牵引供电系统对信号设备影响的探讨

孙明新

0 引言

铁路是国民经济的大动脉，在社会经济发展中举足轻重。铁路运输是当前世界最重要的运输方式之一，也是我国货物运输的主要方式之一，是经济发展的“晴雨表”。电力机车的产生是推动电气化铁路发展的关键，电气化铁路具有运输能力强、成本低、绿色环保等优点，是我国铁路发展的主要方向，是当今铁路运输领域中最重要的类型。我国铁路电气化率已高达70%以上，电气化铁路中牵引供电系统对铁路沿线通信信号设备的干扰不容忽视，本文主要对牵引供电系统对信号设备的影响进行探讨。

1 牵引供电系统

牵引供电系统从电力系统获取电能，通过牵引变压器降压及配电装置进行电能分配，由牵引网向电力机车负载提供所需电能。牵引供电系统具有供能效率高、性能可靠以及环保等优点。我国牵引供电系统主要有以下几种供电方式。

1.1 直接供电方式

直接供电方式是牵引供电系统直接将牵引变电所输出的电能供给电力机车（如图1（a）所示），具有低投资、结构简单、维护成本低等特点。但该方式为单相负荷，牵引回流一般通过钢轨传输，供电相对不平衡，形成的回路电阻较大，钢轨中的大电流容易产生电气扰动。

图1 供电方式

1.2 带回流线的直接供电方式

带回流线的直接供电方式是对直接供电方式的进一步优化，在接触网相应位置设置一条回流线，如图1（b）所示。该方式将原本流经大地和钢轨的电流引至增设的回流线，经架空回流线返回牵引变电所。该回路的电流方向与接触网中的电流方向不一致，降低了二者之间产生的磁场，从而减少了对铁路沿线信号设备的干扰。

1.3 自耦变压器（AT）供电方式

自耦变压器（AT）供电方式是铁路沿线按照一定距离在接触网和正馈线之间布置自耦变压器，能够稳定送电，提升抗干扰能力，如图1（c）所示。自耦变压器的存在使牵引网阻抗很小，牵引变电所主变输出的高压在送电过程中损耗较小，供电距离能够长达40～50 km，送电效果显著提升。该方式下的正馈线的下方同时设有保护线，当接触网绝缘子受损甚至击穿时能够提供回路保护，起到避雷器的作用。

2 牵引供电系统对铁路信号设备干扰分析

铁路信号轨道电路回路和牵引供电回路共用钢轨组成各自的电气回路，钢轨上既有轨道电路电流，又同时存在牵引电流[1]。两种性质截然不同的电流共同传输时会产生干扰问题，主要为传导干扰、辐射干扰、感应耦合干扰3种形式。

2.1 传导性干扰

在列车运行过程中，牵引供电系统回流和轨道电路共用同一电气回路，钢轨作为传输媒介容易出现对地漏泄、高低阻故障等现象，导致钢轨内部产生不平衡电流。牵引电流不平衡是最常见的电气干扰形式之一，根据生成类型分为稳态脉冲和瞬态脉冲两种基本形式。当流经两条钢轨的牵引回流不平衡时，流经扼流变压器铁心的磁通不能相互抵消，即总磁通量不为零，从而在二次侧线圈产生干扰信号，导致信号设备无法正常运行[2]。

2.2 辐射性干扰

电气化铁路中电力机车一般通过受电弓与接触网进行接触取电。列车行驶过程中，当受电弓在升弓、降弓以及经过曲线区段的接触网时，会在短暂的离线过程中产生较大的瞬时冲击电流，经由钢轨进行回流，造成扼流变压器的磁通瞬间饱和，致使轨道电路信号在几个周期内被削弱甚至无法正常传输，导致轨道继电器误动或故障进而影响运营安全。

2.3 感应耦合干扰

牵引供电系统容易产生感应耦合干扰，主要包括容性耦合和感性耦合。

（1）容性耦合。容性耦合产生的原因主要是不同电位场间的电容作用，目前我国的接触网对地电压比较高，信号电缆对地也有电压。因此接触线与信号电缆间会产生电容耦合，静电场的强度与干扰电流大小和受扰物的距离存在一定联系。

（2）感性耦合。感性耦合产生的原因主要是电力机车牵引电流较大，在强电线路中电流流通时，会在强电线路与受扰信号设备中产生耦合电感，致使受扰信号设备内部产生感应电动势，进而影响信号设备正常工作。

设计过程中，通过感应电动势计算确定信号电缆受影响大小，感应电动势（直接供电）计算式为

式中：ω为接触网电流、电压的角频率，rad/s；Mi为50 Hz时接触网与信号电路间第i段互感系数，H/km；Lpi为接触网与信号线缆间第i段接近长度，km；Id为接触网等效牵引电流，A；K为50 Hz时接近段内各种接地导体的电磁综合屏蔽系数。

接触网在电流流经时产生的磁力线会垂向切割信号电缆，从而在信号电缆的金属铠装护套上产生感应电动势。当弓网系统发生接地故障时，强感应电动势足以击穿绝缘介质造成信号电缆短路。

3 应对策略

3.1 减少钢轨电流的不平衡

牵引电流不平衡引起的是传导性干扰，这种不均匀的干扰信号经过扼流变压器传输后容易引起铁磁元件磁场饱和。由于干扰信号中含有直流分量，而扼流变压器不能处理直流信号，从而导致信号电压出现跌落。为减少不平衡电流带来的影响，可采取以下措施：

（1）将接触网支柱的接地线与扼流变压器一次侧的中心端进行焊接，或设置专用接地线并按规定间距汇接到扼流变压器一次侧的中心端上，以减小侧向不均衡电压。

（2）设置适配器来缓冲信号以抵抗干扰，并根据不同的设备制式选择相应的适配器。

（3）改进钢轨接续线使用状态，使两条钢轨的阻抗匹配。扼流变压器连接线采用等阻线，避免由于扼流变压器连接线长度不一致引起的轨道电流不平衡问题。

（4）由于轨道与扼流变压器线圈的阻抗不匹配，当较大的电流瞬间通过时会产生干扰电压，可适当增加扼流变压器的气隙，增加铁心的饱和电流强度进行有效防护[3]。

（5）复线区段设置横向连接线接地，进一步减少轨间不平衡电流。

3.2 选择适当的信号电流频率

在电气化铁路区段，存在各种类型机车牵引电流工频及谐波干扰、牵引供电及回流形成的工频干扰，这些干扰信号的频率分布于不同频段，其量值也不尽相同。为确保轨道电路信息传递的可靠性，需要选择合适的信号电流频率，以减少上述干扰对信号设备的影响。

牵引供电系统采用的牵引电流频率为50 Hz，由于牵引电流和轨道电路在同一介质进行传输，为避免信号干扰，两条频率相似的信息容易产生谐波干扰，进而导致信号失真，轨道电路信号的频率应高于50 Hz或低于50 Hz。目前，25 Hz相敏轨道电路在我国电气化铁路区段已被广泛采用，其通过采用以下防护措施，获得良好的抗干扰能力：

（1）采用二元二位继电器或微电子接收器，其具有可靠的相位选择性和频率选择性，能够针对其他不同频率电流的干扰进行有效防护；

（2）通过采取提高继电器返还系数、降低轨道电路匹配变压器变压比、减小分频器输出电压值的波动等措施，使轨道电路的极限长度逐步延伸至1 500 m；

(3) 轨道电路中增设适配器，减少脉冲干扰，有效提高轨道电路的稳定性。

另外，在高速铁路和普速铁路自动闭塞区段，广泛采用ZPW-2000系列移频轨道电路设备，采用1 700、2 000、2 300、2 600 Hz高频载频传递轨道电路信号，其具有更精准的频率选择功能，抗干扰能力良好。

3.3 其他抗干扰措施

为了提高轨道电路设备的抗干扰能力，防止供电电缆的谐波影响周围信号设备，应避免供电电缆与信号设备电缆近距离平行敷设。同时，保证吸上线设置合理，信号专业敷设贯通地线，吸上线可以经过信号扼流变压器接引至贯通地线，使干扰电流畅通接地，并在变电所就近设置牵引回流线，尽可能地缩短回流的距离。在车站股道的一端对扼流变压器连接设置“一头堵”，有效疏导牵引回流方向，使回流更畅通。在施工过程中，必须严格执行铁路信号机房综合接地施工工艺相关技术标准，电缆间独立设置，完善电缆入楼、成端以及接地措施[4]。

4 结语

铁路信号设备的正常运行是铁路运营安全的基础，牵引供电系统对铁路信号设备的诸多干扰会对铁路运输安全带来风险。降低此类影响首先应明确干扰的类型，采取具有针对性的应对及防护技术措施，并针对受干扰的信号系统设备采取主动性防护设计，选用抗干扰能力强的信号轨道电路制式、设备器材和施工工艺，利用监测技术手段加强日常维护管理，从而最大限度地减少牵引供电对信号设备的影响，保障铁路运输的安全和高效。