试论我国电气化铁路中牵引电流对信号系统的干扰

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摘 要：随着我国电气化铁路的不断发展，牵引电流对信号系统的干扰这一影响铁路安全的问题已成为亟待解决的重要问题之一。本文分析了牵引电流对信号系统的干扰的若干形式，并提出解决办法。
关键词：牵引电流 信号系统 电气化铁路
中图分类号：U2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（c）-0114-01
从我国电气化铁路多年运行来看，电气化干扰对信号系统的影响，可划分为传导、感应和辐射三种形式。由于传导性干扰的能量大，具体表现形式为：牵引电流不平衡引起的传导性干扰、牵引电流中进入大地的电流分量引起的地电位升、接触网高压电场感应引起的工频电场、牵引电流引起的工频磁场、电力机车受电弓与接触网摩擦等引起的射频电磁场骚扰。
1 传导性干扰
传导性干扰指的是通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（或干扰）到另一个电网络。电气化铁路对信号系统的传导性干扰包括了牵引电流因回流不畅对信号设备的干扰和轨道电路两条钢轨中通过的牵引回流不相等对轨道电路的传导性干扰，即不平衡牵引电流，不平衡电流的大小由钢轨中牵引电流和轨道（包括扼流变压器等器材）的不平衡程度决定。多数轨道区段不平衡系数小于10%，不平衡电流有稳态和瞬态脉冲两种形式，较大不平衡电流以及脉冲电流中的直流分量易造成扼流变压器的铁芯器件的磁饱和，削弱信号传输。对于轨道电路设备，此干扰源的性质近似为电流源，音频信号接收还应对同频段的谐波成分进行防护。
2 感应耦合
感应耦合包括静电感应、容性耦合和感性耦合干扰。
（1）静电感应干扰。当接触网输入27.5 kV的工作电压以后，在接触网导线的周围形成垂直于导线表面的交变电场。由于静电感应作用，处于电场内的架空通信信号线路将产生静电感应电位，从而对通信信号线路产生有害干扰。因为电气化铁道牵引的工频50 Hz的电流频率很低，静电感应干扰是及其微小的，其相对于信号系统中的信号而言，可以不计。
（2）容性耦合。容性耦合是指在接触网存在对地不平衡电压而引起感应的影响。在单项工频25 kV交流制电力牵引区段的接触网周围空间产生连续分布的交变电磁场，由于邻近的人或受扰设备与大地间存在电容，接触网与人或设备之间又有耦合电容因此必然产生感应电压，形成容性耦合。因此在铁路沿线设置的各种信号设备上，会产生对大地的电位和纵电动势，同时各种信号电路内也会导致感应电流的出现。
采用BT供电方式时，在钢轨和大地中的回归电流大致为零，此时对外界的感应干扰值最低。但在吸流变压器起不到作用的半段效应区段，其最大长度按电力机车位于距吸流变压器最近处考虑时，则为吸流变压器到吸上线，此区段的感应干扰为最大。
（3）感性耦合。牵引电流可达数千安培，当接触网中有电流通过时，由于强电线与受扰设备之间有耦合电感，因此受扰设备中会产生感应纵向电动势，从而形成感性耦合。感性耦合不仅与接触网电流的大小有关，还与接近的距离，接近的长度有关。
电场为容性耦合，电场占优时，在近场处随距离的三次方衰减。信号设备防护手段包括采用良导体屏蔽并接地、与接触网保持距离等以减小耦合电容。埋地电缆可不考虑电场影响。工频磁场通过电感耦合，磁场占优时，在近场处随距离的三次方衰减，在通信信号电缆盒电路中产生感应电动势或电压，在AT、BT、直供加回流线等供电方式下，由于回流线的作用，会减弱磁耦合的影响。低频磁场屏蔽应采用高磁导率材料，但需考虑磁饱和问题。
3 辐射影响
电磁辐射干扰就是干扰源通过空间传播到敏感设备的干扰。一旦机车通过，接触网有电流就会在其周围产生电磁辐射干扰。此种干扰表现为静电感应与电磁感应。在通电导体周围，存在“天线效应”，在这种效应中，当把一个载流导体作为发射天线，在它的周围就会产生感应电磁场并向外辐射一定强度的电磁波。同时，处于电磁场中的其他任一导体则被看作是一段接收天线，会产生一定的电动势。正是这种效应导致电子设备相互产生电磁辐射干扰。
电气化铁道产生的射频辐射干扰的原因主要包括：牵引接触网的火花放电；接触网和受电弓滑板间离线引起电弧；电力牵引机车的换流过程；电气化铁道开光设备、电力机车内电机、调压器、开关设备在操作中的瞬态过程。电磁骚扰在室内、轨旁、车载具有不同的强度，对该环境中信号设备呈现不同的侧重点和形式。铁路系统无线通信制式包括无线列调、模拟集群、数字集群以及铁路专用数字移动通信系统GSM- R等。
电磁辐射对无线通信形成干扰，射频电磁场骚扰其频段为数百干赫兹至1兆赫兹，射频电磁场为远场，随着距离增大而减小，骚扰磁场强度大小主要与受电弓—接触网参数、列车速度等因素有关，对GSM-R等无线通信等产生干扰。对辐射骚扰屏蔽的机理是电磁波的反射和吸收，并不需要接地。
4 干扰信号进入信号系统的途径
电气化铁路的供电方式及特点决定了其干扰信号的类型，各种干扰信号又具有其自身的特点和传输方式，通过电缆线路将具有一定逻辑联锁关系的各信号控制子系统的室内、外设备联系起来，结合操作人员指令，经过联锁计算形成驱动命令从而控制驱动电路，最终完成对室外设备的控制，达到确保行车安全和效率的目的。铁路信号设备及电气化铁路本身的特点决定了干扰信号进入信号系统的途径，具体有：（1）干扰信号通过钢轨、信号电缆、接地设备、设备外壳、设备电源等部位进入到信号系统，对信号系统的正常运行产生干扰。（2）牵引电流产生的干扰信号以空中辐射的方式，即以电磁波方式向空中辐射，对信号系统的电子设备产生干扰。（3）干扰源通过感应的方式耦合到电缆等信号设备中去。
5 结语
综上所述，对于信号系统而言，电气化铁道为强电系统，电磁环境复杂，具有高电压大电流的特点，并且电力机车为非线性负载，在运行过程中会产生大量谐波成分和电磁辐射。电力牵引的供电回路是接触网和钢轨作为导线的非对称供电电路，由于钢轨对大地的绝缘程度不高，一部分电流沿大地流通，牵引电流会对沿线的信号设备直接产生干扰。在这种背景之下我们必须采取区分牵引电流、减少钢轨电流的不平衡等方法，从而减少牵引电流对信号系统的干扰，保证铁路运行安全。
参考文献
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