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明建豪 (济南铁路局青岛电务段, 山东青岛?266000) 摘要：当前电气化铁路主要包含直接供电、吸流变压器供电、自耦变压器供电3种牵引供电方式，通过对3种牵引供电制式介绍，对不同供电方式影响铁路信号设备所产生的干扰进行原理性说明，分析产生不平衡电流的原因，并根据产生不平衡电流的众多原因,对轨道电路防护不平衡电流干扰所采取的措施进行详细研究。 关键词：电气化铁路；供电方式； 牵引回流；不平衡电流；防干扰 Abstract: There are mainly three traction power supply methods for current electrified railways, including direct power supply, booster transformer power supply and autotransformer power supply. Through briefly introducing three kinds of traction power supply systems, this paper introduces the principles of interference to signal equipment in different power supply modes, analyzes the causes of unbalanced current, and studies the measures to prevent track circuits against unbalanced current interference according to the causes of unbalanced currents. Keywords:?power supply; traction return current; unbalanced current; anti-interference DOI:?10.3969/j.issn.1673-4440.2017.02.021 在电气化铁路中，接触网所通过的高压、在钢轨中传输的牵引电流和两条钢轨间的不平衡电流，这些均对电务作业人员和电务设备稳定造成巨大影响。因此，电气化铁路牵引供电对电务信号设备的干扰防范问题一直是铁路电务系统在设计和施工中重点考虑的问题之一。 1?电气化铁路干扰源的产生 1.1?电力牵引的供电方式 随着我国铁路的快速发展，电气化铁路的供电方式也发生了巨大变化，目前所采用的直接供电方式是27.5?kV的交流电，针对吸流变压器供电采用回流线供电方式，而自耦变压器供电主要采用55?kV供电方式[1-3]，如表1所示。 1.2?不同供电方式下牵引回流分布模型 当前在我国3种主要牵引供电方式下，均是以地面钢轨—大地作为牵引回流的导通径路，但由于不同的牵引供电方式及其传输特性，使得牵引回流在向前传输时，在钢轨中分布是不均匀的，这种回流分布不均匀的特性是最终产生干扰电务信号设备的根本原因所在[4]。 1）直接供电方式 直接供电方式电流由接触网到达机车车辆受电弓，通过车辆运行传输到钢轨，最终通过大地回流到牵引变电所，钢轨中的牵引电流的回流分布如图1所示。 2）吸流变压器供电方式 吸流变压器供电方式的等效示意如图2所示。L表示漏感，I0表示励磁电流，Z0表示励磁阻抗，由图2可以得出，吸流变压器供电方式可以等效为一个L和Z0的等效变压器，其绕组比为n1∶n2。 3）自耦变压器供电方式的等效电路如图3所示，自耦变压器采用1∶2的变比与牵引网并接。由等效电路图可以得出，在机车运行过程中消耗相同的功率时，由于自耦变压器的供电方式决定，正馈线和接触网中所流经的电流均为牵引电流的二分之一。 在3种不同的供电方式等效电路图中，各导通区段的电流分配比例是不一样的，这样不相同的牵引回流定会引起对轨道电路的干扰。双轨道轨道电路的等效电路如图4所示，该等效电路图的前提条件要忽略临线线路接触网电磁对本轨道的影响。其中，Zis 表示轨道电路始端等效阻抗,Ziz 表示轨道电路终端等效阻抗,Zk 表示变压器开路阻抗，Z表示钢轨阻抗，Z1 表示轨道扼流变压器发送端阻抗，Z2 表示轨道扼流变压器接收端阻抗，钢轨漏泄电阻分别为R1 、R2。 轨道电路受电端和供电端的干扰电压值可根据式（1）进行计算: 由式（1）可以看出，在钢轨中产生的干扰电压主要影响因素包含传输电流不平衡值(即IC1 -IC2的值)和Zs、Zz值。因此研究轨道中导通电流的不平衡性是确保轨道电路对牵引电流干扰防护的首要研究对象。 1.3?产生不平衡电流的原因 塞钉连接线、轨端焊接线与夹板连接线等电务设备的不对称电阻造成钢轨与钢轨间的不平衡总阻抗。 扼流变压器线圈间阻抗并不完全一致，再加上钢轨引接线阻抗不平衡，使得回流电流传输通道上的阻抗并不一致。 铁道铺设过程中多有弯道，由于弯道影响致使两条钢轨的长度并不完全相等，导致两条钢轨间的阻抗也不相等。 2?轨道电路对钢轨不平衡电流的防护 在牵引回流传输径路中，由于两条钢轨间不平衡阻抗的原因，最终导致牵引电流对电务信号设备的干扰[5,6]。究其干扰产生的原因，主要是由于电流在两条阻抗不平衡的钢轨传输产生了干扰电压。因此有效防范牵引电流对电务信号设备的干扰最有效途径就是减少在牵引回流径路中的干扰能量，同时提高电务信号设备的抗干扰能力在[7,8]。 2.1?减小干扰信号的防护措施 1）减小不平衡电流的功率 对于轨道电路来说，由于不平衡电流产生的机理，整个不平衡牵引电流干扰源可被认为是理想电流源，因此可以采用串联谐振电路和干扰源并联的方式来实现抗干扰的作用。 2）加大扼流变压器的饱和电流 为有效防止变压器饱和，可采取在扼流变压器铁芯中留出一定空隙的措施。其原理为铁芯磁导率是空气磁导率的上千倍，磁阻或磁动势由于空气的磁导率过大，其能力将大部分衰减到空气中，从而有效保证磁芯达到饱和。 3）改善25?Hz信号传输 改善25?Hz信号传输效率可以采用在轨道电路扼流变压器串联一个谐振电路来实现。具体电路如图5所示，在扼流变压器二次侧并联一个50?Hz的串联谐振电路，再通过调整匝数比，保持电容值和扼流变压器铁芯空隙，从而实现增强25?Hz轨道电路牵引圈的阻抗,达到改善25?Hz信号传输效率的目的。 2.2?对牵引电流及其谐波防护 2.2.1?提高信干比防护 1）扼流变压器防护 在实际环境中，轨道本身加上扼流变压器牵引线圈两者相加的阻抗并不相等，尤其当较大的牵引电流瞬间通过时，流经两条钢轨及扼流变压器牵引线圈上的牵引电流就产生了不平衡，从而形成干扰电压，因此增设扼流变压器是减少牵引回流影响的有效途径。 2）绝缘变压器防护 在25?Hz轨道电流实际使用中，为了兼顾现场职工调整简单的基础上，尽量避免不平衡电流的产生和干扰电压的影响，可以采取的措施是加大变压器的变压比。由于变压比的增加，干扰电压将更多的衰减在变阻器和信号线圈上，而从实现降低干扰电压的影响，同时也平衡了不平衡电流和减小干扰电压。 3）滤波器或防护盒防护 由于多数轨道电路采用25?Hz工频交流电，可以选择一定的滤波器过滤50?Hz牵引电流及其谐波对25?Hz工频轨道电路的影响。例如，在25?Hz工频计数电码轨道电路中增设轨道滤波器设备和机车滤波器设备，在移频轨道电流中增设移频轨道滤波器。 2.2.2?频率与制式防护 采用频率与制式防护的原理就是利用各种频率与制式的特点对牵引电流进行防护。 1）移频制式防护 由于移频信号具有较强的抗干扰能力，结合这一原理，可以将低频信号调制成相对应的移频信号。因此，假如一个站场轨道电路仅需要一种低频信息时，可以将滤波器的通带宽度缩减到100?Hz以下，再经过滤波器滤波之后，信号在不会有太大畸变的基础上，实现抗干扰能力的大幅增强。 2）25?Hz相敏制式防护 轨道电路中产生的干扰电压流经分频器的输出端口时，对信号频率、干扰电压的大小和相位都不会产生过大的干扰作用。在50?Hz牵引电流流经轨道线圈，由于两者的工频不一致，对25?Hz轨道电路的相位也不一致，因此，轨道继电器并不会受到影响，从而实现减小不平衡电流和干扰电压的影响。 3?小结 目前，我国电务信号设备对于牵引回流的防干扰所采取的措施，还处于不定量阶段，往往采用以往经验进行防范，缺失对各种干扰源的系统分析。电务信号设备抗干扰能力还缺乏理论支持和有说服力的检测手段，大量工作仅仅局限在现场试验中解决，不稳定性和局限性较大，还不能有针对性的预防抗干扰，今后还应加强信号设备防干扰的基础性研究工作。 参考文献 [1]董昱.区间信号控制与列车运行控制系统[M].北京:中国铁道出版社,2008. [2]方剑勤.关于轨道电路干扰问题的分析和研究[J].甘肃科技，2010，26（4）：87-88. [3]胡耀华，张焕瑞，钱旭人.交流电力牵引的冲击电流对轨道电路干扰的研究[J].铁道科学技术(通信信号分册)，1981（6）:14-17. [4]余昆明.电气化牵引供电对ZPW-2000A轨道电路的干扰及防护[J].科技创新导报，2011（18）:85-87. [5]齐亚娜.新建电气化铁路对既有铁路信号系统干扰影响的分析研究[J].铁道标准设计，2011（7）:119-120. [6]雷栋.高速电气化铁路牵引回流及钢轨电位特性研究[D].成都:西南交通大学，2010. [7]毕红军.电气化铁道牵引回流分布的理论分析[J].北方交通大学学报，1994,18（2）:252-254. [8]谢旭东,胡中华.电气化区段机车牵引电流对轨道电路的干扰与防护[J].郑铁科技通讯，2006（4）:12-14. （收稿日期：2016-12-26） |
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