溫州市域鐵路S1線計軸紅光帶問題分析及解決方案

鄭儆醒 潘林杰

（1.溫州市鐵路與軌道交通投資集團有限公司運營分公司 浙江省溫州市 325000）

（2.浙江眾合科技股份有限公司 浙江省杭州市 310013）

1 引言

隨著CBTC技術的發展，CBTC系統在城市軌道交通信號系統的應用越來越普遍。正常情況下，CBTC系統是不需要軌道電路作為區段軌道占用的檢測手段。但是為了提高系統的可用性，確保CBTC系統在出現故障系統降級的時候還能正常運行，現在很多城市的地鐵線路都會保留計軸設備來檢測軌道占用情況。

溫州市域鐵路S1線最高車速有達120公里/小時，而當時的無線Wi-Fi通信無法支持這么高的車速，所以溫州市域鐵路S1線不是全線都支持CBTC，在沒有移動通信的區段，必須使用計軸器作為列車占用軌道區域的檢測設備。

計軸器通過統計進入區段和離開區段的車軸數來判斷列車的占用及出清情況。當進入區段的車軸數與離開區段的車軸數一致，就認為區段處于清空狀態；當進入區段的車軸數大于離開區段的車軸數，就認為區段處于占用狀態。與以往的軌道電路相比，計軸設備具有很大優勢，它可以在不依賴軌道的條件下，就能檢測出長區間軌道的占有情況，同時還具有不受鋼軌生銹和道床潮濕等這些環境干擾的優點[1]。

電力牽引是我們國家現在軌道交通的主要的動力源，電力牽引的供電回路通常由變電所→接觸網→列車→鋼軌等組成[1]。電力牽引通常是高電壓大電流，牽引電壓高達25kV，牽引電流達數百安培甚至上千安, 這種大功率非線性的整流逆變過程往往會帶來非常豐富的諧波電流對軌旁的設備產生嚴重的干擾[1][2]。

2 計軸傳感器

根據不同的車輪檢測方式，可分為兩種計軸傳感器。一種是通過檢測車輪的輪幅，來計入或計出一軸，另一種是通過檢測車輪的邊緣來計入或計出一軸[3]。由于輪輻計軸傳感器的磁場路徑與牽引回流磁力線方向相同，所以輪輻計軸傳感器比較容易受牽引回流磁力線的干擾。而輪緣計軸傳感器磁場路徑與牽引回流磁力線方向相互垂直，所以輪緣計軸傳感器相對輪輻計軸傳感器更不容易受牽引回流的干擾[3]。本文討論的溫州市域鐵路S1線采用的是TAZ II S295型計軸設備，屬于輪緣計軸傳感器。

計軸傳感器的工作原理示意圖如圖1所示，由兩個完全彼此獨立的磁感應單元S1和磁感應單元SII構成，計軸傳感器里面包含檢波器、LC振蕩器、恒流源、施密特觸發器和配套的控制電路等部件。當行進列車的車輪靠近計軸傳感器單元時，傳感器的輸出電平會由低電平轉變為高電平，這個由低電平向高電平跳變形成的脈沖信號就是一個計軸脈沖信號。

圖1：計軸傳感器的工作原理示意圖

當列車的車輪依次先后經過兩個相互獨立的磁感應傳感器單元S1和SII時，這兩個計軸感知單元也會依次輸出兩個計軸脈沖信號，這兩個脈沖信號在中間相互重疊。兩個計軸脈沖信號必須同時滿足下面兩個條件才認為是有效的計軸信號：條件一是兩個計軸脈沖信號必須是有先后順序；條件二是兩個計軸脈沖信號在中間必須是有重疊區域。計軸脈沖信號只有符合上述兩個條件，計軸系統才會計入一個車軸，或者計出一個車軸，如圖 1所示[1][4]。計軸系統依據兩個脈沖信號的先后順序來判斷列車的行進方向[1]。

計軸傳感器的感知單元里面有一個LC振蕩器，是一個非常敏感的部件。通過查看計軸傳感器廠家的規格書得知，該計軸傳感器有兩個工作頻點，一個頻點是38kHz，另一個頻點是42kHz。如果計軸傳感器所在的周圍環境存在38kHz和42kHz頻點附近的干擾磁場，那么這個干擾磁場就會對計軸傳感器的LC 敏感部分產生影響，進而導致計軸錯誤，行成紅光帶現象。

圖2：牽引系統的原理圖

圖3：安全接地線電流諧波含量

3 牽引干擾諧波電流的產生

牽引供電系統主要由接觸網、受電弓、變壓器、整流器、逆變器、牽引電機和鋼軌組成，如圖2所示。列車由受電弓從接觸網受電，再由鐵軌回流，構成一個閉合的回路。鐵軌既是供電的回流通道，同時又是列車上所有用電設備的保護接地，列車上的干擾電流均是通過這個通道釋放到鐵軌上。

干擾諧波電流通常是由列車上這些大功率的電氣轉換設備和非線性大功率的用電設備產生。變壓器、整流器、變流器、牽引電機等電力電子設備是干擾諧波電流的主要來源。對于電力供電的地鐵列車，接觸網電弧和牽引動車是最主要的兩種干擾電流諧波源[6]。

牽引動車通過受電弓從接觸網受電，列車前后運動的時候，受電弓也會跟著前后和上下移動，接觸網和受電弓之間就會產生一定程度的碰撞。碰撞的瞬間受電弓和接觸網之間會出現短暫的分離，形成空氣間隙。當接觸網和受電弓之間電壓大于這個空氣間隙擊穿電壓時，就會產生空氣放電，稱為接觸網電弧[7]。這個高壓大功率的弓網系統形成的空氣放電，會產生非常豐富的電流諧波分量，這些電流諧波成分最后都會通過鐵軌回流，對軌道上的設備產生干擾[5]。

牽引動車采用的是交流到直流，再由直流逆變成交流的傳動過程。直流到交流的逆變過程使用的是PWM脈沖調制技術。PWM控制電路按照正弦波的規律對輸出脈沖的寬度進行調制來改變逆變電路輸出電壓幅度。逆變過程產生的諧波分量主要是以奇數次諧波為主，諧波的頻率由PWM開關頻率決定[5]。列車上非線性的牽引變壓器和牽引電機也是電流諧波分量的主要來源[5]。同時，列車在運行過程中不斷的加速和減速，對于這些不同工況，產生的電流諧波比例和大小也會跟著發生變化。電流諧波峰值有達30 dBμA[1]，諧波電流最終都會經過車輪回流到鐵軌，并對軌道上的設備產生干擾，如圖3所示。

4 計軸紅光帶的原因分析及解決方案

如上文所述，溫州S1線采用的是輪緣計軸傳感器，傳感器安裝于軌道上，其工作頻率分別是38kHz和42kHz兩個頻點。當牽引供電產生的諧波分量在38kHz和42kHz這兩個頻點附近，這些干擾的諧波電流導入鋼軌，在鋼軌的周圍產生磁場，就會對安裝于軌道上的計軸傳感器產生干擾。當這些諧波電流分量達到一定的幅值，產生的干擾會導致區間計軸錯誤，產生區間紅光帶現象。

通過對車上安全接地線電流頻譜的測試，發現接地線上有 38kHz和42kHz這兩個頻點附近的諧波電流流過，如圖4所示（藍色是最大值保持， 黃色是實時值）。

由于地鐵列車上安全接地線的電流諧波極其復雜，很難找到干擾源。為了抑制軌道上諧波電流對計軸傳感器的干擾，在計軸傳感器安裝點前100米左右的位置增加接地線，讓干擾諧波電流提前通過接地線釋放到大地，避免了對計軸傳感器的干擾。

通過對全線的計軸傳感器安裝點前增加接地線的措施后，紅光帶的現象有了顯著的改善。

5 小結

牽引供電回流包含非常豐富的諧波分量，諧波電流通過鋼軌回流，會對安裝于軌道上的計軸傳感器產生干擾，從而會導致計軸區間紅光帶問題。通過在計軸傳感器前面的鋼軌安裝接地線，提前將干擾諧波電流引入大地，可以抑制牽引供電回流對計軸傳感器的干擾。