（电气工程专业论文）牵引供电系统对铁路信号系统的电磁干扰分析.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着计算机技术、微电子技术、网络技术及通信技术等先进技术不断在铁路信号 系统中的应用，铁路信号设备大量采用电子元器件，以站内计算机联锁系统和 z p w - 2 0 0 0 a 区间闭塞系统为代表的现代铁路信号系统在现场逐渐普及。从抗干扰的角 度，上述系统更易受到来自于牵引供电系统的干扰。因此，铁路信号系统的抗干扰研 究越来越引起重视。 本文从铁路信号系统与电力牵引供电系统结构入手，阐述了牵引供电系统产生干 扰信号的机理，对造成干扰信号的主要原因( 不平衡牵引电流) 进行了深入分析；同 时针对信号系统的构成，研究了干扰信号侵入铁路信号系统的方式与途径，通过对信 号系统现场发生的故障实例，对现场发生频率较高的信号电线路受感性和容性耦合、 不平衡牵引电流的产生、谐波和电火花脉冲等干扰因素进行了分析与计算。对因机车 斩波器斩波产生的流入接触网相应干扰性谐波分量进行了分析，得到了牵引电流各次 谐波典型的分布规律。通过分析归纳，提出了设计无绝缘轨道电路正确选择载频和频 偏以提高自身抗干扰能力的控制原则。 本论文结合现场工作实际，提出了在设计计算、器材设备选型、电磁兼容性设计 等三方面，提高信号系统设备抗干扰性能的技术方案。同时，从工程施工、现场运营 维护、标准规范制定等角度提出了防止或减轻牵引供电系统干扰的参考建议。 关键词：牵引供电系统：铁路信号系统；电磁干扰；电磁兼容；抗干扰措施 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ec o n t i n u o u sa p p l i c a t i o no fa d v a n c e dt e c h n o l o g yi nt h er a i l w a ys i g n a l s y s t e mi n c l u d i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h em i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h en e t w o r k i n ga n d t h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ；t h er a i l w a ys i g n a le q u i p m e n ta d o p mm a s s i v e l yt h ee l e c t r o n d e v i c ea n dt h ec o m p u t e ri n t e r c o r m e c t i o ns y s t e ma n dz p w - 2 0 0 0 as e c t o rb l o c ks y s t e m 笛 r e p r e s e n t a t i v em o d e r nr a i l w a ys i g n a ls y s t e ma r eu n i v e r s a l i z e dg r a d u a l l ya tt h es i t e t a k i n g t h ea n t i j a m m i n gi n t oa c c o u n t , t h ea b o v es y s t e m sa r em o r ee a s i l yd i s t u r b e db yt h et r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e m t h e r e f o r e ，t h er a i l w a ys i g n a ls y s t e ma n t i j a m m i n gr e s e a r c hh a v eg o t m o r ea n dm o r ea t t e n f i o n i t h i sa r t i c l ee x p o u n d st h ef o r m i n gp r i n c i p l eo fi n t e r f e r e n c es i g n a l sc a u s e db yt r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e m , a n a l y s e st h ec 1 1 a s eo fu n w a n t e ds i g n a l s t h ee l e c t r i cb yi n t r o d u c i n gt h e r a i l w a ys i g n a ls y s t e ms t r u c t u r ea n dt h e e l e c t r i ct r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e ms t r u c t u r e , s t u d i e st h ee n t r ym o d ea n di n r o a dw a yo fs i g n a l sb yr e s e a r c h i n gt h es i g n a ls y s t e ms t r u c t u r e a n da tt h es a i n et i m ec a l c u l a t e si n d u c t i v ec o u p l i n g , c a p a d t i v ec o u p l i n g , u n b a l h n c e dt r a c t i o n c u r r e n t , h a r m o n i ci n t e r f e r e n c ea n de l e c t r i cs p a r kp u l s ei nh i i g ha c c i d e n tf m q u e n c ys i g n a ll i n e s a c c o r d i n gt oa c t u a la c c i d e n t sa ts i t e s e c o n d l yh a r m o n i cc o m p o n e n ti n o v e r h e a dc a t e n a r y b r o u g h tb yc h o p p i n ga n dr e p r e s e n t a t i v eh a r m o n i c d i s t r i b u t i o nr u l ea r ea n a l y s e da n d g e n e r a l i z e d b yt h eg e n e r a l i s a t i o n , c h o o s i n gc o r r c tc a r d e rf r e q u e n c ya n df r e q u e n c yd e p a r t u r e s h o u l db ec o n s i d e r e dt ob et h ek e yp r i n c i p l ed u r i n gt h en o n i n s u l a t e dt r a c kc i r c u i td e s i g nt o r a i s et h ea n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y o nt h eb a s i so fs y s t e m a t i ca n a l y s i sa n df i e l dw o r k , t h r e ea s p e c t si n c l u d i n gd e s i g n c a l c u l a t i o n , e q u i p m e n tl e c t o t y p ea n de l e c t r o m a g n e t i s mc o m p a t i b i l i t yd e s i g n a r eb r o u g t f o r w a r dt oe n h a n c et h es i g n a ls y s t e ma n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y a tt h es a m et i m e , p r o j e c t c o n s t r u c t i o n m e a s u r e , o p e r a t i o nm a i n t e n a n c e a tt h es i t ea n ds t a n d a r d s p e c i f i c a t i o n e s t a b l i s h m e n ta r ep r o p o s e dt ob ec o n s i d e r e di nt h es o l u t i o nt od i s t u r b a n c ef r o mt r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e m k e yw o r d s ：t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ；r a i l w a ys i g n a ls y s t e m ；e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ；e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ；a n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e s 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后使用本授权书； 2 、不保密适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“” 学位论作煮擎k 劾辛耖l 嗍扣7 年6 月诺。i 指导教师签名：口屈纭侈 日期：2 - 0 09 年6 月2 j 日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究所得成果， 除文中已注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 研究成果。对本论文的研究所作出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本论文针对铁路信号系统受到牵引供电系统的各种干扰问题，进行了系统分析， 并提出了相应的解决方案。本学位论文主要创新点如下： l 、对铁路信号系统站内计算机联锁系统以及z p w - 2 0 0 0 a 区间自动闭塞系统的电 磁干扰做了系统分析。 2 、通过对干扰信号的系统分析，提出了在设计计算、器材设备选型、电磁兼容 性设计等三方面，提高信号系统设备抗干扰性能的技术方案和措施。 3 、从工程施工措施、现场运营维护、加强标准规范制定等角度提出了防止或减 轻牵引供电系统干扰的解决方案。 学位 日期 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 国内外铁路信号系统的发展与现状 1 1 1 我国铁路信号系统的发展历史 铁路信号系统是人们在实践中逐步发明和完善的。早期的铁路开始行车时，是由 铁路职工骑马在前面引导列车运行。后来，人们开始研究固定的信号设备，最早使用 的固定信号是臂板式信号机。可以说，早期的铁路信号只是起到了简单的指挥行车的 作用，“联锁”和“闭塞”、的概念并不是很清晰和严谨。所谓的联锁设备主要指的是 车站内的列车控制和指挥等信号设备。联锁( i n t e r l o c k i n g ) 是指在铁路车站上，为了 保证机车车辆和列车在进路上的安全，有效利用站内线路，高效率地指挥行车和调车， 改善行车人员的劳动条件，利用机械、电气自动控制和远程控制、计算机等技术和设 备，使车站范围内的信号机、进路和进路上的道岔相互具有制约关系，这种关系称为 联锁。为完成联锁关系而安装的技术设备称为联锁设备。所谓的“闭塞”设备是指为了 保证车站之间行车安全的信号设备。“闭塞”是指是指列车进入区间后，使之与外界隔 离起来，区间两端车站都不再向这一区间发车，以防止列车相撞和追尾。是铁路信号 的专用名词。闭塞设备即为实现“一个区间( 闭塞分区) 内，同一时间只允许- - y u 车 占用”而设置的铁路区间信号设备。铁路应用的区间闭塞类型有人工闭塞、半自动闭 塞和自动闭塞三类。 我国的铁路信号联锁系统由早期的臂板式信号，陆续经历了电锁器联锁、继电联 锁、计算机联锁等各个阶段，2 0 世纪9 0 年代以前，6 5 0 2 电气集中继电联锁模式是铁 路信号系统的主要联锁模式。目前，主流联锁模式是计算机联锁模式，新建、改建铁 路和一些客运专线都采用这种联锁模式。 我国铁路闭塞早期实行单路签行车方式( 人工闭塞) ，后来逐步采用半自动、自 动闭塞。新中国成立后，铁路区间闭塞设备发展迅速，即人工闭塞迅速向半自动闭塞 和自动闭塞发展，到现在广泛采用区间移频自动闭塞。我国在自动闭塞技术改造的进 程中，相继自行研制了8 信息、1 8 信息移频自动闭塞，并在现场得到了广泛应用。 目前，z p w - 2 0 0 0 a 无绝缘轨道移频自动闭塞是我国大力推广并迅速普及的区间自动 闭塞系统。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第2 页 1 1 2 国内外铁路信号系统的发展趋势 近2 0 多年来，各国铁路为实现提速、高速和重载运输，积极引进和采用新技术， 大幅度提高了现代化信号设备的装备水平，新型技术系统不断涌现。主要的发展趋势 如下： 故障一安全技术的发展和应用。随着计算机技术、微电子技术和新材料技术的发 展，故障一安全技术得到了飞速发展。高可靠性、高安全性的故障一安全核心设备出 现了“二取二”、“二乘二取二”和“三取二”等不同结构形式，其同步方式有软同步和硬同 步两种方式。西门子公司、阿尔斯通公司、日本京山公司、日本日信公司等推出了不 同类型的采用硬件同步方式的安全型计算机。目前，我国的北方交大微机联锁公司、 通号研究设计院、卡斯柯公司研制的计算机联锁系统也分别采用了“二乘二取二”和“三 取二”等结构形式。 通信技术与控制技术相结合的列控一体化趋势。随着计算机技术、通信技术和控 制技术的飞跃发展，综合利用3 c ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 、c o n t r 0 1 ) 技术代替 轨道电路技术，构成新型列车控制系统己成必然。用3 c 技术代替轨道电路的核心是 通信技术的应用，目前计算机和控制技术已经渗透到列控系统中，称为“基于通信的 列车运行控制系统”( c b t c ，c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r 0 1 ) 。 铁路信号系统网络化趋势。铁路信号系统网络化是铁路运输综合调度指挥的基 础。在网络化的基础上实现信息化，从而实现集中、智能管理。现代铁路信号系统已 不是各种信号设备的简单组合，而是功能完善、层次分明的控制系统。系统内部各功 能单元之间独立工作，同时又互相联系，交换信息，构成复杂的网络化结构，使指挥 者能够全面了解辖区内的各种情况，灵活配置系统资源，保证铁路系统的安全、高效 运行。 通信信号一体化趋势。随着我国铁路交通建设的快速发展，当今铁路信号系统技 术己融通信、信号、计算机等先进技术于一体，并向数字化、智能化、综合自动化方 向发展，其发展水平已成为我国铁路现代化建设的重要标志之一。 1 2 铁路信号系统抗干扰研究的意义 铁路信号系统是铁路现代信息技术的重要领域，列车运行控制与行车调度指挥自 动化是铁路信号发展的关键性技术，代表着铁路行车信息与控制技术的发展趋势。铁 路信号系统牵涉到列车的安全和有效运行，是现代化铁路中的关键组成部分，也是衡 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 量铁路现代化水平的综合自动化系统。 铁路机车电力牵引方式具有牵引力大、效率高、运载能力强、运行可靠、环境污 染小等很多优势，尤其近年来，世界能源局势日益复杂，传统的石油资源日益减少， 各国对石油资源激烈的争夺也客观上造成了原油价格的不断上涨：而随着世界各国及 环保组织对环境污染问题的日益重视，内燃机车牵引模式在环境保护方面的缺点也更 加突出。另外由于核电技术的发展和大型水电站的不断增加，我国的电力资源成本不 断下降，铁路机车电力牵引与内燃机牵引相比更加显示出了无可比拟的环境和成本优 势，可以说铁路机车电力牵引是目前世界上最理想的牵引方式，所以提高电气化铁路 在路网中的比例，已经是势在必行，实际上我国的铁路也正是沿着这个方向在发展。 但是，铁路机车电力牵引供电系统尤其是接触网对于铁路信号系统来说，却是一个非 常强的干扰源，如果不采取有效的抗干扰措施，将会对信号系统产生极大的影响，根 据现场反馈统计，牵引供电系统产生的电气化干扰轻者对铁路信号系统的正常运行产 生影响，烧毁信号设备，影响运输效率，重者产生错误信号输出，威胁运输安全。 随着我国现代铁路信号技术的发展，铁路信号设备大量采用电子元器件，以计算 机联锁系统( 站内联锁) 和z p w - 2 0 0 0 a 系统( 区间无绝缘移频自动闭塞) 为代表的现 代铁路信号系统在现场逐渐普及。但是从抗干扰的角度，如何提高更易受到干扰的站 内计算机联锁系统以及z p w - 2 0 0 0 a 系统区间自动闭塞系统的抗干扰性，避免联锁计算 机产生错误的输出，发出错误的行车信号，影响行车安全，是一个很重要的问题。目 前我国客运专线、高速、准高速铁路陆续开通运营，铁路线路标准和运行速度的提高， 对与之配套的铁路信号系统的设计、施工也同时提出了越来越高的要求，而牵引供电 系统对铁路信号系统的干扰，已经直接影响到铁路运输的安全与效率，铁路信号系统 必须采取措施，降低或避免干扰信号的影响。对电气化铁路牵引供电系统干扰问题的 研究是铁路信号系统在设计、施工中必须考虑的重要问题之一。 综上所述，铁路信号系统设备必须具备抗电气化干扰的能力。所以，信号系统的 抗电化干扰研究，具有确保铁路运输效率和秩序的现实意义。 1 3 本论文的研究内容 本论文主要通过对铁路信号系统和牵引供电系统的介绍，分析牵引供电系统干扰 信号的产生原因及干扰信号侵入信号系统的途径，并通过对干扰信号的分析计算，找 到降低或抑制干扰信号的解决办法，并从现场设计及具体施工安装和使用维护的角 度，提出相应的工程和技术措施，减少和避免牵引供电系统干扰对信号设备产生的危 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 害，以确保铁路信号系统设备的正常运行，并为设备的现场维护及相关规范标准的制 定提供一点参考。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 第2 章铁路信号系统的构成 铁路信号系统是铁路车站联锁系统、区间闭塞系统、驼峰信号系统、列车运行控 制系统( c t c s ) 、行车调度控制系统( c t c ) 、微机监测系统等系统的总称，是铁路 运输指挥、保证行车安全、提高运输能力的重要技术装备，它犹如人的耳目和中枢神 经，担负着路网上行车设备的运用状况、列车运行的实时状态、运输调度的指令控制 等信息的传递与监控任务。 2 1 铁路信号基础设备 铁路信号的基础设备主要包括信号机、轨道电路、道岔转辙装置、控制设备、电 源设备和电线路等。 信号机主要包括地面固定信号、机车信号及各类信号标志。其功能为传达、指示 列车运行命令、提供列车运行信息、反馈列车运行实时轨迹，以及表示某种特定信号 警示。信号机容易受到牵引电流感应到信号点灯电缆的感应电压的影响，造成信号灯 灯丝发红。 轨道电路包括有绝缘( 机械) 轨道电路、无绝缘( 电气) 轨道电路。其功能为采 集列车运行实时状况、表达钢轨线路占用情况、检查轨道性能的实际状态。轨道电路 容易受到不平衡牵引电流的影响，造成轨道设备烧毁、继电器误动等信号故障，因为 轨道电路直接反映列车运行状态，所以，轨道电路故障经常造成停车，影响运输效率。 道岔转辙装置主要包括电动转辙机、电液转辙机、电空转辙机。其功能为根据列 车运行需要，接受控制命令自动分隔线路、开通并锁定列车通行进路。 控制设备主要包括电气集中、微机联锁、驼峰信号等联锁主机与控制台等设备。 其功能为完成操作与控制信号设备、实时表示各类信号设备的实际运用状态。 电源设备主要包括车站电源屏、区间电源屏、驼峰电源屏。其功能是为信号、联 锁、闭塞设备提供电动力，并具备两路能自动转换的可靠电源。 电线路主要包括普通信号电缆、综合扭绞电缆、数字信号电缆、光缆以及室内各 种配线电缆电线。其功能为沟通信号、联锁、闭塞设备，形成一体信号网络。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 2 2 铁路信号系统的技术特点 2 2 1 车站联锁系统 所谓“联锁”，是指为保证行车安全，而将车站的所有信号机、轨道电路及道岔 等相对独立的信号设备构成一种相互制约、互为控制的关系，即联锁关系。铁路信号 联锁经历了机械( 握柄或手柄) 联锁、臂板电锁器联锁、色灯电锁器联锁、电气集中 联锁和计算机联锁几个阶段，其中电气集中联锁( 以电气传输方式集中操控信号机、 道岔转辙机等设各的车站联锁设备) 和计算机联锁( 是指利用微型电子计算机对车站 值班员的操作命令及现场设备 运转室困 ：兰墼堡垡丝 田慨总线 图2 1 计算机联锁系统框图 表示信息进行逻辑计算，以实现对信号机、轨道电路及道岔转辙机等设备进行集中控 制的车站联锁设备) 是当今我国铁路系统应用最为普遍的联锁方式，由于计算机联锁 具有信息量大，便于联网和升级的特点，我国现在新规划的铁路和改造铁路几乎全部 采用计算机联锁，可以说，传统的电气集中联锁正在逐步淡出历史舞台。目前，车站 计算机联锁不论从软硬件水平、检测手段和运用质量等各方面都已具备了加快发展的 条件。同时为满足c t c 区段和列车运行速度超过1 6 0 k m h 的区段，以及客运专线、煤 运专线、高速铁路等要求，新、改建上述铁路信号联锁均将采用计算机联锁设备。计 算机联锁的系统构成如图2 1 所示。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 2 2 2 区间闭塞系统 所谓“闭塞”，是指为保证行车安全，而将列车正在运行的线路区段予以( 电气) 封闭，以防止对向列车、后续列车的正面冲突或追尾事故的发生。我国的区间闭塞系 统主要经历了人工闭塞( 已经淘汰) 、半自动闭塞( 两站间区间为一个“闭塞”分区， 只容许运行一趟列车，在办理列车站间通过径路之前必须先办理闭塞手续，当闭塞电 路动作无误时才能开放出站信号) 和自动闭塞( 将两个车站间划分为若干个“闭塞” 分区，可容许两趟以上列车按规定的间隔时分、以相同的行进方向连续进入区间安全 运行) 三个阶段。 口卜- o口卜_ o 图2 2区l 司自动闭塞系统框图 通常采用多信息移频自动闭塞、u m 一7 1 、z p w - 2 0 0 0 a 等制式。自动闭塞系统的结构如 图2 2 所示( 图中标识1 为室外信号电缆：标识2 为区间轨道电路发送接收变压器箱； 标识3 为区间通过信号机) 。 为保证提速列车追踪运行安全，速度超过1 2 0 k m h 的区段应采用速差式自动闭 塞。为此，目前全路正推行实施采用z p w 一2 0 0 0 系列( 或u m 系列) 设备以统一我国铁 路自动闭塞制式。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 2 2 3 驼峰信号系统 根据铁路运输物流的不同去向，通过分布于全路各枢纽地区的铁路编组站对各方 向到达的列车进行解体、编组作业，重新组合列车以完成延续运输，而驼峰信号控制 系统即承担了此项任务。 目前，驼峰信号控制系统正向综合自动化系统发展，其控制技术包括车辆溜放进 路、溜放速度及机车推峰速度等实行自动控制。 2 2 4 列车运行控制系统( c t c s ) 包括列车自动停车、自动机车信号、列车速度自动监督和控制、机车信号与超速 防护系统。 在列车运行速度超过1 6 0 l ( m h 的区段，必须实行列车运行控制系统，列车超速防 护系统，其设计按照5 个等级进行： 0 级为既有线的现状； 1 级由主体化机车信号、点式设备和安全型监控装置构成； 2 级基于轨道电路( 模拟或数字) ，与点式设备和车载a t p 设备构成； 3 级基于轨道电路g s m r ，与点式设备和车载a t p 设备构成； 4 级完全基于g s m - r 的a t p 系统。 2 2 5 行车调度控制系统( c t c ) 行车调度控制系统包括调度集中、调度监督及遥控、遥信系统。 d m t s 系铁路运输调度管理信息系统，其功能是将实时采集现场信号设备运用状 况的信息，并及时传送至各级运输调度管理中心。目前需进一步扩大d m i s 系统在全 路的覆盖率，以加速实现铁路运输调度指挥现代化。 根据全路电务跨越式发展规划，将以d m i s 为平台，以c t c 为核- i l , ，以行车指挥 自动化为目标，加快实现铁路运输调度指挥管理系统现代化。 当今我国铁路正在加快发展新一代c t c ，实现分散自律和智能化控制，在对列车 运行实行调度集中控制的同时，实现对调车作业的集中控制。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 2 2 6 微机监测系统 微机监测系统是对信号机、轨道电路、道岔转辙机等基本信号设备电气特性指标 和运行状况( 包括：对道岔缺口变化、信号机械室环境等) 进行实时监控的一种系统 设备，其对信号设备的日常维护、故障处理、以及确保设备的稳定可靠运行均具有直 接的指导作用。因此，建立一体化的信号综合监测网络系统，是当前一项发展任务。 现在，微机监测系统已经成为铁路局电务系统的重要维护设备，对系统的实时监测， 故障分析等起到了不可替代的作用。 2 2 7 其他安全技术系统 铁路信号系统除上述各个子系统外，还有d m i s 调度命令无线传送系统、调车无 线机车信号和监控系统等其他安全和行车指挥系统。 ( 1 ) d m i s 调度命令无线传送系统 即在非正常行车的情况下，利用无线列调现有系统向司机传达书面调度命令作为 行车凭证的一种行车安全装置，也是d m i s 和新一代c t c 的配套设备。 ( 2 ) 调车无线机车信号和监控系统 将调车进路、信号显示状态及调车作业单等通过无线传送到调车机车，作为调车 的凭证，可为调车作业提供进路开放状态，并对机车实施监控。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 0 页 第3 章电力牵引系统对信号设备的干扰分析 3 1 电气化铁路牵引网的供电方式 我国电气化铁路采用工频交流制供电，接触网额定工作电压为2 5 k v ，电力牵引 供电主要有a t ( 自藕变压器) 、b t ( 吸流变压器) 、直供和同轴电力电缆四种供电方 式，这几种供电方式原理如下： ( 1 ) b t ( 吸流变压器) 方式 此种供电方式的电气连接图如图3 - 1 所示( 图中标识1 为牵引变电所；2 为接触 网；3 为吸流变压器4 为回流线；5 为机车；6 为钢轨) 。 图3 1b t 吸流变压器供电方式 吸流变压器b t 的变比为1 ：1 ，其原边串接在接触网内，副边串接在专为牵引电 流流回牵引变电所而特设的回流线内，每两台b t 吸流变压器中间设一根将回流级与 钢轨短接的吸上线，当机车运行到如图所示位置时，从牵引变电所流出的电流全部流 过b t 的原边，于是在b t 的副边回路( 由回流线、吸上线、钢轨、大地组成) 感应出 与原边回路相反方向的电流。由于回流线电流与接触网电流方向相反，因此将接触网 产生的电磁感应影响大部分抵消掉，从而减轻了对信号、通信系统的感应影响。 ( 2 ) a t ( 自藕变压器) 方式 这种供电方式是把自藕变压器跨接在接触网和正馈导线之间，自藕变压器的中点 与钢轨及沿接触网线路同杆架设的保护线相连，其电气连接如图3 - 2 所示( 图中1 为牵引变电所；2 为保护线；3 为接触网：4 为钢轨：5 为机车：6 为正馈导线；7 为 a t 自藕变压器) 。 当电力机车刚好运行到如图所示的a t 2 位置时，在a t l 与a t 2 之间的接触网和正 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第11 页 馈导线中，对称的流过1 2 的机车负荷电流，且方向相反；当机车运行于a t 2 与a t 3 之间任意两个相邻的a t 之间时，由两侧的a t 向机车供电，即牵引电流由两侧的a t 流向机车，机车两侧钢轨内电流方向也相反。同时，从牵引变电所到a t 2 之间的接触 网和正馈导线的电流方向相反，大小相等，因此，类似b t 方式的原因，也减轻了对 信号、通信系统的感应影响。 a t l 才a t 2 a t 3 图3 - 2a t ( 自藕变压器) 供电方式原理图 ( 3 ) 直供方式 直接供电方式分为两种，一种是不加特殊防护措施供电方式，简称t r 供电 方式；另种为带回流线的直接供电方式。 t r 直接供电方式原理如图3 - 3 所示( 图中标识1 为牵引变电所：2 为接触网 ( t ) ；3 为机车；4 为钢轨( r ) ) 。 ( t ) ( r ) 图3 - 3 直接供电方式一 它的一根馈线接在接触网上，另一根馈线接在钢轨上，这种供电方式最简单， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第12 页 投资最省，牵引网阻抗较小，能耗较低。机车由接触网取得的电流经钢轨流回牵 引变电所，由于钢轨与大地是不绝缘的，因此产生的电磁感应对周围的弱电系统 有较大干扰。 带回流线的直接供电方式原理如图3 - 4 所示( 图中标识l 为牵引变电所；2 为接 触网：3 为机车；4 为钢轨；5 为回流线) 。 f v i j甬一 5 图3 4 直接供电方式二 这种供电方式是在接触网支柱上架有一条与钢轨并联的回流线，与b t ( 吸流变压 器) 方式供电方式相比取消了吸流变压器，保留了回流线。利用接触网与回流线之间 的互感作用，是钢轨中的回流尽可能的有回流线流回牵引变电所。因而这种供电方式 能部分抵消对邻近通信信号系统的干扰，但其防干扰效果不如吸回供电方式。 ( 4 ) 同轴电力电缆方式( 简称c c 供电方式) 这种供电方式是一种新型的抗干扰供电方式，由于同轴电力电缆造价高，投资较 大，所以仅在一些比较困难的地段应用，如电气化铁路穿越大城市或对净空要求较高 的桥梁、隧道等特殊地段。原理如图3 5 所示( 图中标识l 为牵引变电所；2 为接触 网；3 为机车；4 为钢轨；5 为同轴电缆) 。 图3 - 5 同轴电力电缆供电方式 同轴电力电缆沿着铁路线路埋设，电缆的内部芯线作为馈电线与接触网相连，外 部导体作为回流线与钢轨相并联，每隔一定距离( 约5 i o k m ) 作为一个电缆供电分 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第13 页 段，由于馈电线与回流线在同一电缆中，间隔很小，且同轴布置，使互感系数增大， 所以同轴电力电缆的阻抗比接触网和钢轨的阻抗小的多，牵引电流和回流几乎全部经 由同轴电力电缆中流过，因电缆芯线与外部导体电流相等，方向相反，二者形成的磁 场相互抵消，所以对邻近的弱电系统几乎无干扰啼1 。 3 2 电磁干扰的分类及进入信号系统的途径 所谓电磁干扰e m i ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 是指任何能使设备或系统性能降 级的电磁现象。主要有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个 电网络上的信号耦合( 干扰) 到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信 号耦合( 干扰) 到另一个电网络。 任何电磁干扰的发生都必然存在干扰能量的传输和传输途径( 或传输通道) 。通 常认为电磁干扰传输有两种方式：一种是传导传输方式；另一种是辐射传输方式。因 此从被干扰的敏感器来看，干扰耦合可分为传导耦合和辐射耦合两大类。传导传输必 须在干扰源和敏感器之间有完整的电路连接，干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感 器，发生干扰现象。这个传输电路可包括导线，设备的导电构件、供电电源、公共阻 抗、接地平板、电阻、电感、电容和互感元件等。辐射传输是通过介质以电磁波的形 式传播，干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。常见的辐射耦合由三种：1 甲 天线发射的电磁波被乙天线意外接受，称为天线对天线耦合：2 空间电磁场经导线 感应而耦合，称为场对线的耦合；3 两根平行导线之间的高频信号感应，称为线对线 的感应耦合。 牵引供电系统各种供电方式的特点，决定了牵引供电系统产生干扰信号的种类， 主要有传导性干扰信号、电磁辐射性耦合干扰信号两种。具体为：一是当牵引电流通 过时，对周围信号系统的电子、电气设备产生电磁辐射；二是不平衡牵引电流沿轨道 传导到信号设备，或牵引电流对直接驱动的机车电动机产生电磁噪声，并传导干扰信 号到电源和机车上的机车信号电子设备上；三是牵引电流对相邻的信号电缆线路产生 感应耦合，感应出干扰电压或电流。 信号系统各个子系统基本上都是通过电缆线路把室内室外设备联系起来，室内室 外设备间有一定的逻辑联锁关系，室内设备通过采集室外设备的状态，通过联锁计算， 结吾操作人员指令，产生驱动命令，通过驱动电路来对室外设备进行控制，从而确保 行车安全和效率。 信号系统设备的上述特点决定了干扰信号也只能通过以下途径进入到信号系统： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第14 页 第一、干扰信号通过钢轨、信号电缆、接地设备、设备外壳、设备电源等部位进 入到信号系统，对信号系统的正常运行产生干扰； 第二、牵引电流产生的干扰信号以空中幅射的方式，即以电磁波方式向空中幅射， 对信号系统的电子设备产生干扰。 第三、干扰源通过感应的方式耦合到电缆等信号设备中去。 3 3 干扰信号对信号系统具体干扰方式 由于几种牵引供电方式中牵引电流都不同程度地要以钢轨( 大地) 为回路，而我 国现有的铁路信号系统中无论区间自动闭塞系统还是站内联锁系统，都是以轨道电路 来检查列车占用情况并作为信息的传输通道。所以牵引电流回流与轨道电路共用的同 一载体一钢轨是使信号系统受到干扰的一个最主要原因。同时，牵引电流的高电压 和电力机车运行时产生的含有丰富谐波的大电流会对周围电磁环境产生严重的电磁 干扰( e m i ) 。所以，随着计算机联锁等计算机化信号设备越来越广泛地被采用，信 号系统的抗电气化干扰或电磁兼容性( e m c ) 研究成为一个非常迫切的问题。事实上， 应用于电气化区段的信号系统设备经常发生因牵引电流不平衡、牵引电流串入、对信 号设备电磁感应等原因造成信号系统运行故障甚至烧损的情况，对正常的行车秩序造 成了很大的干扰。 电气化铁路牵引供电系统对信号系统设备的干扰主要有如下几种形式： 3 3 1 由牵引电流回流造成的传导性干扰 铁路信号系统的双轨条轨道电路是在钢轨绝缘处装设了扼流变压器，信号设备 通过扼流变压器接向钢轨。理想情况下，两钢轨中的牵引电流，分别经扼流变压器上 下部线圈，再经变压器中心抽头流向第二个扼流变压器的上下部线圈，重新流人钢 轨的两条轨条中去。当上下部线圈匝数相等时，牵引电流在扼流变压器两个线圈中产 生的磁通量相等、方向相反，所以牵引电流在扼流变压器中造成的总磁通量为零，信号 线圈上感应电势为零，牵引电流对信号设备就没有影响。但实际上两钢轨中牵引电流 并不相等，这样在扼流变压器两个线圈中所产生的磁通量就不能抵消，于是就产生了 因牵引电流不平衡引起的干扰电压。这种干扰方式主要由于牵引电流不平衡造成了不 平衡电压，因为不平衡电压是由钢轨中通过的不平衡牵引电流引起的，而牵引电流不 平衡是烧损轨道电路元器件和造成故障的主要原因，信号系统轨道电路设计只允许牵 引电流不平衡系数为5 以下，超过5 就会对信号设备造成干扰；由牵引电流回流造 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第15 页 成的传导性干扰其次是工程设计原因，主要是列车重载、提速、双机牵引，使原设计 扼流变压器容量不够，造成轨道电路熔断器熔断，电缆、扼流变压器烧坏，箱盒引接 线烧断，从而影响轨道电路工作。 不平衡牵引电流的产生主要有三种原因。 第一种是设备材质及环境原因。设备材质及环境不同导致两根钢轨线路和半个扼 流变压器线圈传输阻抗和不对称( 有效电阻和感抗的不对称称为纵向不对称，绝缘电 导的不对称称为横向不对称) ，引起两根轨中牵引电流大小不对称。由于横向和纵向 不对称，使牵引电流沿两条钢轨线路的分布不对称，从而在扼流变压器一次线圈上出 现干扰电压，造成在轨道电路的器件上呈现直流成分或交流成分的影响。不对称产生 的主要原因如下： 钢轨材质及其腐蚀和磨损状态，箱盒引接线( 扼流变压器连接线) 长短不一 致( 1 6 米和3 6 米) 等决定的有效电阻不对称； 轨条绝缘电导不对称： 与钢轨材质及连接件的一致性、土壤种类有关的感抗的不对称。 曲线轨道电路由于外轨比内轨长，形成内轨和外轨两根钢轨的阻抗不相等。 第二种是日常维护和工程施工工艺原因。这种不平衡牵引电流的产生主要有施工 过程中轨端接续线和箱合引接线塞钉未打紧固、机械化养路造成轨端接续线和箱合引 接线折断、钢轨接续线和箱合引接线被盗、扼流变压器箱中点连接线以及扼流箱连接 端子松动造成接触不良，或者由于氧化作用使接触电阻增大，从而使牵引电流回流全 部或大部分从一根钢轨上返回，从而造成钢轨电流极度不平衡，现场这种原因对信号 设备造成的影响最大也最直接。 第三种是轨道电路的对地漏泄不平衡，也即两根钢轨对地漏泄导纳不相等。主要 是如下原因造成： 接触网支柱、桥梁栏杆等的地线直接接到轨道电路的- - t 贝1 1 钢轨上，形成两根 钢轨对地漏泄导纳不相等； 东西走向的铁路，路基南面受阳光直射，雨过天晴、积雪融化后两根钢轨下 道床干湿状态不同，北方回春季节两根钢轨下路基解冻时间有差别： 线路的一侧敷设有长的金属管线路或各种带金属护套的屏蔽电缆。 在现场工程设计上还有一种特殊情况值得注意： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第16 页 电化区段交叉渡线道岔为了防止牵引电流迂回电流影响，造成牵引电流极度不平 衡，从而烧毁信号设备或使轨道电路失磁，需要在非电化区段交叉渡线道岔绝缘的基 础上加装两组切割绝缘。针对这个问题，虽然一些刊物和书籍中提出了一些解决方案， 但一直没有针对各型道岔的正式的、统一的规范标准。 如图3 - 6 所示( 图中标识1 为轨道电路送电端；2 为道岔跳线；3 为轨道电路受 电端；4 为钢轨绝缘节；5 为钢轨) ，非电气化区段b g 区段轨道电流只有一极( 实线 ：i 沙一fi ： 弋一= 哆i ：i b g 图3 6 非电化区段交叉渡线道岔轨道电路原理图 器习( ( b 1 秒3 制 t ib f 嚣 b g 图3 7 电气化区段交叉渡线道岔轨道电路原理图 箭头所示) 流向a g 区段，另一极( 虚线箭头所示) 因为有绝缘节阻隔，并没有通过 a g 区段，所以b g 区段轨道电路不会对a g 区段造成干扰，不会令a g 区段轨道继电器 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第17 页 误动。 但是对于电气化区段，牵引电流通过b g 区段扼流变压器后沿实线箭头所示方向 经a g 区段流回，造成a g 区段的牵引电流严重不平衡，远远大于5 的不平衡系数， 造成a g 区段轨道电路失磁，影响列车运行，所以在如图3 7 所示( 图中标识1 为轨 道电路送电端；2 为道岔跳线；3 为扼流变压器；4 为轨道电路受电端；5 为绝缘节： 6 为电化区段增设绝缘节) 的位置加装两片绝缘，阻止牵引电流流向a g 区段。因为 定型道岔没有设计这两处绝缘安装位置，所以加装绝缘需要现场处理。 目前现场共有两种处理方式： 第一种是切割轨底垫板，此方式的优点是不用切割钢轨，不存在死区段超标的情 况；不足是因为不是标准配件，工务部门维修时换垫板维修不方便，另外木枕道岔如 果切割得质量不好运行一段时间后由于列车震动容易造成短路。 第二种是切割钢轨加装绝缘，因为工务部门维修对钢轨最短长度有要求，所以切 割钢轨加装绝缘时要考虑钢轨最短长度，即使按工务规定要求最短钢轨限度切割，轨 道电路死区段也要延长至1 0 6 米，远远大于死区段不大于5 米的规定，对行车时会 有小车停留在死区段轨道电路不能检查的隐患，需要在车站站管细则中规定，单机不 准在交叉渡线上停留。特别举例：专线7 5 1 2 型9 号5 0 k g m 交叉渡线道岔，在菱形岔 跟既有轨缝处由于垫板短路，不能满足电气化牵引区段信号轨道电路的正常工作的要 求，采用对其他型号道岔可以解决问题的切割垫板方法，也不能解决问题，唯一的解 决办法只有切割钢轨，但针对这种问题，并没有一个明确规定可以执行，所以各路局 针对这种问题的处理方式也很不统一，有时即使是同一路局内，也因为施工单位的不 同而造成处理方式的不统一。上述问题应该从源头解决，就是采用电力牵引方式的铁 路，交叉渡线道岔在工厂生产时作好胶接绝缘节，避免现场切割。 现场有一种人为原因造成传导性干扰故障也值得注意，接触网专业检修回流线 时，将回流线的地线直接与钢轨相连，造成信号设备受到干扰或烧坏的情况。所以在 接触网专业检修设备时，信号专业维护人员要积极配合，避免类似人为故障的发生。 另外有些接触网杆塔地线都是经火花间隙接至钢轨，当火花间隙漏泄时会造成短 期稳态干扰，这类干扰会引起4 0 安左右的不平衡牵引电流，不平衡系数约为2 0 左 右。若火花间隙调整不好，有时接触网会通过火花间隙向单侧钢轨闪络放电，在单侧 钢轨中产生高达数百甚至上千安的瞬态不平衡电流，因为持续时间短，瞬态能量大， 会引起2 5 1 - i z 自动闭塞轨道电路的接收设备烧毁。所以不允许接触网杆塔地线经火花 间隙接钢轨，要求接触网设架空地线。而接触网的杆塔地线如果直接接至钢轨，会造 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第18 页 成两轨条内电流的严重不平衡，影响轨道电路的正常工作，这是绝对禁止的。对因条 件限制，如接触网尚未架设架空地线时，杆塔地线必须经火花间隙接至钢轨或扼流变 压器中点，其接至钢轨的连接线，不得埋入土内或被水浸泡，以免变成牵引电流的回 流地线，使钢轨的牵引电流严重不平衡，从而影响信号设备正常运行。 现场故障实例t 某