喻喜平

牽引回流不平衡對(duì)高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)的影響

喻喜平

武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖北 武漢 430205

本文首先對(duì)高鐵牽引供電系統(tǒng)、高鐵信號(hào)系統(tǒng)、電力機(jī)車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)等相關(guān)概念或工作原理進(jìn)行闡述，據(jù)此再通過(guò)實(shí)際檢測(cè)的方法對(duì)牽引回流不平衡對(duì)高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)的影響進(jìn)行探討，通過(guò)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于諧波頻率的不斷提升，遭受諧波干擾影響將隨之減小，卻還一直會(huì)存在。在當(dāng)前，我國(guó)高速鐵路牽引回流中的諧波還是會(huì)對(duì)高鐵信號(hào)設(shè)備有著非常明顯的影響。

牽引回流不平衡; 鐵路信號(hào)系統(tǒng)

1 高鐵牽引供電系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)概述

1.1 高鐵牽引供電系統(tǒng)

就是把外部有關(guān)電力系統(tǒng)的電源輸送進(jìn)變電所，再經(jīng)過(guò)該變電所的變壓器，將外部輸送進(jìn)來(lái)的電源轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電力機(jī)車(chē)正常運(yùn)行所需要的電壓，以便于使得電力機(jī)車(chē)正常工作得到保障，它的最核心所在就是牽引變電所與接觸網(wǎng)（俗稱(chēng)外部電源）[1]。

1.2 高鐵信號(hào)系統(tǒng)

高鐵信號(hào)系統(tǒng)是普通鐵路信號(hào)系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)版，該系統(tǒng)屬于一種多種技術(shù)的集合體，比如集調(diào)度集中、車(chē)站信號(hào)、微機(jī)監(jiān)測(cè)以及區(qū)間自動(dòng)閉塞等于一體的系統(tǒng)。其主要功能是使高速列車(chē)行駛安全性得到保障，它遵守故障-安全最基本原則，寓意倘若存在無(wú)法達(dá)到安全條件的狀況下，高鐵信息系統(tǒng)就一定會(huì)發(fā)出停車(chē)信號(hào)[1]。

2 電力機(jī)車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)

電力機(jī)車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)由多個(gè)設(shè)備構(gòu)成，比如牽引電機(jī)、牽引變壓器與逆變器、以及脈沖整流器等幾部分構(gòu)成[2]。其工作原理：牽引供電系統(tǒng)使用的單相交流電（25 KV,50 Hz），而對(duì)列車(chē)牽引電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電源的卻是能夠調(diào)節(jié)的三相交流，且列車(chē)在正常運(yùn)行過(guò)程，由于它本身還要接觸電弓升起與外部電源，從外部電源中所獲取電流屬于單相交流電，此交流電的電壓為25 KV、頻率為50 Hz，再輸送至牽引逆變器與脈沖整流器，以此就可獲得能夠控制的三相交流電，其交流電壓與頻率分別為0~2300 V與0~220 Hz，將這些可控三相交流電輸送至異步牽引電動(dòng)機(jī)之后，由此高速列車(chē)產(chǎn)生了足夠的動(dòng)能，從而促進(jìn)高速列車(chē)正常行駛，高速列車(chē)牽引功率與運(yùn)行阻力、最高時(shí)速、質(zhì)量以及剩余的加速度均有著非常密切的關(guān)系[2]。

3 牽引回流不平衡對(duì)高鐵信號(hào)系統(tǒng)的影響

3.1 牽引回流形成不平衡情況

由相關(guān)方面文獻(xiàn)可知，牽引回流分兩部輸出，一部分流入大地，另一部分則傳輸至變電所，而移頻信號(hào)的傳遞將受到部分經(jīng)鋼軌傳輸回變電所的牽引回流的干擾與影響[3]。此種移頻信號(hào)均是立足于載頻的根基之上再對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行疊加而形成的，此處載頻以4類(lèi)頻率為主，其分別為2600 Hz、2300 Hz、2000 Hz、1700 Hz，其低頻信號(hào)和代碼序號(hào)詳見(jiàn)表1。

表1 低頻信號(hào)與碼序?qū)φ毡?/p>

軌道電路信息相關(guān)定義：L6碼、L5碼、L4碼、L3碼、L2碼、L碼分別代表運(yùn)行前方8個(gè)、7個(gè)、6個(gè)、5個(gè)、4個(gè)、3個(gè)以上封閉分區(qū)空閑。LU碼、LU2碼、U碼分別表示運(yùn)行前方2個(gè)、2個(gè)、1個(gè)封閉分區(qū)空閑。U2S碼、U2碼表示要求高速列車(chē)在規(guī)定速度內(nèi)行駛，預(yù)先通知高速列車(chē)行駛的前方封閉分區(qū)分別為UUS碼與UU碼。UUS碼：對(duì)于那些未有貨車(chē)運(yùn)輸?shù)蔫F路客運(yùn)線，此碼就對(duì)此高速列車(chē)的速度進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定（岔側(cè)向的速度為80 km/h），要求其一定要在規(guī)定的速度內(nèi)駕駛，表示高速列車(chē)接近的地面信號(hào)機(jī)開(kāi)放經(jīng)過(guò)18號(hào)道岔側(cè)方向處進(jìn)路；對(duì)于那些不但有客車(chē)經(jīng)過(guò)，而且有時(shí)還會(huì)有貨車(chē)經(jīng)過(guò)的客運(yùn)專(zhuān)線，此碼也將對(duì)此高速列車(chē)的速度進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定（岔側(cè)向的速度為80 km/h），表示高速列車(chē)接近的地面信號(hào)機(jī)開(kāi)放經(jīng)過(guò)18號(hào)道岔側(cè)方向處進(jìn)路，同時(shí)次一架信號(hào)機(jī)經(jīng)過(guò)超過(guò)18號(hào)以上道岔側(cè)向處或者經(jīng)道岔直向進(jìn)路。UU碼：要求高速列車(chē)在相應(yīng)規(guī)定的速度內(nèi)行駛，表示高速列車(chē)接近的地面信號(hào)機(jī)開(kāi)放經(jīng)道岔側(cè)向處進(jìn)路。HB碼：表示高速列車(chē)接近進(jìn)站或者接車(chē)進(jìn)路信號(hào)機(jī)開(kāi)放機(jī)指引相關(guān)信號(hào)，或者利用該信號(hào)機(jī)對(duì)容許信號(hào)進(jìn)行展現(xiàn)；HU碼與H碼分別要求高速列車(chē)及時(shí)與馬上停止行駛的方法[3]。即倘若牽引回流被空心線圈與扼流變壓器接收時(shí)，所形成的差動(dòng)信號(hào)，倘若在低頻信號(hào)上面進(jìn)行疊加時(shí)，軌道電路傳遞的碼序?qū)?huì)發(fā)生變動(dòng)，如此一來(lái)就會(huì)對(duì)高速列車(chē)行駛安全產(chǎn)生較大的影響，對(duì)移頻信號(hào)形成的較大影響的作用的牽引回流，就是被學(xué)界稱(chēng)作不平衡牽引回流。

3.2 高鐵信號(hào)系統(tǒng)受不平衡牽引回流影響

在理想情況下，當(dāng)不平衡牽引回流經(jīng)過(guò)兩支鋼軌應(yīng)劃分為共模電流，這兩支牽引回流大小一樣。當(dāng)其同時(shí)流經(jīng)扼流跨截止鋼軌絕緣時(shí)，在線圈上就會(huì)出現(xiàn)相對(duì)流通。倘若不平衡牽引回流經(jīng)過(guò)空心線圈或者扼流變壓器再次進(jìn)入鋼軌時(shí)，出入流口的電流因?yàn)榈谝淮巫儔浩骶€圈與第二次線圈匝數(shù)相同，那么線圈中的磁通量就會(huì)存在相互抵消而不會(huì)產(chǎn)生變化，這時(shí)的軌道電路移頻信號(hào)就將不會(huì)受不平衡牽引回流影響。

可是在高速列車(chē)行駛實(shí)踐過(guò)程中，牽引回流中由于它本身還存在諧波的這個(gè)事實(shí)。由相關(guān)文獻(xiàn)可知空心線圈（或者扼流變壓）中的一二次線圈的匝數(shù)并不定會(huì)相等方面因素事實(shí)存在性[4]，這就會(huì)引起流經(jīng)空心線圈（或扼流變壓器）兩支牽引回流強(qiáng)弱不同，這種強(qiáng)弱不同的牽引回流就體現(xiàn)在空心線圈或者扼流變壓器上，從而便形成了差模電流。因?yàn)檐壍离娐废嚓P(guān)設(shè)備能夠接收差模電流形成的磁通量，從而一個(gè)移頻影響信號(hào)將被感應(yīng)，以高鐵站內(nèi)一體化移頻軌道電路作為案例。由于客觀事實(shí)存在性，筆者把一個(gè)牽引回流不平衡的常數(shù)概念設(shè)定為，把其看作對(duì)牽引回流產(chǎn)生干擾的全部因素的累積總和，再參考不平衡牽引回流形成的原理可以得到右邊表達(dá)式：=(I1-I2)/I×100%，在該式中，值要盡量不超過(guò)5%，倘若大于5%就很有可能對(duì)移頻軌道電路信號(hào)產(chǎn)生影響，I表示牽引電流，I1與I2分別表示兩支鋼軌之上的牽引電流。

4 關(guān)于幅值與諧波實(shí)測(cè)

4.1 實(shí)測(cè)方法

筆者在實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用磁場(chǎng)環(huán)天線(Hz-10型)與頻譜檢測(cè)議（RSA3308B)對(duì)牽引回流諧波進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，第一步就是對(duì)高速列車(chē)行駛所產(chǎn)生的噪音進(jìn)行檢測(cè)，第二步才正式檢測(cè)流經(jīng)鋼軌之上的牽引回流中的諧波幅值與含量，具體檢測(cè)過(guò)程：在高鐵線路旁，一側(cè)離鋼軌大約0.01 m處擺放著磁場(chǎng)天線(Hz-10型)，此磁場(chǎng)天線應(yīng)環(huán)繞與地面平行，卻不能與地面發(fā)生相連。倘若高速列車(chē)駛過(guò)此鋼軌時(shí)，與磁場(chǎng)天線進(jìn)行相連接的頻普檢測(cè)議（RSA3308B)就能獲取對(duì)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。再經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)度，筆者就能推算出這里干擾電流值大小，磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位是用（)表示。

在上（4）式中，代表將會(huì)產(chǎn)生一定影響的電流，代表兩者之間距，即測(cè)試地點(diǎn)與高速列車(chē)經(jīng)過(guò)的鋼軌之間最近距離，代表對(duì)磁場(chǎng)形成影響感應(yīng)程度。把（4）式代入（3）式中，此外，還將=0.20 m與=1.433 m放入其中，就能夠得到右式：

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)上文分析，筆者運(yùn)用磁場(chǎng)環(huán)天線(Hz-10型)與頻譜檢測(cè)議（RSA3308B)取得鋼軌上牽引回流對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生影響的強(qiáng)度，而且通過(guò)（5）式計(jì)算出影響電流強(qiáng)弱的大小，筆者再描繪出電流值與磁感應(yīng)強(qiáng)度示意圖對(duì)其進(jìn)行對(duì)比，就可以取得干擾電流程度與磁場(chǎng)率發(fā)生變化兩者的相互關(guān)系。詳細(xì)操作如下：為了使得測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性與可靠性，經(jīng)過(guò)檢測(cè)數(shù)次，檢測(cè)方式是采取開(kāi)燈情況下的站間自動(dòng)封閉。站間無(wú)列車(chē)開(kāi)通時(shí)，詳見(jiàn)圖1。

圖1 背景噪音

經(jīng)過(guò)圖2對(duì)比可知，在站間有高速列車(chē)行駛時(shí)，磁場(chǎng)天線感應(yīng)到磁場(chǎng)強(qiáng)度大致提高了70 dB。這就反應(yīng)了磁場(chǎng)的增強(qiáng)重點(diǎn)還是由于牽引回流所導(dǎo)致影響電流的形成，倘若高速列車(chē)從正方向行駛經(jīng)過(guò)鋼軌時(shí)所取得軌道對(duì)電流產(chǎn)生影響的峰值分別為4.798 A（50 Hz)、0.801 A(300 Hz)、0.449 A(600 Hz)，當(dāng)高速列車(chē)反向行駛經(jīng)過(guò)時(shí)所得到的軌道干擾電流峰值分別為5.402 A(50 Hz)、0.898 A(300 Hz)、0.449 A(600 Hz)，其頻率也均為50 Hz。倘若牽引車(chē)回流頻率提高時(shí)，軌道的干擾電流將回落。

圖 2 實(shí)測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度與干擾電流值

4.3 測(cè)試結(jié)果分析

筆者總共檢測(cè)3次，由于篇幅與時(shí)間關(guān)系就沒(méi)有再把第2、第3次檢測(cè)方法經(jīng)過(guò)在本文進(jìn)行詳細(xì)描述，通過(guò)三次檢測(cè)結(jié)果可知，倘若高速列車(chē)從正方向行駛經(jīng)過(guò)時(shí)，所檢測(cè)到電流的幅值所形成的頻率為50 Hz、300 Hz、600 Hz位置處，在50 Hz的位置處將出現(xiàn)最高干擾幅值為6.39 A，而其余處均不會(huì)超過(guò)1.1 A。

可以通過(guò)運(yùn)用Allometricl模型進(jìn)行擬合，獲取干擾電流的變化。倘若影響頻率高于500 Hz，那么這種影響電流就完全有可能發(fā)生過(guò)沖與震蕩[6]。筆者將頻率為3000 Hz內(nèi)的影響電流的譜波成分，站間有列車(chē)開(kāi)通時(shí)見(jiàn)表2。

表2 牽引電流各次諧波分布

從表2可取得，由于諧波頻率的不斷提升，遭受諧波干擾影響將隨之減小，卻還一直會(huì)存在，在當(dāng)前，我國(guó)高速鐵路牽引回流中的諧波還是會(huì)對(duì)高鐵信號(hào)設(shè)備有著非常明顯的影響。

[1] 譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2009

[2] 張偉.石太客專(zhuān)軌道電路牽引回流干擾分析及改進(jìn)措施[J].鐵道通信信號(hào),2017,10(17):38-41

[3] 蘇立軒.高速電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)對(duì)信號(hào)電纜的瞬態(tài)電磁影響研究[D].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,2016

[4] 常媛媛.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)對(duì)信號(hào)電纜電磁影響若干問(wèn)題的研究[D].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,2011

Effect of the Unbalanced Traction Return on a Signal System of High-speed Railway

YU Xi-ping

430205

Firstly, the paper elaborated the related concepts or working principles of high-speed railway traction power supply system, high-speed railway signal system and electric locomotive traction drive system, and then discussed the influence of unbalanced traction return on high-speed railway signal system through actual detection method. Through the test results, it was found that the unbalanced traction return affected the high-speed railway signal system. As the harmonic frequency increases, the influence of harmonic interference would decrease, but it would still exist. At present, the harmonics in the traction return of high-speed railway in China will have a very obvious impact on the high-speed railway signal equipment.

Unbalanced traction return; railway signal system

U284.93

A

1000-2324(2019)05-0861-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.05.027

2018-09-23

2018-10-08

喻喜平(1968-),女,碩士,副教授,研究方向:城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù). E-mail:yuxiping1968@163.com