浅议电气化铁路牵引供电对铁路信号设备的影响

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摘要：近年来，铁路建设发展迅速，电气化牵引供电系统作为四电建设目标中重要的组成部分，受到了大力推广。在电气化铁路这个大系统中，由于各个部门共存，相互之间必然会产生各种各样的影響。信号系统是弱电系统，在这个环境中处于从属地位，如何提高自身的抗干扰能力，是保证信号系统正常运行的重要问题。铁路的信号系统属于弱电系统，在电气化牵引供电系统中，容易受到干扰，导致信号设备的运行或是数据输入输出发生异常，从而引发一些不必要的安全事故。本文主要围绕电气化铁路牵引供电对铁路信号设备的影响进行了分析，以期能够为相关工作人员提供一些借鉴意义。
关键词：电气化牵引供电；铁路信号设备；影响
目前，电气化铁路作为铁路建设的新形式，其通过利用牵引供电系统，在铁路重载等方面具有无可比拟的作用。当应用电气化铁路时，牵引供电系统会形成电磁场或信号脉冲，使其受不同因素的影响对铁路信号产生不同程度的阻碍。若想减少牵引供电系统所带来的信号干扰问题，要根据实际情况找到产生信号干扰的根本原因，然后对症下药，使其能够更好地投入使用，进而实现其可持续发展。随着电气化铁路信号设备的影响。近年来，铁路信号系统使用了大量的新技术、新设备，是这方面的矛盾更加突出，如何解决好这些问题，是铁路信号系统要解决的一个重要问题。
1 电气化牵引供电
1.1 简要介绍
牵引供电系统实质上指：从地方引入的电源通过牵引变电所降低至适宜列车用电的供电系统。牵引供电方式则是通过车辆拖动运输需要的电能。
牵引供电优势显著，主要包括：节约电能，有效加快列车运行速度的同时能够增强其牵引重量，可提高列车制动功率，降低运输成本，使自动化进程更为深入等方面。牵引供电可以实现资源利用最大化，在保护生态环境的前提下，促进铁路发展更加地安全与快速。但相应的，其也存在着不足，例如基础设施建筑消费高、所需人力物力多，要接入地方电网才能使用等问题，亟待解决。
1.2 铁路信号设备简要介绍
信号系统对于铁路运输安全与调试具有无可比拟的作用，组成信号系统的重要硬件设备为信号设备，其内部包含了区间信号、车站信号、列车运行等部分。
区间信号通常以车站等作为分界点来进行区域划分的，如区间闭塞、道口防护以及轴温探测、车内信号等等。其中，区间闭塞在应用中根据实际情况会采取全自动或半自动方式进行使用；而车站信号主要对车辆调控、信号遥控等发挥作用；并且，因车站在进路上较为复杂多变，且各个股道交错过程中必须要保证车站进路与道岔操作上完全按照信号所操作，以保证联锁反应。现今，在国内铁路信号系统应用中，多采取继电集中联锁以及信号遥控系统，对于平面控制调车也在广泛应用中。
在列车运行的过程其实也是计算机对列车启动、运行以及调度、停车全过程的监督与指挥，使列车在运行过程中更加稳定和安全，在一定程度上也提高了列车运行的效率。列车在各个流程上也是基于计算机技术以及列车信号设备数据进行的具体操作，以此能够对所有列车相关信息进行自动的收集和处理，而所有数据和信息也会反馈到列车调动控制中心，以此对列车实际运行情况发送相应控制指令。
对列车指挥自动化设备进行了解，其是在原有的设备基础上又安装的列车一系列自动化系统，如通信系统、列车跟踪系统以及设备故障检测系统，以及列车运行调控系统等，以达到对列车进行实时监控。
对车辆进行调控一般根据列车的型号、编组等进行详细划分，以此能控制列车溜放速度与进路的目的。常用的控制方法主要有自动化、半自动化、机械化和半机械化控制调车。
2 我国电气化铁路的特点分析
现今，铁路运输系统的运行要靠电力牵引进行运输，也是一种运行方式。而这种方式能够在电力作用下转换为动力，以牵引火车达到运输目的。现在所用的列车牵引系统中主要是根据列车轨道的电路以及变电所、接触电网和回流路线进行的应用。如果对国内现今列车电气化应用情况进行了解，那么其大多是靠自耦变压器供电形式所应用，而采取这种方式最大的优点是所需要提供电力的距离相对较远，不会损失较多的牵引电压，对于信号受到的干扰也比较小。
3 高速电气化铁路牵引供电系统的简介
高速电气化铁路，顾名思义是以电能为主要牵引动力的现代化高速交通运输工具，在电力机车的牵引下高速列车才得以运行，而作为牵引高速列车运行的电力机车本身是不具备能源的，它需要借助外部的电能来提供它运转所需的能源，所以将这种为电力机车供电的装置称作牵引供电系统。因此，高速电气化铁路的主要组成部分分别是电力机车以及牵引供电系统。
3.1 牵引供电系统的构成
在探究牵引供电安全管理问题之前首先要介绍一下高速电气化铁路的牵引供电系统的构成，牵引供电系统其主要的组成部分是牵引变电以及接触网。对牵引供电系统构成进行分析，其系统中所用电流回路主要是根据牵引变电站所反馈过来的电线，然后通过接触网对列车产生电力，且在钢轨的作用下实现回流连接，进而实现接地网的闭合电路。目前，列车牵引供电系统最重要的功能就是将电力系统中的电源引入到变电站中，且借助变压器将电压进行转变，以能适应电力机车所应用的电压，进而将压制好的电压通过馈出线引入到接触网中，然后通过电力机车上的受电弓来实现电压的应用[1]。
3.2 牵引供电系统的负荷特性
与普通铁路牵引供电系统相比，牵引供电系统所具有的负荷特点是存在一定优势的。以普通铁路牵引供电系统特点进行分析，其主要适用在一些线路阻力以及牵引负载的机车负荷方面，其在负荷上相对较小。反之，对牵引供电系统具有的优势则是其负荷的增加不仅在克服线路阻力和牵引负载，它更多的消耗在列车克服高速行驶的空气阻力所需要的动力上。
4 铁路信号设备受到电气化牵引供电的影响及原因简要分析
电气化干线中的信号设备经常会受到一些因素的影响而出现干扰情况。并且，与其他电气化系统铁路信号设备应用情况相比较，电气化铁路在实际应用中一直会受到高压环境的影响，进而出现一些被动情况。如电气化铁路电压一般较高，能达到25千伏左右；再有，在牵引的电流中所呈现出的电压更高，有时候能保持电压到上千伏以上电流，可见电气化铁路完全是在高压环境下运行；除此之外，电气化铁路在运行过程中铁路信号设备也会受非线性负荷的影响。虽然电气化铁路在应用过程中也进行的改革和整改，但是并未完全将电力机车中的谐波所消除，对铁路信号设备造成一定影响。目前，在电气化牵引供电系统中，主要有以下几点影响：
4.1 信号设备传导性干扰
铁路信号设备在传导过程中非常容易受到干扰，究其原因还是因为电气化牵引过程中因电流流存在不平衡而引起的干扰，进而对信号设备的应用造成长久干扰。并且，因电气化牵引在实际应用中出现电流不平衡问题，会造成变压器产生一定的感应电动势，会造成扼流变压器电压出现升高情况。一般而言，如果电压升到一定值时，那么会对轨道继电器产生一定影响，进而造成误动情况，也会出现信号设备的异常。对不平衡电流进行查看，则可以观察不平衡系数，以此作为参数进行查看，则可以发现不平衡系数是不平衡电流与总电流的百分比。如，假设铁轨一侧的电流为8，而另一侧的电流为9，则可以按照不平衡系数计算公式进行计算，如：K=（98）/（9+8）×100%=5.9%。
4.2 信号设备容性耦合干扰
一般来说，接触网的电压基本是一个很大的值，如果强电线上存在对地电压，由于受到干扰的信号设备和大地之间存在电压，就会导致信号设备和强电线之间产生电容耦合，从而引起强电线中的强电流分流到信号设备当中，引起感应电动势产生，对信号设备造成容性耦合影响。所产生的感应电动势的静电场强度和信号设备距离以及电流大小都有之间的关联。
4.3 信号设备感性耦合干扰
电气化牵引供电电流相较其他而言，可高达上百上千安培，受信号干扰的设备与接触网间的耦合电感会在电源通过时产生感应电动势，之后出现感性耦合。感性耦合具体与受信号干扰的设和接触网二者之间距离相关，此外，也受通过接触网的电流大小影响，其与容性耦合本质相同却又有所不同。
4.4 信号设备辐射性干扰
若电气化牵引供电网内存在大量冲击电流，多数是因为接触网触碰到了受电弓导致受电弓降弓、开关线路出现中断等现象。牵引电流回线为钢轨，而冲击电流会在某种情况下导致轨道继电器发生错误操作，因其在瞬间突然增大使扼流变压器饱和失去效力，所以频率为25Hz的信号快速减弱，进而出现问题。而将接触网与受电弓分开时，出现的电火花会引发影响信号设备的无线电脉冲。
4.5 信号设备受到的其他干扰
一般而言，接触网接地端为钢轨，这样做可为信号设备与工作人员安全提供坚实的基础。若杆塔与钢轨连接时，未通过火花间隙或其失效都會出现轨道电力红光带现象，其他干扰信号设备的因素还包括电流短路导致火花间击穿等。
5 信号设备应对电气化牵引供电干扰的应对策略
5.1 25Hz频率轨道电路的干扰应对策略
经流轨道的电流若不太平均，会导致传导性干扰，进行会对25Hz频率电路产生干扰。经流25Hz频率轨道电路电流不均衡的原因具体为：电流不均引起的脉冲电流波形上下不对称，其内部含有的少量直流会导致扼流变压器等元件饱和，使信号电流发生陷落；除此之外，电流不均引起的脉冲电流会导致轨道电路内减弱的线性滤波器信号，与原有信号融合，引发继电器产生错误担任，进而使信号设备受到干扰。针对这些情况可提出相应的解决方法，主要包括了：在规定范围内实现扼流变压器饱和电流强度最大化，使气隙有所增大；为抵制过多的信号干扰，可在扼流变压器上安装适配器或抗干扰线圈；可设计与25Hz轨道频率电路，能够并联谐振的辅助电路来减少信号干扰问题。
5.2 采用ZPW2000轨道抗干扰技术
我国于上世纪末引进了原型为UM71的ZPW2000轨道抗干扰技术来应对轨道电路干扰，其有效融入我国，并完成了国产化稳频轨道电路。此外，其因显著的抗干扰性能，受到了越来越多的关注。具体体现在：由空心线圈制成，对牵引电流为50Hz的阻抗都特别的小，对轨道电流的平衡发挥了非常重要的作用；其次，牵引电流内部包括50Hz电流、奇次谐波和偶次谐波，并且奇次谐波能量本身变非常高，与频率成反比，为保持牵引电流谐波平衡，ZPW2000轨道抗干扰技术则选用了较高的偶次谐波；通过调整角度来减少信号干扰；ZPW2000轨道抗干扰技术受牵引电流干扰不大，因其频偏非常小，仅会受到偶次谐波干扰，除此之外的奇次谐波也仅会受到两个或更少的谐波分量干扰。由此可见，将ZPW2000轨道电路抗干扰应用于电气化铁路中，可有效保证其平衡性、稳定性以及安定性，这对提高我国铁路信号设备应对电气化铁路牵引供电系统干扰的应用力，及其未来可持续发展具有非常深远的意义。
5.3 综合性的抗干扰措施
针对采取综合性阬干扰措施的情况，应根据实际问题，从根本上杜绝干扰的发生。其具体步骤包括：严格按照规定选择设备、制定合理的电气化牵引供电方案，借助架空回流线达到直供供电，使供电回路具有对称性。为有效减少轨道直接连接上点位连接线这种情况发生，需要科学、合理的在轨道电路中安装扼流变压器，以便其能够正常运行。在完成这一系列操作后，便要开始对电气化牵引供电系统进行改进与完善，将回流线与列车室、信号机房距离设置为十五米以上，可在一定程度上减少信号的干扰。并按规定设置扼流变压器和轨道电路长度以及吸上线等。
5.4 计算机连锁，集中调度，列控中心等电子设备所采取的措施
为有效避免铁路体系中电磁辐射、地面电压等对信号设备的干扰，通常采用实施屏蔽来解决这一问题。这种方法能够从根本上杜绝辐射的传播与扩散，保证信号设备能够正常开展工作。屏蔽方式较常应用于铁路系统放置电脑或机械的房间，且均经过电磁兼容实验测试，保证符合使用标准及相关规定。
6 结语
电气化铁路牵引供电对铁路信号设备具有阻碍作用，对此，需要结合实际情况找到阻碍原因，及时解决掉问题。这样一来，应用电气化铁路牵引供电系统便可有效避免信号干扰所带来的影响，正常开展工作。
参考文献：
[1]卡哈尔江·艾海提.缘于牵引供电系统的铁路信号系统电磁干扰探析[J].中国高新技术企业，2012.