基于温州市域铁路S1线计轴红光带分析与研究
时间：2023-01-16 20:00:09 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
廖文凯，吴代坤，郭腾飞，刘明琰
（1.中铁通轨道运营有限公司，浙江 温州 325000；
2.西门子信号有限公司，陕西 西安 710018；
3.温州人才有限公司，浙江 温州 325000）
随着人民群众出行需求日益增大，可供选择的交通方式也越来越多。目前城市轨道交通工具以其污染少、噪声小、不易造成交通堵塞等优点而成为城市交通网必不可少的组成部分，而轨道交通信号设备也是城市轨道交通的重要组成部分［1］。
温州市域铁路S1线（简称S1线）为全国首家市域轨道交通，设计速度120 km/h，比普通地铁系统的设计速度高，站间距离较大，通行速度更快。因动力要求选用了国家高铁供电方式，即27.5 kV交流接触网供电［2］。温州轨道交通采用变电站—接触网—受电弓—车辆设备—钢轨—回流线回流的方式实现列车供电，相较地铁或轻轨等方式，S1线的钢轨回流与回流线回流有着更大的技术挑战。
温州市域铁路S1线采用TAZⅡS295型计轴设备，属轮缘计轴传感器。计轴传感器由2个完全彼此独立的磁感应单元SⅠ和磁感应单元SⅡ构成，工作原理见图1。当行进列车的车轮靠近计轴传感器单元时，传感器的输出电平会由低电平转变为高电平，由低电平向高电平跳变形成的脉冲信号即为1个计轴脉冲信号（见图2）。当车轮依次经过2个相互独立的磁感应传感器单元SⅠ和SⅡ时，计轴感知单元也会依次输出2个计轴脉冲信号，脉冲信号在中间相互重叠。脉冲信号必须同时满足如下2个条件才被认为是有效的计轴信号：一是2个计轴脉冲信号必须有先后顺序；
二是2个计轴脉冲信号在中间必须有重叠区域。计轴脉冲信号只有符合上述2个条件，计轴系统才会计入或计出1个车轴。计轴系统依据2个脉冲信号的先后顺序来判断列车的行进方向。该计轴传感器有2个工作频点，分别是38 kHz和42 kHz。如果计轴传感器所在的周围环境存在38 kHz和42 kHz频点附近的干扰磁场，干扰磁场就会对计轴传感器产生影响，进而导致计轴错误，形成红光带现象［3］。
图1 计轴传感器工作原理
“7·23”甬温线事故即因设备遭遇雷击后造成红光带现象，在行车组织人员转为人工控制后未确认区段空闲，导致了事故的发生。可见一旦出现红光带故障后果必然十分严重，因此解决此类故障已成为非常重要的课题任务［4］。
2.1 A0904计轴磁头分析
列车运行时，牵引动车通过受电弓从接触网受电，受电弓随之前后上下移动，接触网和受电弓之间的碰撞瞬间会出现短暂分离，形成空气间隙。当接触网和受电弓之间电压大于空气间隙击穿电压时会产生空气放电，称为接触网电弧。高压大功率的弓网系统形成的空气放电会产生非常丰富的电流谐波分量，电流谐波成分最后都会通过轨道回流［5］，对轨道上的设备产生干扰。同时，列车在运行过程中不断加速减速，对于不同工况产生的电流，谐波比例和大小也会跟着发生变化，谐波电流最终会经过车轮回流到轨道，信号设备计轴磁头在钢轨上的安装位置见图3。A0904磁头运营期间波形示意见图4。
图3 A0904计轴磁头平面布置
图4 A0904计轴磁头运营期间波形示意图
由图4可知，在无车通过的情况下，磁感应单元SⅡ出现了明显的异常波动，但由于SⅠ未出现波形变化，SⅡ的波动不满足计轴器计轴条件，即此波形未能产生计轴红光带故障，被定义为计轴磁头受扰。计轴磁头在工作运行中会收到来自钢轨回流的电信号干扰，导致出现异常电信号［6］。
假设：磁感应单元SⅠ与SⅡ均同时受到来自钢轨回流的电信号干扰，产生了高低电平变化，即满足脉冲信号的产生要求，导致计轴器成功记录1轴，进而区段显示占用状态，联锁设备给出红光带显示。
为验证此假设：采集A0904计轴磁头故障发生时的波形数据进行分析。
当A0904计轴磁头的磁感应单元SⅠ和SⅡ均受到干扰，低电平转为高电平，电压增长，且SⅠ和SⅡ受扰同时发生，导致出现叠加波形（见图5），产生1个计轴脉冲信号，计轴器成功记录1轴。进而区段显示占用状态，联锁设备给出红光带显示。
图5 A0904计轴磁头故障波形示意图
通过查询并核对信号及车辆提供的后台数据后，明确认定磁感应单元受到的高低电平变化为牵引回流导致。且列车在运行过程中不断加速减速，产生的电流谐波比例和大小也会随之发生变化，谐波电流最终都会经过车轮回流到钢轨，计轴脉冲导致设备错误计数，影响设备正常使用。A0904磁头正处于站台发车处，此时列车会投入较高的制动与牵引力完成停车与发车功能［7］。
在明确了干扰出处后进行如下尝试：
（1）初步排除电缆阻抗较大、接电可能存在的问题，对接地问题进行整改，将计轴电缆铠装和铝护套环接后引入分线柜接入接地端子，采用电缆加芯并联方式进行优化，测试结果未起作用；
（2）提高磁头输出线抗干扰能力，在室内机柜、室外接盒内对磁头输出线加装高频磁环，测试结果未起作用；
（3）将计轴电缆的接地引出线单独接至设备房汇流排处，同时更换分线柜计轴的防雷单元，测试结果未起作用；
（4）计轴点进行倒边测试，将安装于左侧钢轨上的计轴磁头倒边至右侧钢轨，动车测试未起作用。
经过多项测试和干扰途径分析后，结合供电部门意见，最终决定以在计轴点增设钢轨接地线的方式截流干扰分量向磁头传导，确保计轴设备正常运行（见图6）。
图6 牵引回流路径
在A0904计轴磁头前增加牵引回流地线，按线性电路中电势从高到低的规律可知，在A0904计轴磁头前增加牵引回流地线，此处电势趋近于0，所以列车的牵引回流会优先由此处回流而不经过A0904磁头处。
在距离A0904磁头前就近接地端子处加装回流地线并现场验证，将钢轨与贯通地线相连（非轨道电路区段不考虑道床漏流），由于贯通地线接入大地，地线所处电位势趋近于0［8］，因此产生的大部分干扰分量都由贯通地线导入地面。现场安装情况见图7。
图7 回流地线现场安装情况
2.2 A1405计轴磁头分析
2019年6月以前，分相区因为单主所供电（温州主所），实际未设置分相区。6月15日东段接触网供电后，灵昆主所投入使用，分相区正式启用，列车通过分相区设备自动断合VCB操作，从而实现列车不降弓通过分相区。此时A1405计轴红光带故障明显增加。A1405平面布置见图8［9］。
图8 A1405平面布置
下行A1405处磁头由于分相区及自动断合VCB装置启用后，受列车过分相合闸VCB时接触网与列车供电系统接通，列车瞬时接入27.5 kV电压，引发极强电信号扰频，导致信号设备无法正常使用。结合A0904的成功经验，采取同样增加回流地线措施，观测后续状态良好，无异常波形出现。
针对A0904与A1405增加回流地线证明，牵引回流地线措施能有效解决计轴磁头因钢轨牵引回流导致的磁头受扰，纠正错误计数，控制红光带现象。
2.3 A1003计轴磁头分析
以A0904与A1405为参考案例，针对故障频发的A1003处前方加装地线，用以抵御列车在进站过程中施加较大制动力时产生的牵引回流。在距离A1003磁头前50 m处（就近接地端子处）加装接地线并现场验证，加装示意见图9。
图9 A1003平面布置
增加地线后，A1003处故障不降反升，1个月内A1003共计发生24次计轴受扰故障。过程中在A1003处架设示波器，从示波器采集到的曲线可见，A1003处干扰波形多为多脉冲干扰，其中均为首个脉冲造成干扰故障，干扰波形示意见图10。
图10 A1003计轴磁头故障时干扰波形示意图
调查发现：A1003受扰时上行T1010区段有车经过，通过示波器观察岔区A1005磁头同时也存在干扰脉冲。据此分析，此时A1003所受干扰由上行通过道岔传导而来（见图11）。
图11 A1003计轴磁头干扰来源示意图
判断主要原因为图中G点加装地线后改变了此地电位，G点成为附近电位最低点，以致电流优先到达G点，在岔区较多的车站里加装接地线只能防止迎面干扰，却增加了磁头后方的干扰强度。
结合推断，由于G点电位为附近最低，从而向上行引来了电磁干扰。修改G点位置，要求电位低于同处上线位置电位，即可解决由于同处电位差导致的对向电磁干扰现象。经现场实际观察，上行距A1003计轴磁头处约120 m存在吸上线（钢轨回流经回流线返回牵引变电所的连接线），测量此处电位趋近于0，现场实践调整接地线距离A1003磁头前200 m处（就近接地端子处）观察，1周内A1003处未出现故障，但A1003依然存在大量干扰脉冲，此时脉冲形式多是单脉冲，且幅值不足以造成干扰故障。通过示波器捕捉到的造成A1003受扰脉冲均为单个幅值超限脉冲，或多脉冲只有首个脉冲幅值超限（见图12）。
图12 A1003计轴磁头受扰脉冲波形示意图
此现象由于均为单波峰脉冲，不满足磁头有效计轴条件，所以不会进行有效计轴，因此也不会导致列车红光带故障，但单波峰脉冲信号依旧存在，磁头记录到脉冲信号后仍然会将信号发送至室内设备，由室内设备判断后再行取舍。长期性单波峰脉冲数据会加大设备运算量，对设备运行不利，从软件上对单波峰脉冲数据进行筛选，从而减小设备运算量［10］。
A1003处更换了新型智能板卡后提升了计轴的抗干扰能力，后续观察1个月内A1003计轴点成功规避了多次干扰波形，在此期间也未发生干扰故障。观察月内虽有多次干扰脉冲，但幅值未超限或超限干扰被智能板卡成功过滤［11］。
市域铁路在我国快速发展，温州市域铁路S1线作为全国率先使用27.5 kV交流接触网供电，信号系统在此高频电磁干扰情况下面临严峻挑战，提出在计轴点增设钢轨接地线的方式论证钢轨接地线截流干扰分量向磁头传导的有效性，并发现该方法在岔区存在局限性，通过对此局限性给予解释和应对措施，并对其局限性进行剖析，为轨道交通信号设备受电磁干扰提供了参考思路。
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