電氣化鐵道區(qū)段信號(hào)設(shè)備電磁兼容性分析

羅明玉

摘要：本文通過對(duì)電氣化鐵道區(qū)段信號(hào)設(shè)備所受電磁干擾的原因進(jìn)行分析，提出相應(yīng)抑制措施，討論相關(guān)電磁兼容性問題。

關(guān)鍵詞：電氣化;牽引電流;電磁兼容;電磁干擾

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2016）08-0243-02

隨著鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，我國(guó)鐵路正向著高速鐵路、重載運(yùn)輸?shù)姆较虬l(fā)展，鐵道信號(hào)開始大量應(yīng)用微電子、現(xiàn)代通信、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)等技術(shù)，系統(tǒng)主要由信息和通信設(shè)備構(gòu)成，趨向小型化、數(shù)字化和低功耗化。主要表現(xiàn)在：一方面，電子設(shè)備組成更加復(fù)雜，微電子器件工作頻率、通信速率越來越高，而功耗、工作電壓和電流逐漸降低，即信號(hào)更加敏感;另一方面，列車高速度、高密度和重載的發(fā)展又會(huì)帶來牽引功率和電流的增加，可能導(dǎo)致電磁環(huán)境更加惡劣。電力牽引是一種有軌運(yùn)輸牽引動(dòng)力形式，利用電能作為牽引動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)鐵路列車、電動(dòng)車組和城市電動(dòng)車輛等有軌運(yùn)輸工具的運(yùn)行。按牽引網(wǎng)供電制式不同，分為工頻單相交流制、低頻單相交流制（歐洲：162/3Hz）和直流制。我國(guó)鐵路采用工頻單相交流制（50Hz/ 25kV）電力牽引，直流制電力牽引僅用于地下鐵道、城市交通輕軌運(yùn)輸系統(tǒng)和工礦運(yùn)輸系統(tǒng)。牽引供電回路是由牽引變電所—饋電線—接觸網(wǎng)—電力機(jī)車—鋼軌—回流聯(lián)接—（牽引變電所）接地網(wǎng)組成的閉合回路。

一、電磁干擾的機(jī)理及分析

1.牽引電流不平衡性產(chǎn)生的干擾。電力牽引區(qū)段的兩條鋼軌，既作為軌道電路的通道傳輸信息，也作為牽引電流的回流通道。這兩種不同性質(zhì)的電流在同一鋼軌線路中傳輸，牽引電流對(duì)干擾軌道電路的正常工作帶來很大影響。

不平衡電流：在同一時(shí)刻，兩條鋼軌中牽引電流的差值。

ΔI=I -I ？搖

不平衡系數(shù)：鋼軌不平衡電流與總電流的比值（%）。

K=ΔI/I +I ？搖×100%

對(duì)于同一區(qū)段，不平衡系數(shù)k并不是一個(gè)恒定的常數(shù)，而是牽引電流、大地電導(dǎo)、鋼軌阻抗以及牽引網(wǎng)類型等的函數(shù)。對(duì)有絕緣軌道電路和無絕緣軌道電路均產(chǎn)生干擾。

以有絕緣軌道電路的電磁干擾為例：當(dāng)從BE的鋼軌連接端流入的牽引電流不相等時(shí)，耦合到扼流變壓器次級(jí)的磁通不能完全抵消，則形成干擾。

扼流變壓器BE匝數(shù)比為1∶3，假定BE為理想變壓器，且工作于磁化曲線線性區(qū)，當(dāng)不平衡電流20A時(shí)，半線圈50Hz阻抗取1Ω，則在半個(gè)線圈上產(chǎn)生的干擾電壓為20V，在二次線圈即信號(hào)側(cè)對(duì)應(yīng)的干擾電壓將達(dá)120V。按照軌面信號(hào)電壓1V考慮，干擾電壓遠(yuǎn)大于信號(hào)電壓。不平衡電流形成干擾機(jī)理：鋼軌（及扼流變壓器等）是牽引電流和軌道電路信號(hào)電流的共同通道，具有共阻抗耦合的特點(diǎn)。按照通信傳輸線的方式來類比，信號(hào)電流是差模電流，而牽引電流則是共模電流。在一定條件下，共模電流將轉(zhuǎn)化為差模干擾，形成傳導(dǎo)性干擾即鋼軌中不平衡牽引電流，影響設(shè)備工作。造成不平衡的原因?yàn)榭v向和橫向不平衡，縱向不平衡是指沿著鋼軌方向的不對(duì)稱因素，如：由于長(zhǎng)度差異或因接觸電阻等引起接續(xù)線阻抗不同側(cè)鋼軌斷裂等帶來的鋼軌阻抗不同、扼流變壓器一次線圈或空心電感（SVA）不對(duì)稱、與鋼軌連接線長(zhǎng)度不相等;橫向不平衡是指兩側(cè)鋼軌對(duì)地不平衡，如兩側(cè)對(duì)地漏泄電導(dǎo)不同、接觸網(wǎng)桿塔地線或電纜護(hù)套等與一側(cè)鋼軌連接引起對(duì)地漏泄電流不同。另外，還涉及列車長(zhǎng)度及運(yùn)行時(shí)與鋼軌的接觸阻抗等動(dòng)態(tài)因素。

2.工頻磁場(chǎng)和射頻對(duì)信號(hào)聯(lián)鎖設(shè)備的干擾。某站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備的工作環(huán)境如圖所示，電力加強(qiáng)線用來為電力機(jī)車供電。電磁干擾現(xiàn)象是：位于運(yùn)轉(zhuǎn)室的控制臺(tái)CRT顯示屏幕經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重抖動(dòng)，致使圖像和文字無法辨認(rèn)，影響值班員操作和運(yùn)輸。原因分析：顯示器顯像管中的高速電子束在幀偏轉(zhuǎn)線圈和行偏轉(zhuǎn)線圈磁場(chǎng)的共同作用下以掃描形式轟擊顯示屏，產(chǎn)生圖像顯示。如顯示器周圍存在其他外部磁場(chǎng)，同樣會(huì)影響電子束的軌跡。由于圖像是每秒50幀，所以50HZ的工頻磁場(chǎng)是產(chǎn)生圖像抖動(dòng)的主要原因。而周圍高頻電磁場(chǎng)、顯示器電源中的瞬變脈沖等干擾因素可能通過各種途徑影響視頻信號(hào)，使屏幕顯示出現(xiàn)同步不穩(wěn)、滾動(dòng)、雪花、亮條等現(xiàn)象，但不會(huì)出現(xiàn)顯示字符和線條的抖動(dòng)。

3.無線集群電話干擾信號(hào)設(shè)備。在機(jī)械室ZPW-2000A無絕緣軌道電路接收器附近使用無線對(duì)講機(jī)時(shí)，射頻干擾引起軌道繼電器錯(cuò)誤落下，軌道電路出現(xiàn)“紅光帶”。另外，現(xiàn)場(chǎng)也再現(xiàn)過使用400MHZ手持電臺(tái)時(shí)，引起聯(lián)鎖控制臺(tái)上鼠標(biāo)移動(dòng)甚至錯(cuò)誤操作的現(xiàn)象;使用150MHZ或230MHZ電臺(tái)時(shí)，射頻輻射對(duì)車載信號(hào)造成干擾。原因分析：目前鐵路行業(yè)用于集群移動(dòng)通信的頻段主要在400MHZ和800MHZ頻段，手持終端對(duì)講機(jī)的功率范圍為0.5～5W。根據(jù)單點(diǎn)騷擾源的功率和場(chǎng)強(qiáng)之間的關(guān)系，GB/T17926.3提供的便攜式收發(fā)機(jī)由功率P在VHF（米波）和UHF（分米波）頻段場(chǎng)強(qiáng)E的計(jì)算公式：E= = ，式中，d為到源的距離（遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)），單位m。可得距離為0.5m處的場(chǎng)強(qiáng)值：0.5W時(shí)為4.24V/m，5W時(shí)為13.42V/m。如果距離更近，再疊加其他射頻成分，則騷擾場(chǎng)強(qiáng)更大。而信號(hào)設(shè)備射頻輻射的抗擾度限值（等級(jí)3）為10V/m。由于軌道電路接收器采用基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的技術(shù)，因而當(dāng)輻射干擾對(duì)邏輯電路、時(shí)鐘電路或其他數(shù)字信號(hào)時(shí)，造成兩路輸出不一致，使繼電器落下，導(dǎo)向安全。

二、抑制和防干擾措施

1.牽引電流不平衡性抗干擾措施。①減少兩鋼軌間不平衡電流，必須改善兩鋼軌的縱向電導(dǎo)的不平衡性，平衡由于長(zhǎng)度差異或因接觸電阻等引起接續(xù)線阻抗不同側(cè)鋼軌斷裂等帶來的鋼軌阻抗不同、扼流變壓器一次線圈或空心電感（SVA）不對(duì)稱、與鋼軌連接線長(zhǎng)度不相等;做好由于施工過程所造成的因兩側(cè)鋼軌對(duì)地不平衡，如兩側(cè)對(duì)地漏泄電導(dǎo)不同、接觸網(wǎng)桿塔地線或電纜護(hù)套等與一側(cè)鋼軌連接引起對(duì)地漏泄電流不同等工作。②加強(qiáng)對(duì)軌道電路設(shè)備的防干擾措施。扼流變壓器是電化區(qū)段導(dǎo)通牽引電流和傳遞軌道電路信息、匹配軌道電路送受電端的主要任務(wù)。選擇與最大牽引電流相匹配的高容量扼流變壓器能起到有效防護(hù)的作用，扼流變壓器容量的確定取決于鋼軌電流的大小，鋼軌牽引電流的大小則與供電方式、大地傳導(dǎo)、鋼軌阻抗等因素有關(guān)。采用非工頻軌道電路（如25HZ相敏軌道電路、移頻軌道電路等），與50HZ牽引電流相區(qū)分開，以防護(hù)牽引電流的干擾;軌道電路受電端軌道繼電器線圈并接防護(hù)盒，濾除50HZ不平衡電流的基波及諧波成分，并保證軌道電路信號(hào)電流衰耗很小;改善扼流變壓器的磁滯結(jié)構(gòu)，采用開氣隙扼流變壓器，使其鐵芯不易飽和，工作于線性特性區(qū)域，提高瞬態(tài)脈沖電流的沖擊能力。

2.工頻磁場(chǎng)和射頻干擾引起聯(lián)鎖控制臺(tái)顯示器圖像抖動(dòng)的抑制措施。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試記錄的最大磁場(chǎng)為138mGs，而CRT顯示器滿足磁場(chǎng)強(qiáng)度為1A/m（磁感應(yīng)強(qiáng)度為12.6mGs）的要求。①采用抗工頻磁場(chǎng)干擾性能強(qiáng)的CRT或液晶顯示器，其工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)等級(jí)應(yīng)達(dá)到三級(jí)以上，具有功能或性能暫時(shí)降低或喪失，但需操作者干預(yù)或系統(tǒng)復(fù)位以上防護(hù)能力。②去除干擾源。結(jié)合變電所的整改工程，取消電力加強(qiáng)線，或?qū)⒃摼€移到遠(yuǎn)離信號(hào)樓的地方。③信號(hào)樓采用屏蔽或顯示器加屏蔽罩，屏蔽效能應(yīng)能達(dá)到20～30dB。由于低頻磁場(chǎng)不易屏蔽，加之不能遮擋屏幕，所以在屏蔽材料、尺寸、開口方向、孔隙安排等方面做周密考慮。

3.無線集群電話干擾信號(hào)設(shè)備的抑制措施。在微電子設(shè)備附近，應(yīng)限制大功率無線通信設(shè)施或器材的使用，同時(shí)信號(hào)設(shè)備工作場(chǎng)所應(yīng)考慮射頻源的影響，設(shè)備本身應(yīng)采取屏蔽及濾波等措施。

通過分析電磁干擾對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的影響，對(duì)于不同的信號(hào)設(shè)備，應(yīng)從干擾能量和影響嚴(yán)重性的角度出發(fā)，重點(diǎn)關(guān)注的干擾種類也有所不同。如：對(duì)于軌道電路，我們最為關(guān)注第一類干擾，即傳導(dǎo)性干擾;對(duì)于信息傳輸電纜，我們最為關(guān)注第三、第四類干擾，即電容耦合的電場(chǎng)干擾和電感耦合的磁場(chǎng)干擾。因此，信號(hào)抗干擾技術(shù)研究應(yīng)當(dāng)建立正確的指導(dǎo)思想，重點(diǎn)考慮建立信號(hào)系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)理念，包括：①整個(gè)鐵路系統(tǒng)與外界的電磁關(guān)系。②信號(hào)系統(tǒng)與鐵路內(nèi)部其他系統(tǒng)的兼容。③在同一環(huán)境中的各個(gè)信號(hào)設(shè)備之間的兼容。④信號(hào)設(shè)備自身的EMC設(shè)計(jì)。同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)管理，對(duì)于信號(hào)設(shè)備，尤其是微電子設(shè)備的EMC設(shè)計(jì)，應(yīng)該實(shí)行過程化的電磁兼容管理，對(duì)設(shè)備進(jìn)行全生命周期（life cycle）設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)單地說，從設(shè)計(jì)、研發(fā)、測(cè)試、生產(chǎn)、質(zhì)量監(jiān)督、使用維護(hù)、監(jiān)測(cè)記錄等各個(gè)環(huán)節(jié)，均涵蓋電磁兼容的相關(guān)內(nèi)容及要求，直到設(shè)備生命周期結(jié)束。

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