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電氣化牽引回流對(duì)信號(hào)設(shè)備的干擾分析及防護(hù)措施的研究

文檔作者：明建豪文檔來源：濟(jì)南鐵路局青島電務(wù)段		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年12月13日
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電氣化牽引回流對(duì)信號(hào)設(shè)備的干擾分析及防護(hù)措施的研究
明建豪
(濟(jì)南鐵路局青島電務(wù)段, 山東青島 266000)
摘要：當(dāng)前電氣化鐵路主要包含直接供電、吸流變壓器供電、自耦變壓器供電3 種牽引供電方式，
通過對(duì)3 種牽引供電制式介紹，對(duì)不同供電方式影響鐵路信號(hào)設(shè)備所產(chǎn)生的干擾進(jìn)行原理性說明，
分析產(chǎn)生不平衡電流的原因，并根據(jù)產(chǎn)生不平衡電流的眾多原因, 對(duì)軌道電路防護(hù)不平衡電流干擾
所采取的措施進(jìn)行詳細(xì)研究。
關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；供電方式； 牽引回流；不平衡電流；防干擾
Abstract: There are mainly three traction power supply methods for current electrified railways, including
direct power supply, booster transformer power supply and autotransformer power supply. Through briefly
introducing three kinds of traction power supply systems, this paper introduces the principles of interference
to signal equipment in different power supply modes, analyzes the causes of unbalanced current, and studies
the measures to prevent track circuits against unbalanced current interference according to the causes of
unbalanced currents.
Keywords: power supply; traction return current; unbalanced current; anti-interference
DOI: 10.3969/j.issn.1673-4440.2017.02.021
在電氣化鐵路中，接觸網(wǎng)所通過的高壓、在鋼
軌中傳輸?shù)臓恳娏骱蛢蓷l鋼軌間的不平衡電流，
這些均對(duì)電務(wù)作業(yè)人員和電務(wù)設(shè)備穩(wěn)定造成巨大影
響。因此，電氣化鐵路牽引供電對(duì)電務(wù)信號(hào)設(shè)備的
干擾防范問題一直是鐵路電務(wù)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和施工中
重點(diǎn)考慮的問題之一。
1 電氣化鐵路干擾源的產(chǎn)生
1.1 電力牽引的供電方式
隨著我國鐵路的快速發(fā)展，電氣化鐵路的供電
方式也發(fā)生了巨大變化，目前所采用的直接供電方
式是27.5 k V 的交流電，針對(duì)吸流變壓器供電采
用回流線供電方式，而自耦變壓器供電主要采用
55 kV 供電方式[1-3]，如表1 所示。
1.2 不同供電方式下牽引回流分布模型
當(dāng)前在我國3 種主要牽引供電方式下，均是以
地面鋼軌—大地作為牽引回流的導(dǎo)通徑路，但由于
不同的牽引供電方式及其傳輸特性，使得牽引回流
在向前傳輸時(shí)，在鋼軌中分布是不均勻的，這種回
流分布不均勻的特性是最終產(chǎn)生干擾電務(wù)信號(hào)設(shè)備
的根本原因所在[4]。
1）直接供電方式
直接供電方式電流由接觸網(wǎng)到達(dá)機(jī)車車輛受電
弓，通過車輛運(yùn)行傳輸?shù)戒撥墸罱K通過大地回流
到牽引變電所，鋼軌中的牽引電流的回流分布如圖
1 所示。
2）吸流變壓器供電方式
吸流變壓器供電方式的等效示意如圖2 所示。
鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)(RSCE) 2017年4月，第14卷第2期
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L 表示漏感，I0 表示勵(lì)磁電流，Z0 表示勵(lì)磁阻抗，
由圖2 可以得出，吸流變壓器供電方式可以等效為
一個(gè)L 和Z0 的等效變壓器，其繞組比為n1 ∶ n2。
3）自耦變壓器供電方式的等效電路如圖3 所
示，自耦變壓器采用1 ∶ 2 的變比與牽引網(wǎng)并接。
由等效電路圖可以得出，在機(jī)車運(yùn)行過程中消耗相
同的功率時(shí)，由于自耦變壓器的供電方式?jīng)Q定，正
饋線和接觸網(wǎng)中所流經(jīng)的電流均為牽引電流的二分
之一。
在3 種不同的供電方式等效電路圖中，各導(dǎo)通
區(qū)段的電流分配比例是不一樣的，這樣不相同的牽
引回流定會(huì)引起對(duì)軌道電路的干擾。雙軌道軌道電
路的等效電路如圖4 所示，該等效電路圖的前提條
件要忽略臨線線路接觸網(wǎng)電磁對(duì)本軌道的影響。其
中，Zis 表示軌道電路始端等效阻抗,Ziz 表示軌道電
路終端等效阻抗,Zk 表示變壓器開路阻抗，Z 表示
鋼軌阻抗，Z1 表示軌道扼流變壓器發(fā)送端阻抗，Z2
表示軌道扼流變壓器接收端阻抗，鋼軌漏泄電阻分
別為R1、R2。
軌道電路受電端和供電端的干擾電壓值可根據(jù)
式（1）進(jìn)行計(jì)算:
US =
1
2
* ZS (IC1 - IC2)
UZ =
1
2
* ZZ (IC1 - IC2)
（1）
由式（1）可以看出，在鋼軌中產(chǎn)生的干擾電壓
主要影響因素包含傳輸電流不平衡值( 即IC1- IC2 的
值) 和ZS、Zz 值。因此研究軌道中導(dǎo)通電流的不平
衡性是確保軌道電路對(duì)牽引電流干擾防護(hù)的首要研
究對(duì)象。
1.3 產(chǎn)生不平衡電流的原因
塞釘連接線、軌端焊接線與夾板連接線等電務(wù)設(shè)
備的不對(duì)稱電阻造成鋼軌與鋼軌間的不平衡總阻抗。
扼流變壓器線圈間阻抗并不完全一致，再加上
鋼軌引接線阻抗不平衡，使得回流電流傳輸通道上
的阻抗并不一致。
鐵道鋪設(shè)過程中多有彎道，由于彎道影響致使
兩條鋼軌的長度并不完全相等，導(dǎo)致兩條鋼軌間的
阻抗也不相等。
表1 牽引供電方式及其特性
名稱系統(tǒng)圖特性
直接供電
接觸網(wǎng)/ 鋼軌或接觸
網(wǎng)/ 鋼軌加回流線
1) 回路簡單
2) 對(duì)信號(hào)干擾大
3) 需要采取絕緣子閃絡(luò)的保護(hù)措施
4) 鋼軌電位大
吸流變壓器供電有回流線
1) 對(duì)信號(hào)干擾小
2) 在變壓器處接觸線要分段
3) 變壓器間隔小
自耦變壓器供電有防護(hù)線
1) 對(duì)信號(hào)干擾小
2) 接觸線不需要分段
3) 變壓器間隔小
4) 可以供給大容量負(fù)荷
鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)(RSCE) 2017年4月
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2 軌道電路對(duì)鋼軌不平衡電流的防護(hù)
在牽引回流傳輸徑路中，由于兩條鋼軌間不平
衡阻抗的原因，最終導(dǎo)致牽引電流對(duì)電務(wù)信號(hào)設(shè)備
的干擾[5，6]。究其干擾產(chǎn)生的原因，主要是由于電
流在兩條阻抗不平衡的鋼軌傳輸產(chǎn)生了干擾電壓。
因此有效防范牽引電流對(duì)電務(wù)信號(hào)設(shè)備的干擾最有
效途徑就是減少在牽引回流徑路中的干擾能量，同
時(shí)提高電務(wù)信號(hào)設(shè)備的抗干擾能力[7，8]。
2.1 減小干擾信號(hào)的防護(hù)措施
1）減小不平衡電流的功率
對(duì)于軌道電路來說，由于不平衡電流產(chǎn)生的機(jī)
理，整個(gè)不平衡牽引電流干擾源可被認(rèn)為是理想電
流源，因此可以采用串聯(lián)諧振電路和干擾源并聯(lián)的
方式來實(shí)現(xiàn)抗干擾的作用。
2）加大扼流變壓器的飽和電流
為有效防止變壓器飽和，可采取在扼流變壓器
鐵芯中留出一定空隙的措施。其原理為鐵芯磁導(dǎo)率
是空氣磁導(dǎo)率的上千倍，磁阻或磁動(dòng)勢由于空氣的
磁導(dǎo)率過大，其能力將大部分衰減到空氣中，從而
有效保證磁芯達(dá)到飽和。
3）改善25 Hz 信號(hào)傳輸
改善25 H z 信號(hào)傳輸效率可以采用在軌道電路
扼流變壓器串聯(lián)一個(gè)諧振電路來實(shí)現(xiàn)。具體電路如
圖5 所示，在扼流變壓器二次側(cè)并聯(lián)一個(gè)50 H z 的
串聯(lián)諧振電路，再通過調(diào)整匝數(shù)比，保持電容值和
扼流變壓器鐵芯空隙，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)25 H z 軌道電
路牽引圈的阻抗, 達(dá)到改善25 H z 信號(hào)傳輸效率的
目的。
2.2 對(duì)牽引電流及其諧波防護(hù)
2.2.1 提高信干比防護(hù)
1）扼流變壓器防護(hù)
在實(shí)際環(huán)境中，軌道本身加上扼流變壓器牽引
線圈兩者相加的阻抗并不相等，尤其當(dāng)較大的牽引
電流瞬間通過時(shí)，流經(jīng)兩條鋼軌及扼流變壓器牽引
線圈上的牽引電流就產(chǎn)生了不平衡，從而形成干擾
電壓，因此增設(shè)扼流變壓器是減少牽引回流影響的
有效途徑。
2）絕緣變壓器防護(hù)
在25 H z 軌道電流實(shí)際使用中，為了兼顧現(xiàn)場
職工調(diào)整簡單的基礎(chǔ)上，盡量避免不平衡電流的產(chǎn)
生和干擾電壓的影響，可以采取的措施是加大變壓
器的變壓比。由于變壓比的增加，干擾電壓將更多
的衰減在變阻器和信號(hào)線圈上，而從實(shí)現(xiàn)降低干擾
電壓的影響，同時(shí)也平衡了不平衡電流和減小干擾
電壓。
3）濾波器或防護(hù)盒防護(hù)
由于多數(shù)軌道電路采用25 H z 工頻交流電，可
以選擇一定的濾波器過濾50 H z 牽引電流及其諧波
對(duì)25 H z 工頻軌道電路的影響。例如，在25 H z 工
頻計(jì)數(shù)電碼軌道電路中增設(shè)軌道濾波器設(shè)備和機(jī)
車濾波器設(shè)備，在移頻軌道電流中增設(shè)移頻軌道濾
波器。
2.2.2 頻率與制式防護(hù)
采用頻率與制式防護(hù)的原理就是利用各種頻率
與制式的特點(diǎn)對(duì)牽引電流進(jìn)行防護(hù)。
1）移頻制式防護(hù)
由于移頻信號(hào)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，結(jié)合這
一原理，可以將低頻信號(hào)調(diào)制成相對(duì)應(yīng)的移頻信號(hào)。
因此，假如一個(gè)站場軌道電路僅需要一種低頻信息
時(shí)，可以將濾波器的通帶寬度縮減到100 H z 以下，
再經(jīng)過濾波器濾波之后，信號(hào)在不會(huì)有太大畸變的
基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)抗干擾能力的大幅增強(qiáng)。
2）25 Hz 相敏制式防護(hù)
軌道電路中產(chǎn)生的干擾電壓流經(jīng)分頻器的輸出
端口時(shí)，對(duì)信號(hào)頻率、干擾電壓的大小和相位都不
會(huì)產(chǎn)生過大的干擾作用。在50 H z 牽引電流流經(jīng)軌
道線圈，由于兩者的工頻不一致，對(duì)25 H z 軌道電
路的相位也不一致，因此，軌道繼電器并不會(huì)受到
影響，從而實(shí)現(xiàn)減小不平衡電流和干擾電壓的影響。
3 小結(jié)
目前，我國電務(wù)信號(hào)設(shè)備對(duì)于牽引回流的防干
擾所采取的措施，還處于不定量階段，往往采用以
No.2 明建豪:電氣化牽引回流對(duì)信號(hào)設(shè)備的干擾分析及防護(hù)措施的研究
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Technological Exchange 技術(shù)交流
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往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行防范，缺失對(duì)各種干擾源的系統(tǒng)分析。
電務(wù)信號(hào)設(shè)備抗干擾能力還缺乏理論支持和有說服
力的檢測手段，大量工作僅僅局限在現(xiàn)場試驗(yàn)中解
決，不穩(wěn)定性和局限性較大，還不能有針對(duì)性的預(yù)
防抗干擾，今后還應(yīng)加強(qiáng)信號(hào)設(shè)備防干擾的基礎(chǔ)性
研究工作。
參考文獻(xiàn)
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（收稿日期：2016-12-26）
（上接60頁）
一列I T C車通過此區(qū)段的進(jìn)路，進(jìn)路正常排列，起
始信號(hào)機(jī)物理開放，I T C列車可以正常通過此區(qū)域，
進(jìn)路解鎖，此時(shí)，故障占用的區(qū)段變?yōu)檎鎸?shí)占用，
再次排列通過此區(qū)段的進(jìn)路，進(jìn)路起始信號(hào)機(jī)不能
開放。此項(xiàng)測試目的是檢查計(jì)軸區(qū)段受到干擾而非
真實(shí)占用時(shí)，C T C列車可以忽略這個(gè)干擾，一旦一
列I T C車通過一次后，該區(qū)段所在進(jìn)路無法再為后
續(xù)車排列。該測試只需要選取一個(gè)合適的位置執(zhí)行
即可。
16）CTC 車追蹤C(jī)TC 車
2 輛C T C 車以A T O 模式追蹤運(yùn)行，當(dāng)前車停
止，后車在距前車最短的安全閉塞位置自動(dòng)停車，
當(dāng)前車?yán)^續(xù)運(yùn)行，后車的人機(jī)界面顯示移動(dòng)授權(quán)漸
漸增加并開始自動(dòng)啟動(dòng)列車追隨，后車的速度基本
與前車速度一致；2 輛C T C 車以S M 模式追蹤運(yùn)
行，當(dāng)前車停止，后車在距前車非最短的安全閉塞
位置停車，前車退行，后車的人機(jī)界面顯示移動(dòng)授
權(quán)減小。用于檢查后車始終能夠以安全的閉塞距離，
以較小的間隔在C T C 下運(yùn)行。該測試只需在選取
的適當(dāng)位置執(zhí)行。
17）CTC 車追蹤ITC 車
用于檢查C T C 列車跟隨I T C 列車時(shí)，2 列車
之間至少間隔1 個(gè)物理計(jì)軸區(qū)段。
4 結(jié)束語
車地綜合動(dòng)態(tài)聯(lián)調(diào)，是在信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備和相關(guān)
聯(lián)設(shè)備完成獨(dú)立調(diào)試之后，由信號(hào)專業(yè)主導(dǎo)，其他
專業(yè)配合進(jìn)行，是對(duì)信號(hào)系統(tǒng)各子系統(tǒng)協(xié)同工作時(shí)
綜合能力系統(tǒng)性的驗(yàn)證，也為整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)和相關(guān)
聯(lián)設(shè)備用于載客開通運(yùn)營提供了保障。
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（收稿日期：2016-11-10）
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鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)(RSCE) 2017年4月

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