地磁暴對25Hz相敏軌道電路的影響分析

錢學成， 劉明光， 李 陽， 張晨云， 王 昕， 宗 偉

（1.北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司 常州供電公司，江蘇 常州 213003；3.中國鐵道科學院 標準計量研究所，北京 100015；4.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206）

太陽劇烈活動，向外噴射的大量等離子體以300～1 000km／s的速度在星際中傳播到地球近空，形成地磁暴，導致地表面磁場和電位發(fā)生明顯變化。顯然，同一個地磁暴作用，不同地理位置產(chǎn)生的地表磁場和電位不同，從而引發(fā)地面感應電勢。

軌道電路是鐵路信號系統(tǒng)的重要組成部分。軌道電路是否工作在正常狀態(tài)，對鐵路行車秩序和安全起至關重要的作用。文獻［1］報道了美國1921年5月鐵路系統(tǒng)遭受地磁暴侵害事件，文獻［2］敘述了1982年7月強地磁暴期間瑞典軌道電路“閃紅”問題，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(qū)段的一些信號系統(tǒng)操作被觀測到許多異常［3］。這些國外報道對鐵路電氣系統(tǒng)或軌道電路信號的故障現(xiàn)象進行了分析，證明故障現(xiàn)象是地磁暴所為。

我國目前對地磁暴影響軌道電路的認知尚有限，相關報道和研究基本空白。但地磁暴對國內電力系統(tǒng)長距離輸電線路、輸油管道的影響早已進行實測和探討。因為鋼軌距離很長，并同樣作為一段長導體暴露在野外，類比于輸電線路和石油管道等長導體，推斷出地磁暴也可能對軌道電路造成影響，所以有必要預先對此影響展開研究。

我國高鐵以客運專線為代表，25Hz相敏軌道電路仍是客專的基礎設備之一。高鐵通信與控制系統(tǒng)大量運用微電子和計算機，其靈敏度很高，地磁暴的發(fā)生容易影響軌道電路及信號設備工作［4］。因此地磁暴對軌道電路的干擾是值得高度重視的新問題。

1 GIC對25Hz相敏軌道電路的影響機理分析

1.1 軌道電路的作用及組成

軌道電路是鋼軌線路和連接于其始端及終端的設備總稱，用來檢測鋼軌上有無列車占用，起著發(fā)送、傳遞、接收信號和顯示軌道狀態(tài)是否空閑的作用，是反映行車狀態(tài)和保證鐵路安全運營必不可少的設備。25 Hz相敏軌道電路由送電端、受電端、以鋼軌為主體的信號通道3部分組成，涉及的主要設備有：扼流變壓器BE、軌道變壓器BG、二元二位軌道繼電器JRJC、鋼軌等效阻抗，不同區(qū)段的軌道電路用絕緣節(jié)隔離，見圖1。

1.2 GIC影響25Hz相敏軌道電路的機理

圖1 25Hz相敏軌道電路組成圖

地磁暴在地面感應出ESP（Earth Surface Potentials），ESP、鋼軌和大地3者構成的回路中產(chǎn)生地磁感應電流GIC（Geomagnetically Induced Current）。由于鋼軌上有絕緣節(jié)，扼流變壓器安裝在鋼軌絕緣節(jié)兩側，兩個相鄰絕緣節(jié)之間的GIC流通路徑為鋼軌、扼流變壓器及大地，見圖2，從而GIC侵入了扼流變壓器。GIC的頻率為0.001～0.1Hz，可以看成準直流［5］。GIC在兩根鋼軌上朝同一方向傳輸，如果鋼軌完全對稱，兩根鋼軌中流通的GIC大小相等，GIC在扼流變壓器中的影響由于對稱而抵消，不會造成扼流變壓器直流偏磁。但實際工程中兩條鋼軌的阻抗可能不一致，如彎道處的內外鋼軌長度不同，鋼軌所處的地質條件不同、潮濕程度不同造成道床泄露電阻不同，另外扼流變壓器兩個8匝的線圈制造工藝不對稱等等，都會造成兩根鋼軌中的GIC大小不相等，即存在不對稱GIC，導致扼流變壓器直流偏磁，引起扼流變壓器的鐵芯飽和。

圖2 GIC的產(chǎn)生和鋼軌上的流通路徑

鋼軌除了引導和承載車輛之外，在軌道電路中是信號電流的通道，不受GIC影響，鋼軌截面（阻抗小），所以在相同距離ESP作用下產(chǎn)生的GIC很大，如此大的電流流過軌道電路產(chǎn)生嚴重影響。軌道電路中扼流變壓器和軌道變壓器受到GIC的影響容易引發(fā)直流偏磁；文獻［4］的結論表明：二元二位軌道繼電器抗電磁干擾能力較弱，也易受GIC影響。所以本文著重分析GIC對25Hz相敏軌道電路扼流（軌道）變壓器和軌道繼電器的影響。

1.3 GIC對軌道電路的變壓器特性影響分析

（1）GIC引發(fā)變壓器直流偏磁的機理

變壓器是電磁器件，鐵芯具有飽和特性，在正常運行時工作在線性區(qū)，運行點位于鐵芯磁化曲線的OA段，工作特性曲線見圖3（b）。變壓器額定運行時主磁通工作在A點，充分利用了鐵磁材料。若準直流GIC流入變壓器繞組，將產(chǎn)生直流磁通φ0，φ0和主磁通φ疊加，使磁通曲線向上平移，如圖3（a）中曲線1所示，造成半個周波的磁通幅值大大增加，另外半個周波的磁通幅值則減小，結果變壓器磁化曲線運行于非線性段，導致變壓器勵磁電流波形畸變，見圖3（c）中曲線2。

圖3 扼流變壓器直流偏磁示意圖

（2）GIC對扼流變壓器的影響

扼流變壓器的牽引繞組并接在鋼軌絕緣節(jié)的兩側，兩個扼流變壓器牽引繞組的中點由連接線相連，為牽引電流提供通路。GIC和牽引電流的流通路徑一致，不同的是GIC為準直流，而牽引電流的頻率為50 Hz，兩種電流互不影響，在鋼軌中朝同一方向傳輸。兩根鋼軌上GIC不對稱時，牽引線圈上將產(chǎn)生兩電流差值，形成干擾電壓，并將干擾電壓耦合到信號線圈上，再加上扼流變壓器鐵芯無空隙或空隙小的原因［6］，GIC不對稱度越大，干擾電壓越大，越容易造成扼流變壓器直流偏磁和鐵芯飽和，對軌道電路設備構成干擾。

（3）GIC對軌道變壓器的影響

軌道電路中的軌道變壓器（BG）連接扼流變壓器的次級線圈。地磁暴引發(fā)的GIC會產(chǎn)生直流磁通，引起扼流變壓器總磁通的變化，進而在軌道變壓器產(chǎn)生感應電壓，也引起軌道變壓器的直流偏磁，引起軌道變壓器的鐵芯飽和，造成軌道變壓器無法正常工作。

直流偏磁引起扼流變壓器和軌道變壓器半個周波內鐵芯過飽和，導致磁滯伸縮加劇，噪聲增加，變壓器鐵芯過熱，變壓器溫升增大［7］，對軌道電路的安全運行極為不利。

2 GIC對軌道電路受電端效應計算

25Hz相敏軌道電路模型見圖4，圖中的虛線方框可用總的四端網(wǎng)等效，見圖5［8］。

圖4 25Hz相敏軌道電路原理等效圖

UB為送電端供電電壓；RS為限制電阻；ZS為送端扼流變壓器的勵磁阻抗；γ為軌道電路四端網(wǎng)傳輸常數(shù)；l為軌道電路長度；ZZ為受端扼流變壓器的勵磁阻抗；ZP為軌道變壓器的勵磁阻抗；HF為防護盒；θ為UB比UG導前的角度，即失調角；GJ為軌道繼電器；UG為軌道線圈電壓；UJ為局部線圈電壓；BE25為扼流變壓器；BG25為軌道變壓器，有

即UG正比于Uab。Uab與ZZ變化的關系可用戴維寧定理等效電路分析，等效圖見圖6，其中E為等效電路的電源，其值為ZZ未接入時的Uab值；Zi為等效電路的電源內阻，是原理圖4中ZZ未接入時的Zab，其值為由a、b兩點間從該電路左方視入的阻抗與從其右方視入的阻抗的并聯(lián)值。

Uab＝·ZZ＝f（ZZ），討論ZZ變化對Uab的影響時

可知Uab是ZZ的增函數(shù)，說明Uab隨ZZ的減少而減少，即UG隨ZZ減少而減少。

2.1 扼流變壓器等效電路

BE2－600／25型扼流變壓器的牽引線圈由兩個8匝扁鋼線繞制而成，信號線圈由48匝的包圓銅線繞成，其電氣接線圖見圖7。其磁通勢方程為

式中：IA、IB分別為流過牽引繞組上、下半繞組的電流；i2為流過信號繞組的信號電流；N1為牽引繞組的半匝數(shù)；N2為信號繞組的匝數(shù)；H 為磁場強度；l為磁路長度。

受電端扼流變壓器鐵芯的勵磁特性可用非線性勵磁阻抗反映，將信號繞組（二次側）折算到牽引繞組（一次側）的等效電路如圖8所示［9］。

圖7、圖8中，Z1為牽引繞組阻抗，ZZ為非線性勵磁阻抗，I0為勵磁電流，I1為牽引繞組電流，分別為折算到一次側的二次繞組阻抗及負載。為折算到一次側的信號繞組電流。可列出關系式為

直流電流幾乎全部流入了等效勵磁電感中，鐵芯等效勵磁電感值減小，由分流公式得負載兩端電壓為

軌道電路在調整狀態(tài)下，GIC侵入扼流變壓器后將引起扼流變壓器鐵芯飽和，變壓器的勵磁電感隨著鐵芯飽和程度加深而變小［10］。分析式（7），可知U′L只是關于變量ZZ函數(shù)，且該函數(shù)單調遞增，當ZZ0時，U′L0，與式（2）結論一致，即如果直流偏磁嚴重，非線性等效勵磁阻抗急劇減小，扼流變壓器的負載端（二次側輸出）電壓也會減小，從而導致軌道線圈上的端電壓降低，當?shù)陀谲壍览^電器觸頭的返回電壓時，觸頭落下，信號燈“閃紅”，發(fā)出錯誤信號指示。

在本算例中有關扼流變壓器的參數(shù)取自文獻［11］：容量1 000A，原副邊線圈電阻R1＝R2＝0.2Ω，互感M＝11.09mH，變比為1∶3，扼流變壓器二次側負載RL＝6Ω，＝2.3Ω，由于線圈電感很小，所以忽略。將扼流變壓器參數(shù)代入式（7）得

當從2.3Ω 下降到0.3Ω從0.71U 下降到0.45U，BG－130／25型軌道變壓器的變比為1∶14，又由于防護盒和防雷補償器并聯(lián)在受電端軌道變壓器次級線圈，不會對軌道線圈電壓有影響，防護盒由電感和電容串聯(lián)而成，GIC為準直流，電容可看成斷路。由此計算得繼電器軌道線圈上的電壓下降36.7%。根據(jù)25Hz相敏軌道電路的主要技術指標：調整狀態(tài)時，軌道繼電器（WXJ－25型）上的軌道線圈有效電壓應不小于15V，當軌道線圈電壓有效值為10V時，觸點落下，即電壓下降33.3%，低于36.7%。所以扼流變壓器鐵芯深度飽和將造成軌道繼電器觸點失壓落下。文獻［12］對WXJ－25型軌道繼電器采用純數(shù)學理論計算也證明：如果軌道電路中存在GIC，就能導致其錯誤動作。

2.2 GIC大小仿真

地磁暴發(fā)生時ESP不斷變化的，在計算GIC時采用ESP峰值作為電壓源。由于在每兩個關聯(lián)的軌道電路之間感應出的ESP不同，某段軌道電路所處區(qū)域有限，地面電場強度E將是均勻的。將ESP加在某兩接地點之間的鋼軌上。鋼軌對地的接觸電阻其主要部分是由鋼軌、道碴和路基的電流漏泄電阻組成的。GIC為準直流，所以略去線路中的電容和電感，軌道電路中的濾波環(huán)節(jié)對直流幾乎沒影響，因此本文為了簡化計算，也忽略了濾波環(huán)節(jié)。實際軌道電路等效后為一個包含電阻和電壓源的電路，以四節(jié)點網(wǎng)絡為例，其GIC等效模型見圖9。

圖9 軌道電路GIC等效模型（四節(jié)點）

圖9中U1～U3分別為作用在不同區(qū)段單位長度鋼軌上地面感應電場的等效電壓源；R1～R3分別為不同區(qū)段鋼軌的單位電阻；R01～R04分別為不同區(qū)段鋼軌對地的接觸電阻。

由文獻［13］知電壓源的計算式為

對各個支路上GIC大小可以采用回路電流法對以上模型列寫矩陣方程

式中：I1～I3分別代表流經(jīng)各個軌道電路上的GIC，求解以上方程組，便可得到每條軌道電路上的GIC電流值，進而算出流入扼流變壓器的不對稱GIC。

在圖10為GIC在牽引供電網(wǎng)中的流通路徑等效電路圖。運行中列車的位置距離牽引供電所為S，參照文獻［14］規(guī)定，取鋼軌對地泄露電阻R0＝1Ω，鋼軌單位長度的電阻為r0＝0.2Ω／km。

圖10 GIC在供電網(wǎng)中的流通路徑等效電路

文獻［13］指出發(fā)生強磁暴時我國感應地電場最大值可達1V／km，因此，本文中取ESP的值為1V，設列車從牽引變電所出發(fā)，結合式（10）計算出鋼軌中的GIC電流與列車到牽引供電所的距離S的關系見圖11。

圖11 鋼軌中GIC與機車到供電所的距離S的關系(鋼軌對地泄露電阻為1Ω)

地磁暴發(fā)生時，仿真得鋼軌上GIC的最大值是7.9A，假設鋼軌上電流的不對稱度為5%，則產(chǎn)生的不對稱GIC是0.4A，而在高緯度地區(qū)，文獻［13］中提到強磁暴時每公里感應電壓會達到6V，此時的不對稱 GIC是0.4的6倍，即2.4A，通過查閱文獻［14］知軌道電路中扼流變壓器的額定電流約為600～1 000 A，由于工作在正常狀態(tài)時，變壓器勵磁電流僅為其額定電流的1%～5%，所以不對稱GIC對軌道電路中兩種變壓器的影響不能忽略。

3 扼流變壓器和軌道繼電器電磁系統(tǒng)特性仿真

圖12 地磁感應電流為0時的扼流變壓器和軌道繼電器的磁通密度分布

圖13 軌道線圈電壓波形

在鋼軌上沒有GIC的調整狀態(tài)時，根據(jù)前文算例和文獻［16］選擇扼流變壓器和軌道繼電器的仿真參數(shù)，忽略諧波等影響，利用Maxwell電磁軟件仿真，得出了扼流變壓器和軌道繼電器的磁通密度分布見圖12，軌道線圈上的電壓波形見圖13（a），可以看出軌道線圈電壓最大值為22.5V，有效值為15.9V，此時軌道繼電器處于吸起狀態(tài)。二元二位軌道繼電器的工作電流為0.039A［8］，當在受電端扼流變壓器初級線圈通入0.4A的直流GIC時，見圖13（b），仿真得出軌道線圈電壓最大值為17.9V，有效值為12.66V，此時軌道繼電器依然處于吸起狀態(tài)。當在受電端扼流變壓器初級線圈通入2.4A的GIC時，見圖13（c），仿真得出軌道線圈電壓最大值為10.63V，有效值為7.51V，此時軌道繼電器便落下并誤動作。扼流變壓器和軌道繼電器的磁通密度分布見圖14，由于正常運行時硅鋼片的磁通密度在1.5T左右，從圖可見2.4A的GIC使扼流變壓器嚴重直流偏磁。

圖14 地磁感應電流為2.4A時的扼流變壓器和軌道繼電器的磁通密度分布

4 結論

（1）地磁暴會在地面感應出地面感應電勢ESP。ESP、鋼軌和大地3者構成回路，在回路中就產(chǎn)生地磁感應電流，GIC將侵入25Hz相敏軌道電路中。

（2）地磁暴產(chǎn)生GIC將會對軌道繼電器造成“閃紅”誤動作。由式（7）和式（8）可知非線性等效勵磁電感的減小會使扼流變壓器輸出電壓降低，導致軌道線圈電壓也會降低，當非線性勵磁電感從2.3Ω下降到0.3Ω時，軌道線圈電壓下降36.7%，會造成軌道繼電器觸點失壓落下，引起信號燈異常運行。

（3）地磁暴產(chǎn)生的GIC會對25Hz相敏軌道電路中扼流變壓器和軌道變壓器造成直流偏磁的影響，利用Maxwell軟件仿真得出：侵入受電端扼流變壓器初級線圈的不對稱GIC達到2.4A就會使扼流變壓器嚴重直流偏磁，并導致軌道繼電器誤動作。所以要求在現(xiàn)場施工過程中，盡量保證鋪設的兩鋼軌阻抗參數(shù)一致，減小鋼軌不對稱度，保證扼流變壓器的牽引線圈制造工藝對稱，避免兩根鋼軌中流過的GIC不對稱。

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