強磁暴對軌道電路的影響分析

范婷霞 宗 偉 劉連光 蔣智化

范婷霞:華北電力大學 (北京)電氣與電子工程學院 碩士研究生 102206 北京

蔣智化:華北電力大學 (北京)電氣與電子工程學院 博士研究生 102206 北京

宗 偉:華北電力大學 (北京)電氣與電子工程學院 教授102206 北京

劉連光:華北電力大學 (北京)電氣與電子工程學院 教授102206 北京

磁暴是由太陽風擾動與地球磁場相互作用而產生的，指太陽活動引起全球性地磁場劇烈擾動，又稱地磁暴，是災害性空間天氣的地面效應。空間天氣 (Space Weather，俗稱太陽風暴)是上世紀90年代提出的新概念，指包括太陽耀斑、日冕、太陽風、磁層、電離層和地球表面的空間狀態和物理條件。源自太陽活動的災害性空間天氣 (空間電磁環境)，曾直接或間接地導致大量衛星、通信、電網、鐵路系統的重大事故，磁暴電磁環境及其影響的研究已成為國家行為和國際行為。

磁暴來襲時，由法拉第電磁感應定律可知:時變磁場將在地面感應出電場，形成地面感應電勢(ESP)，并通過地面長距離導體 (鋼軌、輸電線路、石油管道等)與大地構成的回路，產生地磁感應電流 (GIC)，進而可能對地面技術系統產生電磁干擾。GIC的峰值可以達到200A，頻率成分一般為0.1～0.001 Hz，對一般系統相當于準直流。地磁場的水平變化率、大地電性結構、網絡拓撲結構和參數是GIC幅度的主要影響因素，并且隨著中低緯度地磁活動的減弱，大地和地面網絡特性對GIC的影響更為顯著。

我國大部分地區處于極光亞帶 (中緯度)，尤其是東北北部和新疆北部地區接近或進入極光帶(高緯度)，同時我國有廣泛分布的火成巖地質結構，因此存在發生較大規模GIC的潛在威脅。現在關于GIC的研究大部分集中在電力系統和輸油管道上，而對鐵路設備的影響知之甚少，國內這方面的研究工作還沒有起步。然而，在1989年和2000—2005年的強磁暴期間，中緯度的俄國北部和Gorky電氣化鐵路區段的一些信集閉系統操作被觀測到了許多異常。據有關2004年中緯度地區西伯利亞鐵路區段發生的2176次異常統計資料顯示，磁暴發生時這些異常出現的幾率是平時的5～7倍，通過用拋物線擬合這些列車的異常率N和磁暴的相關指數Kp、Ap和Dst(Kp是地磁暴警報指數、Ap是地磁暴預報指數、Dst是地磁活動指數)，得到的相關系數K分別是0.85、0.95和0.97。可以看出強烈的磁暴會通過干擾信號和控制系統來影響鐵路的正常運行，鐵路系統所出現的異常現象與磁暴的干擾是密切相關的。

高速鐵路由于其速度高，同時也增加了其在自然環境災害面前的脆弱性、高風險性。高鐵軌道電路系統乃至整個高鐵信號系統電磁環境干擾是關系高鐵行車安全的重大問題，因此也是我國高鐵科學研究的前沿課題。

1 瑞典鐵路區段的異常及影響因素分析

在1982年、1989年以及2000—2005年的強磁暴期間，瑞典和俄國北部一些鐵路區段信號系統的異常主要表現在軌道電路上。由于軌道電路系統總體上屬于弱電系統，所以極易受到外部電磁干擾的影響。

有關1982年7月13—14日磁暴中太陽風的數據由IMP8飛船和ACE飛船測得，地磁指數、地磁數據來自瑞典北部附近的3個地磁觀測站。此次磁暴在7月13日當地時間的午夜達到最大值，當時地磁分量Bx下降到了－5000nT(Tesla—磁通密度單位)，△Bx達到了2500nT/min，△By大約700nT/min，Dst=－325nT，Ap=400。

在13—14日午夜的強磁暴期間，位于瑞典南部45 km處的鐵路段出現了一些異常:鐵路信號燈在沒有任何原因的情況下出現了紅色，一會又變回了綠色，隨后又變成了紅色，即在磁暴期間出現了“閃紅”現象。與此同時在延平城市的一個電站，保護設備被燒毀，而在其他電站，報警器開始鳴響，這些都是強磁暴干擾的原因。

分析該磁暴期間的異常在于感應地電場對軌道繼電器產生了影響。在這次磁暴中，感應地電場的值大約是4～5V/km，這就足以對軌道繼電器勵磁吸起的3～5 V電壓產生影響。磁暴期間，當感應電壓和電源電壓相反時，電源電壓被削弱，導致軌道繼電器失磁，信號燈閃現紅色，就好像有列車占用;當感應電壓和電源電壓相同時，信號燈恢復綠色，感應電壓的波動就引起了“閃紅”現象。

2 俄國中緯度地區鐵路區段的異常及分析

有關俄國1989年和2000—2005年強磁暴的數據，主要來源于北部鐵路學報和信集閉實驗室總工程師的報告。

圖1中 (a)、(b)分別為1989年3月磁暴的Kp、Dst指數和2000年4月磁暴的Kp、Dst指數，水平坐標是在信集閉系統中觀測到異常的時間，用的都是世界時。

圖1 Kp和Dst指數圖

1989年3月14日 (當地時間0:45)開始在Gorky鐵路區段，發現大量有關軌道電路假鎖閉的故障，在Vladimir和Arzamasskaya鐵路區段，這種錯誤信號持續了幾分鐘，在其余的鐵路段3～4 h內重復的出現異常。通過對Krasnoufimskoj段的檢測發現，在強磁暴干擾期間，軌道繼電器上的電壓由正常值 (大約25V)下降到6～9V，導致軌道繼電器失磁落下，同時在Lyangasov，Arxamasskaya和Krasnoufimskoj鐵路區段，機車信號設備都出現了異常。

2000年 4月 6—7日的晚上，在 Nyandoma-Obozerskaya區段的軌道電路電壓非常不穩，信號燈非系統的、相繼的或者同時出現“閃紅”現象，鐵路異常現象就是發生在磁暴干擾最嚴重的1 h內。

在俄國北部鐵路出現的異常案例中，磁暴的干擾只對電力牽引的區段有影響，因此分析干擾的原因之一可能是在強磁暴期間，快速的地磁變化在鋼軌上產生了感應電場，進而又有感應電流(GIC)的流入，由于鋼軌的不對稱性，加重了牽引電流的不平衡度，最終對軌道電路的扼流變壓器產生影響。

在電氣化鐵路的軌道電路中，扼流變壓器是強弱電的結合部分，它是溝通牽引電流回流的橋梁，同時又是軌道電路發送和接收信號電路的重要匹配設備。由于它的非線性特性，容易受到電氣化的干擾，從而引起接收端繼電器的誤動作，使軌道電路出現異常。在強磁暴發生時，由于瞬間GIC電流的注入以及不平衡牽引電流的產生，容易造成扼流變壓器的瞬間飽和，而且正負飽和度不一樣，比較常見的是半邊飽和，導致50 Hz牽引電流上疊加的25 Hz信號電流削弱，造成25 Hz信號在幾個周期內的消失，使軌道繼電器上的電壓下降，引起繼電器的誤動作，從而關閉或不能開放信號，危及到行車安全和影響運輸效率。

3 磁暴影響鐵路系統機理的相關研究展望

磁暴災害與雷電災害一樣同屬于自然電磁環境干擾，但磁暴電磁環境對鐵路信號系統的安全影響并未明確，其研究尚處在初始階段。因為缺乏必要的試驗和實測數據來驗證，所以對磁暴干擾的準確物理過程和相關響應設備還需要進一步的討論。為了獲得更多的結論，今后還需要對以下問題進行研究:①分析感應電流在接觸網和軌道電路中是怎樣流動的;②計算對鐵路系統產生影響的感應電勢(ESP)和地磁感應電流 (GIC)的大小;③GIC相關干擾危險點的分析;④開發能夠用于鐵路系統上的GIC檢測裝置等。

對于現在快速發展的高鐵，磁暴還可能對其GSM-R無線通信系統造成影響。對GSM-R無線通信的影響源自太陽耀斑事件，其產生的X射線8 min左右到達地球，具有隨機性且影響難以準確預測、預報，這也是下一步需要研究的。對高鐵軌道電路信號系統的影響源自磁暴的電磁環境，及其產生的感應電場，其影響通常在日冕物質拋射(CME)和日冕事件發生之后3天內，雖然有1～3天可供分析、評估，但由于太陽風的能量、朝向和速度不斷變化，對鐵路軌道電路系統的影響程度同樣難以預測。盡管我國地處緯度 (磁緯)比上述國家低，在相同磁暴和大地構造條件下，鐵路致災的可能性較低，但我國高鐵與國外的不同，基本上都采用高架方式，軌道電路的電纜敷設在高架橋的電纜溝道內，而不是地面的溝道，這種方式與磁暴電磁侵害模式的關系尚待研究。

4 結論

通過描述了1982年7月以及1989年和2000—2005年強磁暴期間，瑞典和俄國鐵路軌道電路所受影響的具體表現，得出了強磁暴和鐵路系統異常有著密切的關系，其異常主要表現在鐵路軌道電路及信號顯示上;并且分析了磁暴對軌道電路的可能影響因素，得出地面感應電勢對軌道繼電器的影響和地磁感應電流引起扼流變壓器的飽和，可能是產生干擾的原因所在;最后結合我國高鐵實際情況，闡述了磁暴對高鐵系統可能產生的影響。相信通過對地磁活動的記錄和預測，分析其對鐵路系統的影響，從而減少極端地磁風暴對鐵路系統的危害是可能的。

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