范婷霞 宗 偉 劉連光 蔣智化

范婷霞:華北電力大學(xué) (北京)電氣與電子工程學(xué)院 碩士研究生 102206 北京

蔣智化:華北電力大學(xué) (北京)電氣與電子工程學(xué)院 博士研究生 102206 北京

宗 偉:華北電力大學(xué) (北京)電氣與電子工程學(xué)院 教授102206 北京

劉連光:華北電力大學(xué) (北京)電氣與電子工程學(xué)院 教授102206 北京

磁暴是由太陽風(fēng)擾動與地球磁場相互作用而產(chǎn)生的，指太陽活動引起全球性地磁場劇烈擾動，又稱地磁暴，是災(zāi)害性空間天氣的地面效應(yīng)。空間天氣 (Space Weather，俗稱太陽風(fēng)暴)是上世紀90年代提出的新概念，指包括太陽耀斑、日冕、太陽風(fēng)、磁層、電離層和地球表面的空間狀態(tài)和物理條件。源自太陽活動的災(zāi)害性空間天氣 (空間電磁環(huán)境)，曾直接或間接地導(dǎo)致大量衛(wèi)星、通信、電網(wǎng)、鐵路系統(tǒng)的重大事故，磁暴電磁環(huán)境及其影響的研究已成為國家行為和國際行為。

磁暴來襲時，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知:時變磁場將在地面感應(yīng)出電場，形成地面感應(yīng)電勢(ESP)，并通過地面長距離導(dǎo)體 (鋼軌、輸電線路、石油管道等)與大地構(gòu)成的回路，產(chǎn)生地磁感應(yīng)電流 (GIC)，進而可能對地面技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾。GIC的峰值可以達到200A，頻率成分一般為0.1～0.001 Hz，對一般系統(tǒng)相當(dāng)于準直流。地磁場的水平變化率、大地電性結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和參數(shù)是GIC幅度的主要影響因素，并且隨著中低緯度地磁活動的減弱，大地和地面網(wǎng)絡(luò)特性對GIC的影響更為顯著。

我國大部分地區(qū)處于極光亞帶 (中緯度)，尤其是東北北部和新疆北部地區(qū)接近或進入極光帶(高緯度)，同時我國有廣泛分布的火成巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此存在發(fā)生較大規(guī)模GIC的潛在威脅?，F(xiàn)在關(guān)于GIC的研究大部分集中在電力系統(tǒng)和輸油管道上，而對鐵路設(shè)備的影響知之甚少，國內(nèi)這方面的研究工作還沒有起步。然而，在1989年和2000—2005年的強磁暴期間，中緯度的俄國北部和Gorky電氣化鐵路區(qū)段的一些信集閉系統(tǒng)操作被觀測到了許多異常。據(jù)有關(guān)2004年中緯度地區(qū)西伯利亞鐵路區(qū)段發(fā)生的2176次異常統(tǒng)計資料顯示，磁暴發(fā)生時這些異常出現(xiàn)的幾率是平時的5～7倍，通過用拋物線擬合這些列車的異常率N和磁暴的相關(guān)指數(shù)Kp、Ap和Dst(Kp是地磁暴警報指數(shù)、Ap是地磁暴預(yù)報指數(shù)、Dst是地磁活動指數(shù))，得到的相關(guān)系數(shù)K分別是0.85、0.95和0.97?？梢钥闯鰪娏业拇疟ㄟ^干擾信號和控制系統(tǒng)來影響鐵路的正常運行，鐵路系統(tǒng)所出現(xiàn)的異常現(xiàn)象與磁暴的干擾是密切相關(guān)的。

高速鐵路由于其速度高，同時也增加了其在自然環(huán)境災(zāi)害面前的脆弱性、高風(fēng)險性。高鐵軌道電路系統(tǒng)乃至整個高鐵信號系統(tǒng)電磁環(huán)境干擾是關(guān)系高鐵行車安全的重大問題，因此也是我國高鐵科學(xué)研究的前沿課題。

1 瑞典鐵路區(qū)段的異常及影響因素分析

在1982年、1989年以及2000—2005年的強磁暴期間，瑞典和俄國北部一些鐵路區(qū)段信號系統(tǒng)的異常主要表現(xiàn)在軌道電路上。由于軌道電路系統(tǒng)總體上屬于弱電系統(tǒng)，所以極易受到外部電磁干擾的影響。

有關(guān)1982年7月13—14日磁暴中太陽風(fēng)的數(shù)據(jù)由IMP8飛船和ACE飛船測得，地磁指數(shù)、地磁數(shù)據(jù)來自瑞典北部附近的3個地磁觀測站。此次磁暴在7月13日當(dāng)?shù)貢r間的午夜達到最大值，當(dāng)時地磁分量Bx下降到了－5000nT(Tesla—磁通密度單位)，△Bx達到了2500nT/min，△By大約700nT/min，Dst=－325nT，Ap=400。

在13—14日午夜的強磁暴期間，位于瑞典南部45 km處的鐵路段出現(xiàn)了一些異常:鐵路信號燈在沒有任何原因的情況下出現(xiàn)了紅色，一會又變回了綠色，隨后又變成了紅色，即在磁暴期間出現(xiàn)了“閃紅”現(xiàn)象。與此同時在延平城市的一個電站，保護設(shè)備被燒毀，而在其他電站，報警器開始鳴響，這些都是強磁暴干擾的原因。

分析該磁暴期間的異常在于感應(yīng)地電場對軌道繼電器產(chǎn)生了影響。在這次磁暴中，感應(yīng)地電場的值大約是4～5V/km，這就足以對軌道繼電器勵磁吸起的3～5 V電壓產(chǎn)生影響。磁暴期間，當(dāng)感應(yīng)電壓和電源電壓相反時，電源電壓被削弱，導(dǎo)致軌道繼電器失磁，信號燈閃現(xiàn)紅色，就好像有列車占用;當(dāng)感應(yīng)電壓和電源電壓相同時，信號燈恢復(fù)綠色，感應(yīng)電壓的波動就引起了“閃紅”現(xiàn)象。

2 俄國中緯度地區(qū)鐵路區(qū)段的異常及分析

有關(guān)俄國1989年和2000—2005年強磁暴的數(shù)據(jù)，主要來源于北部鐵路學(xué)報和信集閉實驗室總工程師的報告。

圖1中 (a)、(b)分別為1989年3月磁暴的Kp、Dst指數(shù)和2000年4月磁暴的Kp、Dst指數(shù)，水平坐標是在信集閉系統(tǒng)中觀測到異常的時間，用的都是世界時。

圖1 Kp和Dst指數(shù)圖

1989年3月14日 (當(dāng)?shù)貢r間0:45)開始在Gorky鐵路區(qū)段，發(fā)現(xiàn)大量有關(guān)軌道電路假鎖閉的故障，在Vladimir和Arzamasskaya鐵路區(qū)段，這種錯誤信號持續(xù)了幾分鐘，在其余的鐵路段3～4 h內(nèi)重復(fù)的出現(xiàn)異常。通過對Krasnoufimskoj段的檢測發(fā)現(xiàn)，在強磁暴干擾期間，軌道繼電器上的電壓由正常值 (大約25V)下降到6～9V，導(dǎo)致軌道繼電器失磁落下，同時在Lyangasov，Arxamasskaya和Krasnoufimskoj鐵路區(qū)段，機車信號設(shè)備都出現(xiàn)了異常。

2000年 4月 6—7日的晚上，在 Nyandoma-Obozerskaya區(qū)段的軌道電路電壓非常不穩(wěn)，信號燈非系統(tǒng)的、相繼的或者同時出現(xiàn)“閃紅”現(xiàn)象，鐵路異常現(xiàn)象就是發(fā)生在磁暴干擾最嚴重的1 h內(nèi)。

在俄國北部鐵路出現(xiàn)的異常案例中，磁暴的干擾只對電力牽引的區(qū)段有影響，因此分析干擾的原因之一可能是在強磁暴期間，快速的地磁變化在鋼軌上產(chǎn)生了感應(yīng)電場，進而又有感應(yīng)電流(GIC)的流入，由于鋼軌的不對稱性，加重了牽引電流的不平衡度，最終對軌道電路的扼流變壓器產(chǎn)生影響。

在電氣化鐵路的軌道電路中，扼流變壓器是強弱電的結(jié)合部分，它是溝通牽引電流回流的橋梁，同時又是軌道電路發(fā)送和接收信號電路的重要匹配設(shè)備。由于它的非線性特性，容易受到電氣化的干擾，從而引起接收端繼電器的誤動作，使軌道電路出現(xiàn)異常。在強磁暴發(fā)生時，由于瞬間GIC電流的注入以及不平衡牽引電流的產(chǎn)生，容易造成扼流變壓器的瞬間飽和，而且正負飽和度不一樣，比較常見的是半邊飽和，導(dǎo)致50 Hz牽引電流上疊加的25 Hz信號電流削弱，造成25 Hz信號在幾個周期內(nèi)的消失，使軌道繼電器上的電壓下降，引起繼電器的誤動作，從而關(guān)閉或不能開放信號，危及到行車安全和影響運輸效率。

3 磁暴影響鐵路系統(tǒng)機理的相關(guān)研究展望

磁暴災(zāi)害與雷電災(zāi)害一樣同屬于自然電磁環(huán)境干擾，但磁暴電磁環(huán)境對鐵路信號系統(tǒng)的安全影響并未明確，其研究尚處在初始階段。因為缺乏必要的試驗和實測數(shù)據(jù)來驗證，所以對磁暴干擾的準確物理過程和相關(guān)響應(yīng)設(shè)備還需要進一步的討論。為了獲得更多的結(jié)論，今后還需要對以下問題進行研究:①分析感應(yīng)電流在接觸網(wǎng)和軌道電路中是怎樣流動的;②計算對鐵路系統(tǒng)產(chǎn)生影響的感應(yīng)電勢(ESP)和地磁感應(yīng)電流 (GIC)的大小;③GIC相關(guān)干擾危險點的分析;④開發(fā)能夠用于鐵路系統(tǒng)上的GIC檢測裝置等。

對于現(xiàn)在快速發(fā)展的高鐵，磁暴還可能對其GSM-R無線通信系統(tǒng)造成影響。對GSM-R無線通信的影響源自太陽耀斑事件，其產(chǎn)生的X射線8 min左右到達地球，具有隨機性且影響難以準確預(yù)測、預(yù)報，這也是下一步需要研究的。對高鐵軌道電路信號系統(tǒng)的影響源自磁暴的電磁環(huán)境，及其產(chǎn)生的感應(yīng)電場，其影響通常在日冕物質(zhì)拋射(CME)和日冕事件發(fā)生之后3天內(nèi)，雖然有1～3天可供分析、評估，但由于太陽風(fēng)的能量、朝向和速度不斷變化，對鐵路軌道電路系統(tǒng)的影響程度同樣難以預(yù)測。盡管我國地處緯度 (磁緯)比上述國家低，在相同磁暴和大地構(gòu)造條件下，鐵路致災(zāi)的可能性較低，但我國高鐵與國外的不同，基本上都采用高架方式，軌道電路的電纜敷設(shè)在高架橋的電纜溝道內(nèi)，而不是地面的溝道，這種方式與磁暴電磁侵害模式的關(guān)系尚待研究。

4 結(jié)論

通過描述了1982年7月以及1989年和2000—2005年強磁暴期間，瑞典和俄國鐵路軌道電路所受影響的具體表現(xiàn)，得出了強磁暴和鐵路系統(tǒng)異常有著密切的關(guān)系，其異常主要表現(xiàn)在鐵路軌道電路及信號顯示上;并且分析了磁暴對軌道電路的可能影響因素，得出地面感應(yīng)電勢對軌道繼電器的影響和地磁感應(yīng)電流引起扼流變壓器的飽和，可能是產(chǎn)生干擾的原因所在;最后結(jié)合我國高鐵實際情況，闡述了磁暴對高鐵系統(tǒng)可能產(chǎn)生的影響。相信通過對地磁活動的記錄和預(yù)測，分析其對鐵路系統(tǒng)的影響，從而減少極端地磁風(fēng)暴對鐵路系統(tǒng)的危害是可能的。

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