市域快軌信號計軸設備受擾故障案例分析與對策研究

朱發林，吳沛軒，孫曉偉

近年來，軌道交通已成為我國新型城鎮化建設中，引導城市群空間形態布局的重要力量和促進城市群發展的基礎條件。隨著經濟社會的快速發展和技術水平的提升，創建以干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通“四網融合”為特征的綜合立體軌道交通網絡，已成為軌道交通領域發展趨勢。廣州地鐵18 號線是國內首條運行時速達160 km 的全地下市域快軌線路，在設備選型上與地鐵和國鐵均有一定區別。信號控制設備采用地鐵的基于通信的列車信號控制系統（CBTC）；車輛方面選用類似高鐵列車的市域D型動車組；牽引供電系統采用交流25 kV 替代傳統城市軌道交通直流1.5 kV 供電，以提高市域鐵路的供電效率和驅動力。隨著供電制式改變和電壓等級的提升，牽引電流會達到數百安培甚至上千安培［1］，如此大功率非線性整流逆變過程往往會帶來非常豐富的諧波電流［2］，而牽引回流產生的雜散電流及高速時弓網離線產生的燃弧會對計軸設備正常工作造成影響；同時，高速運行的列車對計軸傳感器的安裝穩固性也提出了更高的要求。因此解決市域快軌在交流25 kV 牽引制式下的電磁干擾問題和提升計軸傳感器安裝穩定性就成為亟待研究的課題。

鄭儆醒等［1］對溫州S1 線25 kV 牽引電流產生的干擾諧波電流進行分析，通過在計軸傳感器安裝點位置增加接地線，使干擾諧波電流提前通過接地線釋放到大地，避免對計軸傳感器的干擾；王一搏［3］、蔣晶等［4］、付麗等［5］對牽引傳動過程、牽引回流等外部環境的電磁兼容性進行技術分析，并從計軸尾纜布線方式、接地屏蔽處理方面給出解決思路。由于以上研究多從設備接地和外部屏蔽干擾方面給出解決方案，而對如何提升計軸設備自身可靠性研究較少，因此本文結合市域快軌計軸設備的特點，從外部環境、自身抗干擾能力、安裝方式等多方面提出提升計軸設備可靠性的優化方案。

1 ARTJZ-2A型計軸設備原理

廣州地鐵18 號線采用國產ARTJZ-2A 型計軸設備進行占用/出清檢測。ARTJZ-2A 型計軸設備由計軸傳感器、計數單元、通信單元、主機單元等模塊組成。室外計軸傳感器采用雙傳感器冗余布局，計軸區段中任意一個傳感器故障的情況下，區段仍可以采用四取三容錯計算方式，保證計軸區段可以正常工作，系統設計整體具有較高的可靠性和可用性。

計軸傳感器設計有2 個接收線圈［6］，通過2 個接收線圈探測輪對的輪緣以電流形式輸出2 個方波計數信號SIG1、SIG2，根據車輪經過傳感器2 路信號的時間差值即可判定列車的行駛方向。計數單元對來自計軸傳感器的計數信號進行計數和輪對行駛方向判定；通信單元負責接收室外計數單元發送的計數數據，并將數據上傳至計軸主機單元；計軸主機單元通過記錄計軸傳感器的輪對數，實現相應軌道區段占用和出清狀態的判定、計軸區段的復位、故障判斷等功能。計軸設備原理見圖1。

圖1 國產ARTJZ-2A型計軸設備原理

2 電磁干擾分析

廣州地鐵18 號線采用25 kV 交流牽引的供電制式，架空剛性接觸網供電。由牽引供電系統產生的電磁干擾源主要有2 個方面：一是牽引電流回流產生的雜散電流干擾；二是列車升弓運行時弓網離線燃弧干擾。這2 類干擾都可能造成計軸傳感器發生故障，在信號系統人機界面上顯示出計軸區段干擾［7］。

2.1 雜散電流電磁干擾分析

市域鐵路的牽引電流由牽引變電所出發，經由饋電線→接觸網→受電弓→電力機車→鋼軌或大地→回流線→牽引變電所，形成閉合回路。實際應用時鋼軌與大地間存在泄漏電導（雜散電流），使部分牽引電流先流入大地，再通過大地回流到牽引變電所。雜散電流在流經大地時會引起鋼軌電位的變化，且鋼軌電位越高，流向大地中雜散電流就越大，越容易對軌旁信號設備產生感性、阻性耦合干擾。

廣州地鐵18號線開通后，折返站岔區計軸傳感器頻發故障，經示波器監測傳感器輸出電流（圖2）可以看出，輸出電流的方波信號中存在較多的干擾毛刺雜波，說明計軸傳感器在工作過程中受到外界電磁干擾，產生了不規則圖形，無法識別有效的輪軸脈沖信號及車輪方向［7］。根據電磁干擾原理，當感應電流產生功率大于傳感器工作功率時，傳感器正常的工作信號會被淹沒，無法正常解析，造成計軸設備判斷軸數無效或導向安全側。進一步排查周邊環境，發現該位置在變電所向線路供電的注入處，且此處軌電位電壓高于其他區域，因此判斷該位置存在較大不均衡牽引回流，造成道床雜散電流功率過高［8］，從而擾動計軸傳感器正常工作。

圖2 示波器采集故障時輸出電流波形

2.2 弓網離線燃弧電磁干擾分析

列車高速運行時，電力機車通過受電弓以滑動接觸的方式從接觸網上獲取電能，受流過程中電力機車受電弓與接觸網始終進行連續的機械運動。受電弓因電力機車影響在豎直方向上振動，并在水平方向左右擺動，同時接觸網也不斷抖動，造成弓網間難以保持良好的接觸，特別是在列車過分相時更易發生弓網離線，而弓網離線的間隙會發生火花放電，引起電弧，導致強電磁脈沖噪聲發射。弓網離線產生的電磁噪聲為瞬變噪聲，其頻率高、覆蓋范圍廣，已成為市域鐵路中最為嚴重的干擾源之一。弓網離線產生的電磁干擾會在車體表面產生感應電流，進而引發二次輻射，干擾軌旁信號設備。

廣州地鐵18 號線列車高速行駛時同樣會出現明顯弓網離線燃弧現象。經過查閱相關剛性接觸網設計規范，架空剛性接觸網適用于時速不大于160 km 的交流25 kV 牽引制式線路，160 km/h 運行速度已經是剛性接觸網的工作極限，因此要解決弓網燃弧造成的計軸干擾問題，還需進一步研究如何提高自身計軸設備的抗干擾能力。

3 計軸傳感器安裝穩固性分析

計軸傳感器安裝在工字軌內側，采用支架安裝方式，固定螺絲均采用防震防松結構。計軸傳感器安裝完成后，其頂部不能進入軌面下部，距鋼軌側面距離應在0～3 mm，一旦超出該范圍，就會出現計軸輸出電流波形異常，嚴重時造成計軸設備無法正常工作，產生故障。

經統計，列車高速運行區域發生計軸設備故障占比較大，主要原因是高速列車振動，使計軸傳感器位置發生偏移，傳感器與鋼軌之間的距離不滿足“計軸傳感器距離鋼軌間隙0～3 mm”的技術標準。發生故障時，計軸傳感器和鋼軌趨于貼合狀態，輸出的空閑、占用電流參數產生變化，影響計數功能。

4 計軸設備可靠性研究

4.1 解決道床雜散電流問題

JZ2102計軸傳感器故障有2個特點：一是故障計軸點位置處于牽引供電回流注入變電所的前方，牽引回流電位相對較高；二是故障傳感器集中在圖3 所示的沒有連接牽引回流線的2 號計軸傳感器處，而安裝牽引回流線的1 號計軸傳感器運行較為穩定。由此分析得出，列車車輪靠近或經過2 號計軸傳感器時，2 號傳感器處的牽引回流可能存在回流不暢，計軸輪對脈沖信號出現大量的雜波干擾，兩軌之間的電位差越高，雜波信號越強。因此，提出在JZ2102 傳感器前方增加均流線的方法［9］，將傳感器前方的牽引回流分流到另外一側鋼軌流向等電位排，減少通過JZ2102 流入道床的雜散電流，從而達到減少計軸設備受擾的目的。

圖3 加裝均流線解決道床雜散電流

按照圖3所示位置安裝均流線后，JZ2102計軸傳感器受干擾問題得到徹底解決。此外還需排查均流線、回流線的安裝牢固性，如果存在虛接，同樣會造成道床雜散電流過高，影響計軸設備的正常工作。

4.2 優化計軸設備出清占用判斷邏輯

通過對計軸設備故障的漏軸數統計發現，計軸設備發生漏1軸的故障占比達到89%，如能解決該問題，將大幅度提升計軸設備的可靠性。

根據原設計的計軸區段出清、占用邏輯，進出區段的軸數必須完全一樣，信號系統才能判定該區段出清，一旦出現漏軸，必然會發生計軸設備故障。因此，如需減少偶發漏軸問題造成的設備故障，需提升計軸設備的容錯能力，允許偶發性的漏軸。依據《鐵路信號計軸設備通用技術條件》（TB/T 2296—2019）4.4 章節C 項內容：“利用其他特定安全條件，應區分正常行車和外界干擾，并應消除±1軸的外界干擾”［10］。對計軸設備出清、占用邏輯進行優化，修改計軸主機出清、占用判斷邏輯軟件，使計軸點在受到干擾（±1 軸）時，仍可按照列車駛離方向依次出清，不再發生計軸故障。該措施在全線實施后有效降低了計軸設備的故障率，提升了信號計軸設備可靠性。

4.3 提升計軸設備自身的抗干擾能力

計軸設備本身具有濾除一定干擾波形的能力。濾波參數設定原則是產生的雜亂波信號寬度大于1 ms時，會導致傳感器受干擾而無法正常計數。通過對監測的干擾波形數據統計發現，產生的干擾波形99%以上都在2.5 ms 以內，因此現有計軸設備無法有效濾除所有弓網離線燃弧產生的電磁干擾。計軸設備設計之初是依據列車速度不高于800 km/h而設定濾波間隙參數為1 ms，即對1 ms 以內的干擾可以有效濾除。

根據列車最高運行時速具體計算公式

式中：V1為原濾波參數下允許列車通過的最高車速；V2為新濾波參數下允許列車通過的最高車速；T1為原濾波參數時間間隙；T2為新濾波參數時間間隙。因此可以根據波形數據統計，將濾波間隙調整為2.5 ms［11］，可適應最高車速為320 km/h，同樣滿足市域快軌160 km/h 車速的運行要求，并可以將99%以上的干擾波形濾除。

對廣州地鐵18 號線全線計軸設備濾波參數進行調整，調整前后的干擾濾波波形見圖4。可見計軸設備只有接收到大于2.5 ms 以上的干擾波形，才會影響正常計數。該措施實施后有效解決了因弓網離線燃弧造成的計軸干擾問題，列車高速運行時的計軸傳感器受干擾故障明顯減少，提升了計軸設備的可靠性。

圖4 濾波參數優化前后濾波圖形

4.4 加強傳感器安裝穩固性

為提升計軸傳感器的安裝穩固性，對其安裝結構提出如下改進措施。

1）安裝螺絲涂抹螺紋緊固劑。列車高速經過傳感器上方容易造成螺絲松動，使傳感器與鋼軌間隙縮小。通過涂抹螺紋緊固劑再緊固安裝，可有效提升傳感器安裝緊固性。

2）切除部分計軸尾纜安裝時加裝的防護管。計軸尾纜安裝時一般套有硬度較高的防護管，列車產生的振動會造成防護管擠壓傳感器，導致傳感器位置產生變化。切除部分傳感器尾纜防護套管后，可極大地改善傳感器受擠狀態。

3）增加固定螺絲。固定傳感器的螺絲為單螺絲，存在單軸轉動造成傳感器與鋼軌之間間隙縮小的可能。在傳感器側面額外加裝一組螺絲，增加傳感器的安裝緊固性，進一步提高傳感器安裝可靠度。

4）固定螺絲使用防松螺母。通過增加放松螺母進一步提高傳感器的安裝穩固性。

5 結束語

因在設計階段對計軸設備能否有效適應市域快軌線路交流25 kV 牽引制式下高強度電磁環境，以及高速列車振動環境等認識不足，致使廣州地鐵18 號線開通之初，信號計軸設備受外界電磁干擾問題和計軸傳感器自身安裝緊固性問題影響，應用可靠性較低。通過采取在回流點加裝均流線，優化計軸設備出清、占用判斷邏輯，調整計軸設備的濾波參數，加強計軸傳感器安裝緊固性等具體改進措施后，計軸設備故障明顯減少，設備可靠性明顯提升。隨著我國軌道交通發展加速，市域快軌線路交流25 kV 牽引制式下，信號系統采用計軸設備作為列車區段占用/出清檢查手段的項目案例會越來越多，本文研究成果能夠為后續類似線路的設計提供有益的參考和借鑒。