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电磁干扰对铁路信号的影响研究
摘要: 铁路系统的安全可靠运行关系国计民生。随着铁路电气化的迅猛发展，越来越多的精密高技术含量的电子设备在铁路系统中得到应用，而由于铁路覆盖面广、用电设备比较多，造成其电磁环境非常复杂，而精密仪器设备往往对电磁干扰信号大都比较敏感，因此，必须采取措施消除电磁干扰信号对铁路控制信号的影响，提高铁路电气系统运行的可靠性，避免事故的发生。本文主要对铁路主要的电磁干扰信号进行了分析和研究，对铁路系统的抗干扰工作有一定的借鉴意义。 关键词：电磁干扰，牵引供电系统，电磁辐射
The influence of electromagnetic interference of the railway signal research
Ren Chunhua
（China railway group six innings, electricity engineering co., LTD，Beijing 100071)
Keywords:Electromagnetic interference, the traction power supply system, the electromagnetic radiation
Abstract: railway system safe and reliable operation of the relationship between national economy and people's livelihood. With the rapid development of railway electrification, more and more high precision technology of electronic equipment has been applied in the railway system, and the railway coverage, electricity equipment is more, cause its electromagnetic environment is very complex, and most precise instrument often to electromagnetic interference signal is sensitive, therefore, must take measures to eliminate the influence of electromagnetic interference signals to control the railway, improve the reliability of railway electrical system operation, to avoid accidents. This article mainly discusses the major railway electromagnetic interference signals are analyzed and the research of anti-jamming of the railway system work has certain reference significance.
一 概述。
铁路信号设备广泛存在于各铁路站点、机车和铁路沿线，铁路信号正常是保证铁路系统安全运行的基本保障。而近年来，铁路沿线电缆烧毁现象时有发生，给铁路运营造成了巨大的经济损失。由于整个信号控制回路的保护措施完备，本身信号不可能造成线路过载烧毁。因此，事故的发生往往由外部干扰信号造成，除雷击外，电力系统干扰、谐波干扰、地电位上升、电力机车内部电力电子器件之间的互相干扰以及系统中的强电磁场都会对信号系统造成影响。而随着铁路运行速度的提高，信号故障可能造成的损失越来越大，如2011年温州动车组追尾事故则是由雷击浪涌，造成设备损坏，信号误判，导致事故发生。因此，加大对铁路信号电磁干扰的研究力度，从而解决信号干扰的影响就显得非常重要。本文主要对雷击和铁路牵引供电系统对信号电缆的电磁干扰问题进行了讨论。[1]
二 铁路系统中的雷电电磁干扰。
雷电蕴含着巨大的能量，具有极大地破坏性。通常雷击分为直击雷、感应雷和球形雷三种形式。由于球形雷十分短暂，而且很少发生，研究相当困难。因此我们主要对直击雷和感应雷进行研究。
1.直击雷。直击雷通常直接对被保护物放电，其破坏性巨大，危害性极大，很容易造成信息系统电子设备的损坏。避雷针在一定程度上可以减小雷击的损害，但为了更好的对系统进行保护，往往使建筑形成法拉第笼结构，即令建筑结构中的梁、板、柱以及钢筋等建筑中的所有钢结构焊成一体，形成等电位连接。利用建筑内部的钢筋作为避雷器引下线，直接将雷击引入大地。
2.感应雷。感应雷没有直接作用在被保护物上，但是剧烈放电产生的强电磁场在线路或其他导体回路产生了强大的电磁脉冲信号，会直接造成回路中信号设备的损坏。尤其由于铁路系统覆盖范围广，相当一部分设备直接暴露在外部环境中，一旦导体发生过电流，就会有强大的感应电动势在与其相连的信号设备中产生，导致人员伤亡和设备损坏。为了应对感应雷的破坏我们通常采用更换耐压强的设备或者在设备附近采用增加避雷线等措施。
总起来讲，铁路的防雷措施主要有：（1）建筑结构采用法拉第笼结构，对建筑金属结构进行等电位连接，对各种不同作用的地线进行等电位处理；（2）计算机通讯网络线原理建筑物立柱或横梁，以避免电磁干扰；（3）进入建筑物电源线和通讯线的终端设备的前端应加装瞬态过电压保护器。[2]
三 牵引供电系统对铁路信号的电磁干扰。
1.牵引供电系统对铁路信号的干扰方式
（1）牵引传导性干扰。牵引传导性干扰是铁路轨道电气回路的主要干扰方式，其主要是由牵引电流不平衡造成的。在我国铁路信号系统中，列车的占用状况都是通过轨道电路检测的，因此列车的牵引回流和轨道电路共用相同的载体。铁路信号系统的信号设备往往经过扼流变压器连到铁轨上。理想状态下，与两个铁轨分别相连的扼流变压器两个线圈匝数相等，牵引电流产生的磁通量方向相反，大小相等，总磁通量为零，牵引电流对信号设备不造成影响。但是由于钢轨本身阻抗大小、对地泄漏以及扼流变压器线圈对称度的影响，造成两条轨道上的牵引电流不平衡，从而产生不平衡电压，造成轨道电子设备损坏或信号失真。通常牵引电流不平衡系数要保持在5%以下。
（2）牵引电磁干扰。由于铁路沿线高负荷线路的电磁影响，信号电缆中会产生感应电压，对信号线中的信号传输造成影响，甚至有时可能导致信号线绝缘击穿，影响列车的安全运营。应用带屏蔽层的信号电缆并对屏蔽层接地，是解决信号线电磁干扰的有效措施。而接地又分为单端接地和双端接地，接地方式的不同对系统有着不同的影响。
（3）接地电位上升的影响。由于贯通地线和大地之间漏电导的存在，导致当地线中的电流漏入大地时会造成附近大地的电位升高，从而造成对应位置的电缆接地电位升高。当短路发生时往往会造成信号设备烧毁或者电气设备逻辑输出混乱，对信号系统的正常运行造成严重影响。[3]
2.牵引供电系统对铁路信号系统的影响分析。
（1）牵引供电系统对信号电缆干扰的分析。
当已知铁路各线路的电流大小时，单位长度信号电缆的感应电动势如下：
其中，Z为各线路和信号线之间的互阻抗，下标1为接触线，2为铁轨，3为回流线，4为正馈线，5为贯通地线，6为信号电缆。由于牵引供电系统中接触线、正馈线、回流线和信号电缆的互阻抗比较小，从而忽略不计，可得单位长度信号电缆的感应电动势如下：
（2）贯通地线电路的影响。。
当信号电缆相对于贯通地线电流输入点对称时，贯通地线电流注入点两边的信号电缆的感应电动势方向相反大小相等，信号电缆上的感应电动势为零。当信号电缆相对于贯通地线不对称时，信号电缆上有感应电动势存在，尤其当贯通地线位于信号电缆一端时，信号电缆的感应电动势是最大的。我们对感应电动势最大的情况进行分析，干扰电流在电缆上产生的感应电动势为：
其中，ZS为干扰线路和信号电缆间的互阻抗，IPt为第i个接近段内信号和干扰回路的水平距离，IS为干扰电流，S为电缆的综合屏蔽系数。
正常情况下，按照规定，接触网正常运行时，通讯线中产生的感应电动势不能大于60V。而贯通地线中的电流和电缆外皮电流都会影响芯线的纵向感应电动势。而其中信号电缆外皮中的微小电流变化都可能在电缆中形成比较大的感应电动势。其中，2千米信号电缆受影响程度负荷标准，而15千米信号电缆产生的总的感应电动势已经不符合标准了。另外，按照规定，当接触网发生故障时，要求通信线中的反应电动势应小于430伏。接触网故障一般有断线和短路故障两种。当断线时，电场耦合被电缆外皮屏蔽，因此不予讨论。而在短路故障发生时，2千米和15千米电缆产生的感应电动势已经全部超出相关规定，对信号造成影响。
（3）信号电缆屏蔽层接地方式的影响。
当屏蔽层单端接地时，在外部干扰源的作用下有电动势在电缆上产生，由于屏蔽层中电流为零，电缆中的感应电动势无法抵消，因此，单端接地只能抑制电场的干扰，而不能消除磁场对线路的影响。当电缆屏蔽层双端接地时，在外部干扰源作用下感应电动势产生的同时，屏蔽层中有感应电流产生，同时，在电缆上产生相反的感应电动势，与干扰源电流电场相互抑制，起到抑制磁场干扰的作用。
然而需要注意的是，电缆单端接地时，雷电流或过电压波在电缆中传输时，会在屏蔽层不接地端产生瞬态高冲击电压，当系统发生短路时，在屏蔽层不接地端会产生感应高电压，因此应在不接地端加装过电压保护器，防止电压过高，造成绝缘击穿，对系统造成损坏。而双端接地发生短路故障时，可能会在屏蔽层中产生大的感应电流，一方面会对信号传输造成影响，另外可能感应电流过大造成电缆外皮烧毁。此外，当电缆中信号为电压信号时，屏蔽层中的感应电流会严重影响电压信号的准确度，电缆中感应电压过高甚至会造成设备端口的直接损坏，因此，模拟量信号应选用单端接地的方式，为避免现场复杂环境的影响，接地应选择室内端。
（4）地电位上升对信号电缆的影响。
贯通地线与大地漏电导的存在，造成周围大地的电位升高。假设电流I流入大地的点电极为O，距离O点任一点P的电位为：
其中，I为电极的对地输入电流，σ为大地的导电率，x为O点到P点的距离。大地电位上升和土壤电阻率以及距离电流流入点的距离相关，土壤电阻率越大，与点电流入地点距离越近，电位升越明显。从而得出电阻率越小大地的分流能力越强，相同条件下电压变化越小。接触网短路故障对地电位的影响和点电极在原理上是一样的。只是铁轨回流到贯通地线入地是通过线接触，而不是点接触，因此地电位的影响小于点电极。对于铁路系统，贯通地线上的电流分为列车正常运行时的电流和雷击电流或操作过电压的故障电流两种，其中列车正常运行的电流对贯通地线影响最大且最为常见。钢轨泄漏入地的电流一部分流入大地，剩余在贯通地线流动，因此贯通地线主要电流为铁轨的漏电流。[4]
3.降低干扰影响的措施。
（1）保证牵引网中的正馈线和接触线对信号电缆保持对称。
（2）尽量降低贯通地线的接地电阻，保证接地连续可靠。
（3）信号电缆的铺设应尽量远离贯通地线。
（4）信号电缆应选择绝缘等级高的产品。
（5）要消除电缆的感应电动势，则应采用电缆屏蔽层单端接地。
（6）电缆屏蔽层必须两端接地时，应保证暂态过电流屏蔽层不易烧毁。
四结论
铁路信号中的电磁干扰问题是铁路系统建设和维护中的重要问题，只有保证可靠稳定的信号传输系统才有铁路系统的正常运行。本文通过对铁路信号的电磁干扰问题的分析讨论，提出了几点干扰解决措施。同时作为铁路系统的工程技术人员，我们应当对铁路信号的电磁干扰问题进行更加细致深入的研究，提出更加行之有效的抑制措施，从而进一步提高铁路系统运行的可靠性。
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].中国髙新技术企业,2012(19): 19-21.
[2]马智芳.电气化牵引电流对信号轨道电路的干扰及防护措施[J].铁路通信信号工程技术,2004(3): 17-19.
[3]李制军.浅议电气化铁路牵引供电对铁路信号设备的影响[J].西铁科技,2009(1):5-6.
[4]姜贺彬.牵引供电系统对铁路信号系统的电磁干扰分析[D].两南交通人学,2009.
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