铁路电气化牵引供电对铁路信号设备的影响分析

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摘 要：在铁路建设事业蒸蒸日上的背景下，电气化牵引供电系统建设已经成为铁路建设的一个重点环节，并且同属四电建设的目标之一。铁路的信号系统属于弱电系统，在电气化牵引供电系统中，容易受到干扰，导致信号设备的运行或是数据输入输出发生异常，从而引发一些不必要的安全事故。本文对电气化牵引供电和铁路信号做了简单介绍，深入分析了信号设备受到电气化牵引供电的影响，提出了一些简单的应对策略。
关键词：电气化牵引供电；信号设备；影响；策略
电气化是铁路建设的新目标，牵引供电作为铁路系统的主要供电方式，存在许多必然和优点。电气化牵引供电系统会产生一定强度的电磁场或是信号脉冲，对铁路信号系统设备运行带来一定的干扰。根据影响因素的不同，具体的影响结果和原因都存在不同。要解决信号设备受到的干扰问题，就需要摸清干扰产生的原因，对症下药。
1 电气化牵引供电简要介绍
牵引供电是一种拖动车辆运输所需电力的供电方式，从各地引入原始电源，通过牵引系统的变电所将其降压到列车适用电压范围，从而构成牵引供电系统。牵引供电的优点显而易见，主要可以分为五个方面：牵引供电可以节约电能，提高能源的综合利用率；牵引供电可以提升列车的运行速度，增加列车的牵引重量；牵引供电可以有效提高列车的制动功率，大大提升列车运行的安全性；牵引供电可以降低铁路运输的相关成本，有利于铁路建设发展；牵引供电便于实现自动化，能够有效提升劳动条件对环境形成保护。
虽然牵引供电的优点显而易见，但是缺点同样不容忽视。牵引供电基础设施建设投资很大，需要多部门配合；牵引供电需要接入各地电网，对电力系统会产生一些负面影响。牵引供电通常都是单相负荷，在电力系统中，可能形成较大的负序电压和负序电流，加之列车的功率因素相对较小，含量较多的高次谐波会对电力系统带来不小的负面影响；牵引供电会对铁路周边的通讯网络造成一定的干扰，也会对铁路系统的信号设备造成一定干扰；牵引供电检修接触网时，需要列车停止运行，这会给旅客造成不小的时间损耗。
牵引供电系统一般是由高压架空输电线路、牵引变电所、接触网、馈电线、轨道、回流线以及分区所等组成的，每一个部分都具有重要的作用，缺一不可。所谓的电气化牵引供电就是对牵引供电实现电气化控制管理，对牵引供电的每一个环节实现电气化控制管理。
2 铁路信号设备简要介绍
信号系统是铁路系统的一个重要环节，对铁路运输的调度和安全具有十分重要的作用。信号设备是信号系统的硬件部分，铁路信号技术设备主要包括了区间信号、车站信号、列车运行、行车指挥以及控制调车等。
区间信号就是在一定区间内，保证列车行车安全的信号，主要分为车内信号、道口防护、区间闭塞、轴温探测以及防护报警等。其中，区间闭塞一般采用全自动或半自动闭塞，可以有效完善区间信号，还可以将地面信号接入到列车控制室，在车内形成可见信号，能够有效避免追尾对撞等事故出现；在路口交错处，还可以设置防护警报和道口防护，避免出现公路车辆误入铁路。
车站信号就是铁路车站范围中，对列车的运行和调度进行指挥的信号，用以确保相关工作有序安全。车站信号主要可以分为平面控制调车、信号遥控以及车站联锁等。一般来说，在车站进路复杂、股道交错时，进路和道岔的操作必须要和信号保持一致形成特定的操作顺序，进而形成联锁。目前在铁路信号系统中，已经广泛采用了继电集中联锁、平面控制调车和信号遥控系统。
列车运行就是通过计算机技术对列车的发动、运行、调度以及停车等实现全方位监控，完善列车运行机制，提高列车运行效率，促进列车运行安全。
列车指挥就是通过计算机技术手段和设备对列车运行信息和信号设备的数据进行自动收集、整理及处理，然后通过调度控制中心发送对应的列车运行控制指令。列车指挥自动化设备是在原有设备的基础上，增加了列车跟踪系统、通信设备和系统、故障检测分析设备和系统，再结合列车追踪、进路和运行调控等一系列软件，实现对列车的自动化指挥。
控制调车一般是通过驼峰调车场，通过对列车进行分类、编组等控制，达到控制列车溜放速度与进路的目的。常用的控制方法主要有自动化、半自动化、机械化和半机械化控制调车。
3 铁路信号设备受到电气化牵引供电的影响及原因简要分析
（一）信号设备传导性干扰
信号设备受到传导性干扰，主要是因为电气化牵引供电的电流存在不平衡而引起的干扰，也是信号设备受到干扰的主要原因。大部分情况下，钢轨是电气化牵引供电的电流和信号设备的共用通道，但是由于存在接线阻抗、钢轨阻抗以及对地泄漏等因素影响，往往就导致流经钢轨的电流值存在一定差值，从而导致不平衡电流产生，进而对信号设备形成干扰。由于不平衡电流的影响，扼流变压器会相对的产生感应电动势，其会直接导致扼流变压器的电压升高，当电压升高到一定值时，就会导致轨道上的继电器产生误动，进一步使信号设备出现异常。不平衡系数是衡量不平衡电流的一个重要参数，其是不平衡电流和总电流的百分比。比如，钢轨一侧电流为8，另一侧电流为9，那么不平衡系数的计算公式就是K=（9-8）/（9+8）×100%=5.9%。
（二）信号设备容性耦合干扰
一般来说，接触网的电压基本是一个很大的值，如果强电线上存在对地电压，由于受到干扰的信号设备和大地之间存在电压，就会导致信号设备和强电线之间产生电容耦合，从而引起强电线中的强电流分流到信号设备当中，引起感应电动势产生，对信号设备造成容性耦合影响。所产生的感应电动势的静电场强度和信号设备距离以及电流大小都有之间的关联。
（三）信号设备感性耦合干扰
电气化牵引供电的电压很高、电流很大。通常情况下，牵引电流能够达到几百甚至上千安培，当接触网通过电流时，由于受干扰的信号设备和接触网强电线之间存在耦合电感，就会在受干扰的信号设备中形成感应电动势，进而产生感性耦合。感性耦合与容性耦合既有相通之处，又有不同之处。一般来说，感性耦合不仅与信号设备与接触网之间的距离存在关系，还与接触网流经的电流大小有关系。
（四）信号设备辐射性干扰
当接触网和受电弓发生接触时，如果存在过分电段、受电弓降弓、驶过存在硬点的接触网以及开关主断电路等情况时，会导致电气化牵引供电网中形成较大的冲击电流。由于钢轨是牵引电流的回线，该冲击电流的瞬时冲击会直接导致扼流变压器达到饱和，25Hz频率信号在几个周期之内就会被削弱，进而引发轨道继电器产生误动。此外，当接触网和受电弓进行离线时，会产生一定量的电火花，这货导致无线电脉冲干扰产生，进而影响到信号设备的通信质量。
（五）信号设备受到的其他干扰
通常情况下，为了确保相关设备和人员的安全，钢轨是被用作接触网的接地端的。如果某些杆塔没有经过火花间隙就与钢轨直接相连，或是火花间隙存在失效以及一些其他原因，就可能导致出现轨道电力红光带。此外，在列车受电弓支持绝缘闪络、受电击穿等故障时，庞大的短路电流会使火花间隙瞬间被击穿，其也会对信号设备产生较大的影响。
4 信号设备应对电气化牵引供电干扰的应对策略
（一）25Hz频率轨道电路的干扰应对策略
对于25Hz频率轨道电路，受到的主要干扰是传导性干扰，诱发原因主要是轨道之间的不平衡电流引起的。一般来说，25Hz频率轨道电路受到不平衡电流影响的方式主要有两种：其一是不平衡电流会形成脉冲电流，其脉冲电流的波形的上下半波是不对称的，具有少许直流成分，可能使扼流变压器等元器件发生饱和，进而导致25Hz频率轨道线路中传输的信号电流出现陷落；其二是不平衡电流产生的脉冲干扰，会在轨道电路内的线性滤波器中形成衰减震荡，该衰减震荡信号可能会与原信号产生叠加，从而导致轨道电路中的继电器产生误动，影响到信号设备。对于这些问题的应对措施主要可以分为三个方面：第一，适当增大扼流变压器的铁芯饱和电流强度，适当扩大气隙；第二，对扼流变压器增加抗干扰线圈，强化抗干扰能力，同时还可以安装适配器；第三，设计辅助电路与25Hz轨道频率轨道电路并联谐振，起到增强信号的目的。
（二）采用ZPW2000轨道电路应对干扰
ZPW2000的原型是UM71，其于上世纪九十年代引入我国并实现国产化的一类移频轨道电路。ZPW2000具有良好的抗干扰性能，主要表现在以下几个方面：第一，ZPW2000采用了空心线圈，对50Hz的牵引电流存在的阻抗很小，几乎处于断路状态，能够有效平衡轨道电流；第二，ZPW2000主要使用了较高的偶次谐波。由于牵引电流在50Hz基波以外还存在偶次谐波和奇次谐波，而奇次谐波携带的能量远高于偶次谐波，且奇次谐波携带的能量会随着频率降低而增加。所以ZPW2000选择较高的偶次谐波，就可以有效避免牵引电流产生的干扰影响；第三，ZPW2000主要使用了角度调制，其抗干扰的能力明显优于幅度调制，受到外界干扰影响较小；第四，ZPW2000的频偏选择较小，而且只有一个偶次谐波的干扰，在奇次频率漂移中最多会对两个谐波分量产生影响，所以其受到的牵引电流干扰较小。
（三）综合性的抗干扰措施
综合性的抗干扰措施应该立足根本，从干扰问题产生的源头出发，切实解决干扰问题。第一，合理选择相关设备。电气化牵引供电的供电方式尽量选择BT、AT等，努力提升牵引电流回路的对称性，最大程度减少感应电流对信号设备的影响；此外，还可以通过安装电容补偿，降低谐波对信号设备产生的干扰。第二，采取合理的电气化牵引供电施工方案，通过架空回流线实现直供供电，努力提升供电回路的对称性。在轨道电路中，应该适当配置扼流变压器，避免轨道和点位连接线直接相连。最后，优化电气化牵引供电系统设计，保证回流线和列车室、信号机房等保持十五米以上的距离，降低一系列干扰的影响。此外，还可以适当设置吸上线，根据相关要求合理确定扼流变压器和轨道电路长度。
5 结语
铁路电气化牵引供电会对铁路信号设备产生诸多干扰，这些干扰会给铁路系统相关工作带来不小的影响。要切实降低牵引供电对信号设备的干扰，就需要理清干扰类型，明确干扰原因，进而制定相应的应对措施，解决干扰问题。
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