漏轴。依据《铁路信号计轴设备通用技术条件》（TB/T 2296—2019）4.4 章节C 项内容：“利用其他特定安全条件，应区分正常行车和外界干扰，并应消除±1轴的外界干扰”［10］。对计轴设备出清、占用逻辑进行优化，修改计轴主机出清、占用判断逻辑软件，使计轴点在受到干扰（±1 轴）时，仍可按照列车驶离方向依次出清，不再发生计轴故障。该措施在全线实施后有效降低了计轴设备的故障率，提升了信号计轴设备可靠性。

4.3 提升计轴设备自身的抗干扰能力

计轴设备本身具有滤除一定干扰波形的能力。滤波参数设定原则是产生的杂乱波信号宽度大于1 ms时，会导致传感器受干扰而无法正常计数。通过对监测的干扰波形数据统计发现，产生的干扰波形99%以上都在2.5 ms 以内，因此现有计轴设备无法有效滤除所有弓网离线燃弧产生的电磁干扰。计轴设备设计之初是依据列车速度不高于800 km/h而设定滤波间隙参数为1 ms，即对1 ms 以内的干扰可以有效滤除。

根据列车最高运行时速具体计算公式

式中：V1为原滤波参数下允许列车通过的最高车速；V2为新滤波参数下允许列车通过的最高车速；T1为原滤波参数时间间隙；T2为新滤波参数时间间隙。因此可以根据波形数据统计，将滤波间隙调整为2.5 ms［11］，可适应最高车速为320 km/h，同样满足市域快轨160 km/h 车速的运行要求，并可以将99%以上的干扰波形滤除。

对广州地铁18 号线全线计轴设备滤波参数进行调整，调整前后的干扰滤波波形见图4。可见计轴设备只有接收到大于2.5 ms 以上的干扰波形，才会影响正常计数。该措施实施后有效解决了因弓网离线燃弧造成的计轴干扰问题，列车高速运行时的计轴传感器受干扰故障明显减少，提升了计轴设备的可靠性。

图4 滤波参数优化前后滤波图形

4.4 加强传感器安装稳固性

为提升计轴传感器的安装稳固性，对其安装结构提出如下改进措施。

1）安装螺丝涂抹螺纹紧固剂。列车高速经过传感器上方容易造成螺丝松动，使传感器与钢轨间隙缩小。通过涂抹螺纹紧固剂再紧固安装，可有效提升传感器安装紧固性。

2）切除部分计轴尾缆安装时加装的防护管。计轴尾缆安装时一般套有硬度较高的防护管，列车产生的振动会造成防护管挤压传感器，导致传感器位置产生变化。切除部分传感器尾缆防护套管后，可极大地改善传感器受挤状态。

3）增加固定螺丝。固定传感器的螺丝为单螺丝，存在单轴转动造成传感器与钢轨之间间隙缩小的可能。在传感器侧面额外加装一组螺丝，增加传感器的安装紧固性，进一步提高传感器安装可靠度。

4）固定螺丝使用防松螺母。通过增加放松螺母进一步提高传感器的安装稳固性。

5 结束语

因在设计阶段对计轴设备能否有效适应市域快轨线路交流25 kV 牵引制式下高强度电磁环境，以及高速列车振动环境等认识不足，致使广州地铁18 号线开通之初，信号计轴设备受外界电磁干扰问题和计轴传感器自身安装紧固性问题影响，应用可靠性较低。通过采取在回流点加装均流线，优化计轴设备出清、占用判断逻辑，调整计轴设备的滤波参数，加强计轴传感器安装紧固性等具体改进措施后，计轴设备故障明显减少，设备可靠性明显提升。随着我国轨道交通发展加速，市域快轨线路交流25 kV 牵引制式下，信号系统采用计轴设备作为列车区段占用/出清检查手段的项目案例会越来越多，本文研究成果能够为后续类似线路的设计提供有益的参考和借鉴。