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介绍一种电气化铁道通信防干扰的新方案

摘 要: 文章对于电气化铁道牵引接触网对沿线铁路通信线路的电磁干扰及防护进行了简要介绍, 重点介绍了一种技术更先进的新防护方案。

关键词: 电气化铁道; 铁路通信; 电磁干扰; 防护。
Abstract: This paper simply illustrated the electromagnetic interference by the touched-net of electrified railway in the railway communication system, and simply illustrated the way to against the electromagnetic interference. But the emphasis is on a new way with advanced technique to protect the railway communication system from the electromagnetic interference.
Key words: electrified railway; railway communication; electromagnetic interference; protect.
0引言
中国电气化铁道的建设速度越来越快, 各主要干线铁路都将改建成电力机车牵引。当电气化铁道牵引机车在线路上运行时, 其接触网周围将产生感应电磁场, 此电磁场必然对平行的通信线路产生电磁干扰, 在电缆芯线上感应出危险纵电势。一方面, 感应纵电势会产生横向杂音干扰, 影响了通信质量。另一方面, 感应纵电势太高可能会危害工作人员人身安全。
在新建电气化铁路和既有电气化铁路改造中, 铁路沿线的通信线路均采用了防护手段。以往主要采用音频绝缘变压器、 音频保安器、 中和变压器、 N型线圈等无源装置来防护沿线接触网的电磁干扰。 以来, 武嘉线、 京沪线、 沪杭线电气化改造采用了新型的有源降低系统。本文将介绍铁路通信有源降低系统的原理和应用, 并与既有的无源防护方式进行比较。
1 铁路牵引供电方式对沿线通信线路的影响
1.1 在10kV及35kV以上系统的三相输电线路中Ia+Ib+Ic=0, 对外产生的电磁场相互抵消, 对周围通信线路的电磁干扰很小。而接触网却是27.5kV的单相输电线路, 其输电是利用大地及钢轨作为回流路径进行输送的, 其回流路径在空间上是分散的, 回流线路与27.5kV接触网对通信线路的电磁干扰不能互相抵消。
更重要的方面, 27.5kV接触网与通信线路均是沿铁路平行布置的, 距离非常近, 因此27.5kV接触网是铁路通信线路较强的干扰源, 沿纵向产生感应电压, 也就是感应纵电势。
1.2接触网几种不同供电方式对铁路通信的电磁干扰
BT供电方式的原理是利用吸流变压器的一、 二次绕组之间的安匝平衡原理将流过轨道的牵引电流吸入负馈线中, 这样一来, 牵引电流主要流过架空线和负馈线, 仅剩下很小的部分流过轨道, 而且不流入大地。这就极大地减少了轨道周围的磁场, 从而使该磁场对邻近通信线路的电磁干扰大大减弱。可是, BT供电方式使供电系统的阻抗和电能损耗增大, 工程一次性投资较大, 维护费用增加, 机车经过时易产生火花等缺点, 现已基本被淘汰。
AT供电方式由正馈线、 负馈线、 保护线、 自耦变压器和轨道构成供电系统, 其利用自耦变压器公共绕组与串联绕组之间的安匝平衡原理将流过轨道的电流吸入到正馈线中, 牵引电流在轨道中产生的磁场大大减弱, 从而对邻近通信线路的电磁干扰大大减弱。当前, 这种供电方式仍在采用。
直接供电方式结构简单, 一次投资少, 运行故障几率少, 但对弱电设备电磁干扰大。
在工程实际中, 一般不便于从干扰源方面解决电磁干扰问题, 主要依靠铁路通信系统本身的防护设备进行防护。
2.几种传统防护方案介绍
2.1电气化区段通信电缆引入柜一般加装音频绝缘变压器。加装音频绝缘变压器后, 能够减少感应纵电势的影响, 因音频绝缘变压器的一二次侧之间没有电气联系, 加入线路后, 感应纵电势在此处被有效隔断, 使感应纵电势失去累加效应。另外, 音频绝缘变压器能够使局内设备与室外线路隔离, 当局内设备不平衡时不影响通信线路平衡度。
2.2电气化区段通信电缆引入柜加设音频保安器。当感应纵电势达到该保护装置的放电阀值时, 其开始放电, 从而限制危险过电压。
2.3当线对不多时, 受电气化铁路影响的通信线路可加装中和变压器。
中和变压器由变比1: 1的一个初级线圈和若干个次级线圈组成, 初级线圈串入通信线路领示线中, 次级线圈串入通信线路中。领示线两端接地, 次级线圈输出电压与通信线上感应纵电势方向相反, 大小相等, 相互抵消, 从而起到防护作用。
2.4加装杂音抑制线圈
音频杂音抑制线圈又称N型线圈, 由平衡度很高的二个线圈组成, 其纵向阻抗很高, 能有效减少纵向干扰电流, 而对横向话音电流阻抗很小, 从而减少了感应纵电势产生杂音的可能。
3.新的防护设备有源降低系统的开发与应用
3.1有源降低系统的原理
有源降低系统是专门为电气化区段减少牵引供电系统对通信电缆的电磁干扰, 改进通信质量而设计制造的。其由屏蔽变压器( 以下简称变压器) 、 跟踪控制放大器( 以下简称放大器) 、 感应纵电势自动追踪显示仪( 以下简称显示器) 和数据处理系统组成。
有源降低系统的工作原理简单概括为: 感应纵电势取样、 反向、 再抵消。具体来说就是用通信电缆一根芯线作为领示线, 将线路上感应的纵向电势取出, 经放大器反向放大后加于屏蔽变压器初级绕组侧。变压器次级绕组串接在电缆线路中, 这样变压器产生的次级绕组上的电压和线路感应的纵向电压, 大小相等, 相位相反, 从而抵消了电缆芯线上的感应纵电势, 而由此产生的的电磁干扰也将被大大减小。图1是有源降低系统的原理。

图1 有源降低系统的工作原理

3.2有源降低系统技术关键难点及解决
①感应纵电势的取样问题。一段通信电缆上感应纵电势如何取样是第一步, 取样必须准确才能保证反向后的抵消效果。以A站为参考点, 当电缆到达B站时, 从A到B的纵向电压是多少? 我们能够A端接地, 测量B端对地的电压, 也就是线路A点到B点的感应纵电势。取样时, 领士线A端接地, B端作为取样电路输入极, 取样电路另一极接地, 这样输入的电压信号就是A站到B站的感应纵电势, 表现为A与B之间的电压差。因取样是经过大地作为回路, 因此取样回路采用高阻抗输入, 才能减少A、 B之间地电位及线路上分压, 使A、 B两点的感应纵电势都加在取样回路上。同时要采用纯电阻电路, 以保证相位不偏移。这样采用高阻值纯电阻电路取样, 能够确保感应纵电势取样失真度最小。
②放大器动态响应足够大, 失真度低, 不产生移相。
放大器必须采用高保真放大器, 电压信号失真越少, 反向后的抵消效果越好, 同时放大器的输入与输出必须是同相位, 如果产生移相则不能与被抵消感应纵电势形成180°夹角, 而是成三角相量关系, 会减弱抵消效果, 严重时, 放大器输出电压信号与被抵消感应纵电势成叠加关系, 反而增大了感应纵电势。因此放大器必须选用高性能的放大器, 市场上, 一些进口品牌放大器能满足要求。
③变压器的结构及其制造问题。屏蔽变压器损耗应尽量低, 漏磁应尽量小, 磁通密度应工作在线性区。屏蔽变压器铁芯不宜采用传统的叠片式结构, 而采用卷铁芯, 以减少空载损耗及空载电流, 同时磁密设计合理, 使铁芯工作在线性区, 减少变压器二次侧输出电压信号的失真, 从而确保抵消效果。变压器线圈必须在专用的卷铁芯绕线设备上绕制, 确保其电气性能及机械性能优越。
④ 数据的监测、 显示、 存贮和传输。监测系统采用EN880型大屏幕无纸记录仪, 其能对感应纵电势及被抵消后的纵电势进行动态测量并显示。EN880无纸记录仪具有棒图、 数字、 曲线和混合显示等多种显示方式, 并具有U盘接口、 打印机接口、 RS485微机接口, 也可外接调制解调器经过电话线实现远距离数据通讯。其中RS485微机接口可将数据传送到值班室微机上, 可实现自动循检功能; 外接调制解调器可将数据传输到更远的中心站。图2是远程监控方案。

图2 远程监控

3.3有源降低系统实际应用
有源降低系统主要用于铁路通信长途电缆中的音频回线, 如4×4、 7×4、 12×4、 14×4、 19×4等; 亦可用于铁路通信地区电缆中的音频回线, 如20p、 50p、 100p、 200p、 1000p、 p等。
, 保定铁道变压器有限公司产品TTF-200应用于京沪电气化改造18套, 沪杭线3套。经现场测试, 当电力机车经过时, 感应纵电势逐步上升到最大值, 随着机车的远离, 感应纵电势又回到最低值, 在此过程中, 有源降低系统能确保将感应纵电势降低到原来的20％以下, 一般降低到原来的5％以下, 各个站感应纵电势大小不等, 时刻变化, 是动态过程, 抵消后的感应纵电势也是动态, 但始终是20％以下, 大多数情况为5％以下。现场人员也经过区间电话进行直观对比, 有源降低系统关闭后, 第当电力机车经过时, 电话杂音明显, 甚至不能通话, 开启有源降低系统后, 通电力机车时杂音很小, 感觉和平常没有区别。图3是有源降低系统实际应用方案。

图3 有源降低系统的应用

4.有源降低系统与传统防护系统的比较
4.1绝缘变压器对感应纵电势能够有效隔离, 而且体积小, 经济实用。其缺点是对一些要求经过直流电源的回路不能使用, 如通直流48V或24V。而有源降低系统能够经过直流48V或24V电源。
4.2电化引入综合柜中加装音频保安器 能够限制过电压, 缺点是只有达到其放电阀值时才会有保护作用, 低于阀值以下的感应纵电势, 其没有防护作用, 依然会影响通信质量。而有源降低系统是动态抵消感应纵电势, 无论大小, 都按比例抵消, 可全面提高通信质量。
4.3中和变压器原理与有源降低系统有类似地方, 其取样是直接领士线左右两站接地, 感应纵电势加在中和变压器一次侧, 缺点是取样信号失真多, 不如有源降低系统的高阻取样准确, 同时其没有感应纵电势的测试系统, 不能直观观察每一站的干扰情况。
4.4N型线圈能有效抑制纵向干扰, 而不影响正常的通信信号, 因其本身平衡度很高, 接入后可同时增加线路的平衡度。可是, 其只是增大纵向阻抗抑制了感应纵电势的影响, 并不能减少感应纵电势。
经过以上比较能够看出: 有源降低系统能够实时跟踪并动态抵消感应纵电势, 防护效果好, 而且在一些需通直流48V、 24V的回路中仍能够采用, 另外其配有智能化的监控装置, 能实时观测线路上的干扰情况, 能够集中监控。
5.结束语
对于电气化铁道对沿线通信线路的电磁干扰, 有源降低系统是一种更先进的防护手段, 相对于既有的无源防护方式, 其防护更全面, 效果更好, 干扰及抗干扰情况可测量、 记录, 并可在中心站控制室远程监控。在既有线电气化改造中, 可对既有通信电缆进行防护。在新建电气化线路中, 需要防护的区间电缆也可采用。

参考文献:
﹝1﹞铁道部通信信号总工司研究设计院．铁路工程设计手册,中国铁道出版社﹝J﹞,1994.
﹝2﹞米·伊·米哈伊洛夫．通信设备对外界电磁场影响的防护﹝J﹞, 人民邮电出版社, 1983.
﹝3﹞TB/T 2656- , 铁路中间站光电数字引入柜技术要求的规定.

本文作者:刘波峰.中铁电气化局集团保定铁道变压器有限公司,工程师,河北保定071051,电话:。