城市軌道交通計軸設備受干擾分析及解決方案

路懷明

0 引言

城市軌道交通信號系統已經全面進入移動閉塞控制時代，軌道區段的空閑或占用檢查是信號系統的重要組成部分，直接關系行車安全和運輸效率。為保證信號系統正常運行，很多城市軌道交通信號系統采用計軸設備作為軌道區段空閑或占用的備用檢測系統。在列車供電模式為直流供電的情況下，鋼軌作為牽引供電回流的一部分，信號系統的計軸設備極少出現受供電系統干擾而誤動的情況。隨著市域快速軌道交通的發展，因線路長大，為降低變電所數量、減少設備，一些城市軌道交通系統采用交流供電模式，鋼軌依然作為牽引供電回流回路的一部分，但卻發生了牽引供電回流干擾計軸設備的問題。

某市域軌道交通項目采用交流27.5 kV 高壓供電，線路投入運行后即使在天氣良好（排除了雷擊因素）、軌道區段無車情況下也時常出現計軸系統受擾、顯示區段“占用”的情況。觀察發現，正線區段與車輛段區段出現非正常“占用”（計軸誤報）的情況有所不同，正線區段的計軸誤報常出現于接觸網停送電期間，而車輛段區段的計軸誤報常出現于列車在庫內升降弓，即取電/停止取電期間。

為了查找該問題的原因，在進一步分析計軸系統工作原理的前提下，在出現誤報情況的計軸室外設備（計軸點）相應位置安裝了示波器等設備進行持續監測。

1 計軸系統工作原理

計軸系統是通過比較同一軌道區段兩端駛入和駛出計軸點的列車軸數完成軌道區段占用與空閑狀態自動檢查的專用信號設備，可用于站（場）或區間等區域。計軸系統具備外接“復零”條件及與信號聯鎖系統、信號集中監測等設備的接口，由室內設備和室外設備組成，如圖1 所示。

圖1 計軸系統組成

計軸系統室外設備主要包括車輪傳感器和傳輸電纜，室內設備主要包括放大板、計軸板、輸出板、復零板和電源板等單元。其中車輪傳感器與放大板組成車軸檢測單元，計軸板與輸出板等組成計軸運算單元。車輪傳感器內有2 套單獨的傳感單元，相互獨立地執行同種任務。

車輪傳感器的內部電路由一個高頻有源振蕩器和相應附屬電路構成，當車輪駛入車輪傳感器作用區域時，車輪的鐵磁介質對車輪傳感器內部元件產生阻尼作用，致使車輪傳感器2 套傳感電路的工作狀態發生變化，輸出端電壓升高形成輪軸信號，2 路輪軸信號的相位關系表示車輪的運動方向，系統以此識別車輪運行方向。同時，車輪傳感器的2套傳感單元形成的輪軸信號通過計軸電纜輸出到室內的放大板，放大板將輪軸信號放大整形為輪軸脈沖，再傳送至計軸板，計軸板進行列車運行方向判別及軸數統計。計軸板的運算單元通過比較同一區段內計入和計出的軸數，確定區段占用或空閑狀態，為輸出板提供工作條件。輸出板根據計軸板和放大板提供的輸入條件，輸出區段占用或空閑信息。因計軸系統的車輪傳感器及傳輸電纜等電氣設備位于室外，故需采用防雷設備。該項目采用GDT 和TVS 兩級串聯結構的防雷系統，通常情況下，可防護1 kV 以上的短暫過電壓（鋼軌對地），同時對芯線之間的過電壓予以保護，如圖2 所示。

圖2 計軸系統室外防雷設備示意圖

圖2 中，GDT 是一種開關型過壓防雷保護器件，主要采用陶瓷氣體放電管，實現縱向防雷，常態時為開路，當電壓達到(68±20%) V 的觸發值時，啟動防護功能，瞬間對地短路進行泄流。TVS 提供電源芯線之間的穩壓作用，正常處于高電阻狀態（高阻態）。當電路出現過電壓（設定門限電壓為20 V）時，TVS 迅速由高阻態突變為低阻態，泄放由異常過電壓導致的瞬時過電流入地，并將異常過電壓鉗制在較低水平，從而保護后級電路。

2 計軸設備受擾原因分析

在正線及車輛段出現故障的計軸點相應位置安裝示波器，記錄計軸電纜通道芯線對地電壓變化情況，如圖3 所示。

圖3 計軸電纜芯線對地電壓錄波

根據在正線故障計軸點的錄波情況可知，大部分時間段無異常，但個別時間段出現了超過70 V的異常電壓值，持續時間約2 ms。該電壓值及持續時間均超過了車輪傳感器第一級防雷模塊GDT的啟動電壓(68±13.6%) V，該異常電壓值一出現，便引發GDT 瞬間短路泄流，造成計軸設備受擾、軌道“占用”誤報現象。

進一步分析發現，因項目采用交流27.5 kV 牽引供電制式，正線牽引回流通過“鋼軌+架空回流線”進行回流。示波器顯示的異常電壓值主要出現在接觸網停送電過程中，而計軸電纜芯線雖未與鋼軌、接觸網直接連通，但計軸電纜與軌道交通高架橋線路兩側弱電電纜槽內的貫通地線（用于系統接地）同槽敷設，貫通地線與每個橋墩“基礎地”就近相連，而橋墩的接地電阻遠高于信號系統接地電阻標準，在接觸網停送電過程中因為“感性”負載的問題，引起計軸系統“地”電位變化，造成計軸防雷保護誤動作，致使計軸設備出現了誤報。

根據在車輛段故障計軸點的錄波情況發現，示波器波形顯示出現了不同頻次的諧波，且諧波電壓值較高，同時伴有諧波電流。經分析，因在車輛段不設架空回流線，車輛段內主要通過鋼軌和大地進行回流，其牽引供電回路構成是：牽引變電所—接觸網—電力機車—鋼軌（大地）—牽引變電所，正常情況下，鋼軌中回流電流較正線鋼軌中回流電流大。此外，當庫內股道有列車受電弓升降時，供電回路的合開（開關）瞬態效應產生了諧波，回路電流中諧波分量增高，鋼軌中諧波電流也進一步加大，致使該股道計軸點位置鋼軌旁的計軸線纜中諧波電壓增高，同時產生的磁場變化對安裝在軌腰上的車輪傳感器（磁頭）也產生一定的影響，從而造成計軸設備誤動[1]。

需要說明的是，該項目車輛段車輪傳感器安裝于車庫前鋼軌均流電纜與車庫之間，致使車庫內某股道的列車供電產生的回流必須首先全部流經該股道的車輪傳感器區域，然后才通過均流電纜分散到其他股道鋼軌再流回變電所，勢必加大了上述因素對車輪傳感器的影響。車庫計軸點與均流電纜位置關系如圖4 所示。

圖4 車庫計軸點與均流電纜位置關系

3 解決方案

3.1 正線區段解決方案

根據上述分析，為解決上述原因對計軸設備的干擾，理論上將車輪傳感器防雷模塊第一級防雷，即GDT 氣體放電管的啟動門限電壓適當提高，使其“躲過”（高于）接觸網停送電期間引起的最大對地電壓變化，計軸設備即可避免受到干擾。經過多次反復試驗，證明提高GDT 的門限電壓值可行，而且為了最大限度地防止各種特殊情況下的干擾，最終將GDT 氣體放電管啟動門限提高至350 V，其他參數保持不變，有效解決了計軸設備受擾問題。

由于提高防雷觸發門限電壓可能造成信號系統回路中存在較高電壓，引發人員意外觸電風險，基于 GB/T 28026.1—2018（IEC 62128-1:2013,MOD）《軌道交通 地面裝置 電氣安全、接地和回流 第1 部分：電擊防護措施》中人體最大允許電壓與電流時限的關系，需分析可能出現的高電壓是否對人員人身安全產生威脅。

接觸網停送電期間對計軸電纜芯線引起的對地電壓持續時間僅為2 ms，遠小于GB/T 28026.1中最大允許電壓360 V 時人體可以耐受50 ms。而現場實際采集到的最大電壓峰值在70 V 左右，遠未超出GB/T 28026.1 中的安全電壓時限要求，因此提高GDT 啟動門限值允許回路中有較高的電壓存在，并不會危及人身安全。

3.2 車輛段區段解決方案

根據對車輛段區域的計軸設備受擾情況分析，只需減小流經計軸點車輪傳感器處的鋼軌回流，從而降低其周圍的感應電壓和交變磁場，即可避免計軸設備受到干擾。具體措施是在庫內各股道新增“均流電纜”，實現庫內各股道鋼軌的“再次并聯”，既改善了供電回流回路，庫內某股道列車產生的供電回流也能在庫內（未全部流經該股道的計軸點前）即通過均流電纜分散到各股道流回至變電所，降低了單一股道的供電回流量，從而避免了對車輪傳感器的干擾[2]。

4 結論

通過試驗分析，確定了正線區段和車輛段區段不同條件下的計軸設備干擾源，提出了解決方案并在運營中得以成功應用，解決了計軸設備受交流供電干擾的問題，大大降低了計軸誤判的概率，為城軌車輛的正常運行提供了重要保障。