廖文凱，吳代坤，郭騰飛，劉明琰

（1.中鐵通軌道運營有限公司，浙江 溫州 325000；2.西門子信號有限公司，陜西 西安 710018；3.溫州人才有限公司，浙江 溫州 325000）

0 引言

隨著人民群眾出行需求日益增大，可供選擇的交通方式也越來越多。目前城市軌道交通工具以其污染少、噪聲小、不易造成交通堵塞等優(yōu)點而成為城市交通網(wǎng)必不可少的組成部分，而軌道交通信號設(shè)備也是城市軌道交通的重要組成部分［1］。

溫州市域鐵路S1線（簡稱S1線）為全國首家市域軌道交通，設(shè)計速度120 km/h，比普通地鐵系統(tǒng)的設(shè)計速度高，站間距離較大，通行速度更快。因動力要求選用了國家高鐵供電方式，即27.5 kV交流接觸網(wǎng)供電［2］。溫州軌道交通采用變電站—接觸網(wǎng)—受電弓—車輛設(shè)備—鋼軌—回流線回流的方式實現(xiàn)列車供電，相較地鐵或輕軌等方式，S1線的鋼軌回流與回流線回流有著更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 設(shè)備原理

溫州市域鐵路S1線采用TAZⅡS295型計軸設(shè)備，屬輪緣計軸傳感器。計軸傳感器由2個完全彼此獨立的磁感應(yīng)單元SⅠ和磁感應(yīng)單元SⅡ構(gòu)成，工作原理見圖1。當(dāng)行進列車的車輪靠近計軸傳感器單元時，傳感器的輸出電平會由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，由低電平向高電平跳變形成的脈沖信號即為1個計軸脈沖信號（見圖2）。當(dāng)車輪依次經(jīng)過2個相互獨立的磁感應(yīng)傳感器單元SⅠ和SⅡ時，計軸感知單元也會依次輸出2個計軸脈沖信號，脈沖信號在中間相互重疊。脈沖信號必須同時滿足如下2個條件才被認(rèn)為是有效的計軸信號：一是2個計軸脈沖信號必須有先后順序；二是2個計軸脈沖信號在中間必須有重疊區(qū)域。計軸脈沖信號只有符合上述2個條件，計軸系統(tǒng)才會計入或計出1個車軸。計軸系統(tǒng)依據(jù)2個脈沖信號的先后順序來判斷列車的行進方向。該計軸傳感器有2個工作頻點，分別是38 kHz和42 kHz。如果計軸傳感器所在的周圍環(huán)境存在38 kHz和42 kHz頻點附近的干擾磁場，干擾磁場就會對計軸傳感器產(chǎn)生影響，進而導(dǎo)致計軸錯誤，形成紅光帶現(xiàn)象［3］。

圖1 計軸傳感器工作原理

“7·23”甬溫線事故即因設(shè)備遭遇雷擊后造成紅光帶現(xiàn)象，在行車組織人員轉(zhuǎn)為人工控制后未確認(rèn)區(qū)段空閑，導(dǎo)致了事故的發(fā)生。可見一旦出現(xiàn)紅光帶故障后果必然十分嚴(yán)重，因此解決此類故障已成為非常重要的課題任務(wù)［4］。

2 S1線典型故障分析及處理方法

2.1 A0904計軸磁頭分析

列車運行時，牽引動車通過受電弓從接觸網(wǎng)受電，受電弓隨之前后上下移動，接觸網(wǎng)和受電弓之間的碰撞瞬間會出現(xiàn)短暫分離，形成空氣間隙。當(dāng)接觸網(wǎng)和受電弓之間電壓大于空氣間隙擊穿電壓時會產(chǎn)生空氣放電，稱為接觸網(wǎng)電弧。高壓大功率的弓網(wǎng)系統(tǒng)形成的空氣放電會產(chǎn)生非常豐富的電流諧波分量，電流諧波成分最后都會通過軌道回流［5］，對軌道上的設(shè)備產(chǎn)生干擾。同時，列車在運行過程中不斷加速減速，對于不同工況產(chǎn)生的電流，諧波比例和大小也會跟著發(fā)生變化，諧波電流最終會經(jīng)過車輪回流到軌道，信號設(shè)備計軸磁頭在鋼軌上的安裝位置見圖3。A0904磁頭運營期間波形示意見圖4。

圖3 A0904計軸磁頭平面布置

圖4 A0904計軸磁頭運營期間波形示意圖

由圖4可知，在無車通過的情況下，磁感應(yīng)單元SⅡ出現(xiàn)了明顯的異常波動，但由于SⅠ未出現(xiàn)波形變化，SⅡ的波動不滿足計軸器計軸條件，即此波形未能產(chǎn)生計軸紅光帶故障，被定義為計軸磁頭受擾。計軸磁頭在工作運行中會收到來自鋼軌回流的電信號干擾，導(dǎo)致出現(xiàn)異常電信號［6］。

假設(shè)：磁感應(yīng)單元SⅠ與SⅡ均同時受到來自鋼軌回流的電信號干擾，產(chǎn)生了高低電平變化，即滿足脈沖信號的產(chǎn)生要求，導(dǎo)致計軸器成功記錄1軸，進而區(qū)段顯示占用狀態(tài)，聯(lián)鎖設(shè)備給出紅光帶顯示。

為驗證此假設(shè)：采集A0904計軸磁頭故障發(fā)生時的波形數(shù)據(jù)進行分析。

當(dāng)A0904計軸磁頭的磁感應(yīng)單元SⅠ和SⅡ均受到干擾，低電平轉(zhuǎn)為高電平，電壓增長，且SⅠ和SⅡ受擾同時發(fā)生，導(dǎo)致出現(xiàn)疊加波形（見圖5），產(chǎn)生1個計軸脈沖信號，計軸器成功記錄1軸。進而區(qū)段顯示占用狀態(tài)，聯(lián)鎖設(shè)備給出紅光帶顯示。

圖5 A0904計軸磁頭故障波形示意圖

通過查詢并核對信號及車輛提供的后臺數(shù)據(jù)后，明確認(rèn)定磁感應(yīng)單元受到的高低電平變化為牽引回流導(dǎo)致。且列車在運行過程中不斷加速減速，產(chǎn)生的電流諧波比例和大小也會隨之發(fā)生變化，諧波電流最終都會經(jīng)過車輪回流到鋼軌，計軸脈沖導(dǎo)致設(shè)備錯誤計數(shù)，影響設(shè)備正常使用。A0904磁頭正處于站臺發(fā)車處，此時列車會投入較高的制動與牽引力完成停車與發(fā)車功能［7］。

在明確了干擾出處后進行如下嘗試：

（1）初步排除電纜阻抗較大、接電可能存在的問題，對接地問題進行整改，將計軸電纜鎧裝和鋁護套環(huán)接后引入分線柜接入接地端子，采用電纜加芯并聯(lián)方式進行優(yōu)化，測試結(jié)果未起作用；

（2）提高磁頭輸出線抗干擾能力，在室內(nèi)機柜、室外接盒內(nèi)對磁頭輸出線加裝高頻磁環(huán)，測試結(jié)果未起作用；

（3）將計軸電纜的接地引出線單獨接至設(shè)備房匯流排處，同時更換分線柜計軸的防雷單元，測試結(jié)果未起作用；

（4）計軸點進行倒邊測試，將安裝于左側(cè)鋼軌上的計軸磁頭倒邊至右側(cè)鋼軌，動車測試未起作用。

經(jīng)過多項測試和干擾途徑分析后，結(jié)合供電部門意見，最終決定以在計軸點增設(shè)鋼軌接地線的方式截流干擾分量向磁頭傳導(dǎo)，確保計軸設(shè)備正常運行（見圖6）。

圖6 牽引回流路徑

在A0904計軸磁頭前增加牽引回流地線，按線性電路中電勢從高到低的規(guī)律可知，在A0904計軸磁頭前增加牽引回流地線，此處電勢趨近于0，所以列車的牽引回流會優(yōu)先由此處回流而不經(jīng)過A0904磁頭處。

在距離A0904磁頭前就近接地端子處加裝回流地線并現(xiàn)場驗證，將鋼軌與貫通地線相連（非軌道電路區(qū)段不考慮道床漏流），由于貫通地線接入大地，地線所處電位勢趨近于0［8］，因此產(chǎn)生的大部分干擾分量都由貫通地線導(dǎo)入地面?，F(xiàn)場安裝情況見圖7。

圖7 回流地線現(xiàn)場安裝情況

2.2 A1405計軸磁頭分析

2019年6月以前，分相區(qū)因為單主所供電（溫州主所），實際未設(shè)置分相區(qū)。6月15日東段接觸網(wǎng)供電后，靈昆主所投入使用，分相區(qū)正式啟用，列車通過分相區(qū)設(shè)備自動斷合VCB操作，從而實現(xiàn)列車不降弓通過分相區(qū)。此時A1405計軸紅光帶故障明顯增加。A1405平面布置見圖8［9］。

圖8 A1405平面布置

下行A1405處磁頭由于分相區(qū)及自動斷合VCB裝置啟用后，受列車過分相合閘VCB時接觸網(wǎng)與列車供電系統(tǒng)接通，列車瞬時接入27.5 kV電壓，引發(fā)極強電信號擾頻，導(dǎo)致信號設(shè)備無法正常使用。結(jié)合A0904的成功經(jīng)驗，采取同樣增加回流地線措施，觀測后續(xù)狀態(tài)良好，無異常波形出現(xiàn)。

針對A0904與A1405增加回流地線證明，牽引回流地線措施能有效解決計軸磁頭因鋼軌牽引回流導(dǎo)致的磁頭受擾，糾正錯誤計數(shù)，控制紅光帶現(xiàn)象。

2.3 A1003計軸磁頭分析

以A0904與A1405為參考案例，針對故障頻發(fā)的A1003處前方加裝地線，用以抵御列車在進站過程中施加較大制動力時產(chǎn)生的牽引回流。在距離A1003磁頭前50 m處（就近接地端子處）加裝接地線并現(xiàn)場驗證，加裝示意見圖9。

圖9 A1003平面布置

增加地線后，A1003處故障不降反升，1個月內(nèi)A1003共計發(fā)生24次計軸受擾故障。過程中在A1003處架設(shè)示波器，從示波器采集到的曲線可見，A1003處干擾波形多為多脈沖干擾，其中均為首個脈沖造成干擾故障，干擾波形示意見圖10。

圖10 A1003計軸磁頭故障時干擾波形示意圖

調(diào)查發(fā)現(xiàn)：A1003受擾時上行T1010區(qū)段有車經(jīng)過，通過示波器觀察岔區(qū)A1005磁頭同時也存在干擾脈沖。據(jù)此分析，此時A1003所受干擾由上行通過道岔傳導(dǎo)而來（見圖11）。

圖11 A1003計軸磁頭干擾來源示意圖

判斷主要原因為圖中G點加裝地線后改變了此地電位，G點成為附近電位最低點，以致電流優(yōu)先到達G點，在岔區(qū)較多的車站里加裝接地線只能防止迎面干擾，卻增加了磁頭后方的干擾強度。

結(jié)合推斷，由于G點電位為附近最低，從而向上行引來了電磁干擾。修改G點位置，要求電位低于同處上線位置電位，即可解決由于同處電位差導(dǎo)致的對向電磁干擾現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場實際觀察，上行距A1003計軸磁頭處約120 m存在吸上線（鋼軌回流經(jīng)回流線返回牽引變電所的連接線），測量此處電位趨近于0，現(xiàn)場實踐調(diào)整接地線距離A1003磁頭前200 m處（就近接地端子處）觀察，1周內(nèi)A1003處未出現(xiàn)故障，但A1003依然存在大量干擾脈沖，此時脈沖形式多是單脈沖，且幅值不足以造成干擾故障。通過示波器捕捉到的造成A1003受擾脈沖均為單個幅值超限脈沖，或多脈沖只有首個脈沖幅值超限（見圖12）。

圖12 A1003計軸磁頭受擾脈沖波形示意圖

此現(xiàn)象由于均為單波峰脈沖，不滿足磁頭有效計軸條件，所以不會進行有效計軸，因此也不會導(dǎo)致列車紅光帶故障，但單波峰脈沖信號依舊存在，磁頭記錄到脈沖信號后仍然會將信號發(fā)送至室內(nèi)設(shè)備，由室內(nèi)設(shè)備判斷后再行取舍。長期性單波峰脈沖數(shù)據(jù)會加大設(shè)備運算量，對設(shè)備運行不利，從軟件上對單波峰脈沖數(shù)據(jù)進行篩選，從而減小設(shè)備運算量［10］。

A1003處更換了新型智能板卡后提升了計軸的抗干擾能力，后續(xù)觀察1個月內(nèi)A1003計軸點成功規(guī)避了多次干擾波形，在此期間也未發(fā)生干擾故障。觀察月內(nèi)雖有多次干擾脈沖，但幅值未超限或超限干擾被智能板卡成功過濾［11］。

3 結(jié)束語

市域鐵路在我國快速發(fā)展，溫州市域鐵路S1線作為全國率先使用27.5 kV交流接觸網(wǎng)供電，信號系統(tǒng)在此高頻電磁干擾情況下面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，提出在計軸點增設(shè)鋼軌接地線的方式論證鋼軌接地線截流干擾分量向磁頭傳導(dǎo)的有效性，并發(fā)現(xiàn)該方法在岔區(qū)存在局限性，通過對此局限性給予解釋和應(yīng)對措施，并對其局限性進行剖析，為軌道交通信號設(shè)備受電磁干擾提供了參考思路。