地鐵信號系統計軸設備受擾分析與解決方案

楊榮兵 梁建彬 譚冠華 汪 崢

(1.成都地鐵運營有限公司,610081,成都; 2.中鐵二院工程集團有限責任公司,610036,成都)

自成都地鐵18號線場段開始接車以來,動車調試中存在以下三類因計軸設備受擾而導致的計軸區段異常占用情況:① 當車輛段運用庫內列車升降弓時,庫內相鄰計軸區段異常受擾占用;② 當列車通過正線分相區時,分相區相關計軸區段異常受擾占用;③ 在施工檢修期間,接觸網停送電時,正線聯鎖分界點所在計軸區段異常受擾占用。

鑒于此,建設單位組織相關各方共同開展受擾情況排查工作,借鑒其他制式的城市軌道交通項目經驗,對不同優化改進方案進行可行性研究。本文以成都地鐵18號線為例,針對各種異常受擾場景進行分析和測試試驗,并選擇合適的改進方案解決計軸設備受擾異常占用問題。本文研究可為其他城市軌道交通線路信號系統計軸區段受擾占用問題提供計軸區段抗干擾施工建設和運營維護的工程經驗。

1 車輛段運用庫計軸區段異常受擾占用

1.1 線路概況

成都地鐵18號線采用8節編組A型列車,牽引供電系統采用27.5 kV交流供電方式,信號系統采用TAZ II/S295+JC型計軸設備。該線路是集市域鐵路、遠郊快線與機場專線功能為一體的復合地鐵線路。

1.2 受擾現象

車輛段運用庫計軸受擾現象表現為:當運用庫內進行單車和多車升降弓時,列車停放位置前方或后方最近一個計軸磁頭受擾,導致列車所處區段或后方無車區段異常占用?，F場采集到的車輛段計軸磁頭受擾波形軟件截圖如圖1所示。

圖1 車輛段計軸磁頭受擾波形軟件截圖

1.3 受擾分析

通過現場核實,車輛段牽引供電方式示意圖如圖2所示。由牽引變電所輸出牽引電流,經接觸網、列車受電弓、列車、鋼軌及大地和回流電纜后返回牽引變電所。根據受擾現象的出現時機和現場采集的計軸磁頭受擾波形分析后可知,受擾原因為在列車進行升弓、合主斷過程中,由鋼軌上的牽引回流突變產生的電磁場超出了計軸系統對電磁場環境的閾值要求,進而對計軸磁頭產生了干擾,影響了計軸磁頭的正常工作。

圖2 車輛段牽引供電方式示意圖

1.4 調查測試及解決方案

根據受擾分析可知,車輛段運用庫計軸區段異常占用是由突變電磁場引起的,而根據計軸設備的設計標準,并不是所有干擾都會導致異常計數,而是當干擾超過計軸設備工作頻率的電磁場強度限值時,才會異常計數。由于受電弓升降是不可避免的操作,因此從降低干擾電磁場強度和隔離干擾的角度考慮,結合車輛段運用庫具有多股道并行的條件,可采用均流線和新型放大板(用于過濾干擾電流)兩種方案。

考慮運用庫停放列車位置的不同,受干擾異常的計軸區段包含A股道、B股道及庫前區段,因此選取列車停放在28A股道和28B股道進行升降弓操作,對以下各種情況進行試驗驗證,并采集相應的計軸設備數據,試驗驗證結果如表1所示。

表1 試驗驗證結果記錄表

針對采取庫前庫內側,庫中A、B股道側增加均流線,以及采用新型放大板增強防護能力臨時措施的不同情況,以表1的試驗結果為基礎,對車輛段計軸設備使用情況進行為期22 d的長期觀察。經分析可知:① 單獨使用新型放大板(庫前庫內側,庫中A、B股道側均不加均流線),仍存在計軸受擾占用的情況。② 僅在庫前庫內側增加均流線時(庫中A、B股道側沒有增加均流線),庫前計軸磁頭的關聯區段未出現區段受擾占用的情況;庫中A、B股道側出現了1次區段受擾占用的情況。庫中A、B股道側增加均流線后,未再出現區段受擾占用的情況。③ 庫內增加均流線,同時使用新型放大板后,庫前庫內側,庫中A、B股道側均未出現區段受擾輸出占用的現象。

庫前庫內側,庫中A、B股道側多種場景系統試驗結果表明:在計軸磁頭前后增加均流線,可以極大地降低計軸區段異常占用的概率;計軸系統使用新型放大板后,可以有效解決車輛段的計軸受擾問題。由于驗證試驗次數有限,試驗序號3～8中,由于存在受擾情況,雖然未出現異常占用,但不可排除上述均流線和新型放大板的安裝方案不會出現異常占用情況的發生。

基于以上試驗驗證結果,為有效解決此類計軸受擾問題,需在車輛段庫前庫內側、庫中A股道側、庫中B股道側增加均流線,同時使用新型放大板,以進一步提高計軸設備抗電磁干擾的性能。

2 列車通過分相區時的計軸區段異常受擾占用

2.1 受擾現象

對于27.5 kV交流牽引供電制式線路,為了實現接觸網供電的U、V、W相序隔離,接觸網需要設置分相區。根據TB/T 3197—2008《車載控制自動過分相系統技術條件》要求,分相區中間段需設置無電區。同時,根據鐵總科技[2014]172號《鐵路技術管理規程》要求,在交流供電區段接觸網電分相前方分別設置斷電標,列車通過分相區時需進行斷主斷、合主斷操作。

正線列車過分相區計軸受擾現象表現為:當列車通過分相區時,附近相鄰計軸區段出現異常受擾占用的情況,直接表現為瞬間出清后又轉為占用狀態。過分相區關聯計軸點受擾波形軟件截圖如圖3所示。

圖3 過分相區關聯計軸點受擾波形軟件截圖

2.2 受擾分析

分相區受擾現象的實質與車輛段受擾情況一致,當列車通過分相區時需要斷主斷,利用列車慣性滑行通過無電區域,然后進入下個供電分區,列車合主斷,類似于車輛段停放列車降弓、升弓操作。在此過程中,列車經過了停電、受電的過程,牽引回流存在突變并由此導致附近計軸磁頭出現異常受擾,相應計軸區段異常占用。

正線牽引供電方式示意圖如圖4所示,其回流方式除了鋼軌和大地回流外,還通過吸上線和回流線回流。

圖4 正線牽引供電方式示意圖

2.3 調查測試及解決方案

根據受擾分析可知,分相區計軸受擾現象同樣是由牽引回流突變引起的,解決該問題的方案有兩種:隔離干擾方案(方案1)和消除干擾或減弱干擾強度方案(方案2)。

針對方案1,采用新型放大板方式,過濾干擾電流,通過10 d的觀測,未再次發生計軸區段受擾占用情況,但觀測計軸磁頭波形時,仍可以看見受擾波形的存在。

針對方案2,由于正線不具備車輛段多股道條件,無法通過多股道安裝均流線的方式進行分流,但根據正線回流方式可知,其可通過回流線進行分流。經現場調查發現,分相區上下行區間各設置有一處吸上線,且上下行鋼軌通過軌連線連通,兩吸上線間隔約為2.7 km,因此建議分相區兩側增加吸上線試驗測試,結果表明,通過長達2個月的持續觀測,未觀測到受擾波形。

針對分相區計軸區段受擾占用現象,通過分析上述方案的測試結果可知:① 使用新型放大板可以有效解決列車過分相區計軸區段異常占用的情況,但不可完全隔離干擾脈沖;② 在分相區兩側增加吸上線可以有效解決計軸磁頭受擾的情況,解決了列車通過分相區時,計軸區段因計軸磁頭受擾而輸出異常占用的情況。

基于以上試驗驗證結果,采取在分相區處計軸磁頭兩側增加吸上線,并使用新型放大板的方案,可有效解決此類計軸受擾問題。同時,在后續線路信號系統設計中,應盡量避免在分相區布置計軸磁頭,以減少或規避類似情況發生。當無法避免在分相區布置計軸磁頭時,應合理考慮吸上線的設置間隔。

3 接觸網停送電時的計軸區段異常受擾占用

3.1 受擾現象

在接觸網停送電過程中,正線聯鎖區邊界相關計軸傳輸通道出現受擾現象,導致計軸區段輸出異常占用。接觸網停送電相關磁頭受擾波形軟件截圖如圖5所示。

圖5 接觸網停送電相關磁頭受擾波形軟件截圖

3.2 受擾分析

根據上述現象及受擾波形分析可能存在的影響因素,初步判斷為由于強弱電共地導致計軸傳輸通道受擾。經過排查發現,干擾信號傳輸的路徑主要有計軸電纜、強弱電接地扁鋼、鋼軌及回流線等,經討論后在工程現場對可能的干擾路徑進行調查分析,并開展可能干擾路徑的測試排查。

3.3 調查測試及驗證

為解決強弱電共地干擾問題,需確定具體干擾來源,并確定干擾源是否可以斷開共地而不影響接地電阻和等電位指標。

3.3.1 軌旁接地情況

現場對區間軌旁接地情況進行了調查,現場實際情況為:① 弱電側扁鋼與鋼軌約每500～600 mm連接一次;弱電扁鋼全線貫通,與設計規定的“應每隔一定距離斷開一次”的要求不符合。② 強電側扁鋼全線貫通,與鋼軌約每500～600 m連接一次。③ 上下行鋼軌相隔約500～600 m橫向連接一次,且靠近強電側鋼軌與預留的強電接地樁連接。④ 信號計軸電纜約1 km進行一次接續,并在接續盒處遠離室內一端進行單端接地,接到弱電側的扁鋼上。

分析現場接地情況可知,計軸設備在工作時會受到鋼軌牽引回流影響,同時還會受到由于計軸電纜、弱電側接地扁鋼、鋼軌和強電側接地扁鋼的共地影響。

3.3.2 接地電阻及電位差測試

為了解強弱電各處的接地電阻和電位差情況,進行了接地電阻及電位差測試,如表2所示。由表2可知:弱電接地扁鋼可與鋼軌斷開連接,不影響弱電系統接地電阻和等電位要求;計軸電纜屏蔽層不可與弱電接地扁鋼斷開連接,斷開后接地電阻和電位差過大,不滿足計軸電纜接地電阻和等電位要求。

表2 接地電阻及電位差測試

3.3.3 測試驗證

針對接觸網停送電時的計軸區段異常受擾占用現象,在現場計軸磁頭、計軸電纜和室內設備房等安裝設備處,進行了接觸網停送電過程測試,觀察區段的受擾占用情況?？紤]到強弱電共地關系,針對軌旁弱電扁鋼與鋼軌連接、斷開的不同情況進行了測試?？紤]到加強計軸區段的抗干擾能力,針對室內設備房將計軸通道防雷模塊接地線連接、斷開的不同情況進行了測試。對計軸防雷模塊參數進行優化,采用提高防護能力的新型防雷模塊進行測試。

測試結果表明:① 軌旁弱電扁鋼與鋼軌連接斷開后,測試過程沒有出現受擾異常占用的情況,故該措施可以有效降低計軸設備的受擾程度。② 通過將計軸通道防雷模塊接地斷開(拔掉防雷模塊),可以有效降低計軸區段的受擾程度。弱電扁鋼與鋼軌連接線斷開后,接地電阻仍滿足小于1 Ω的要求;弱電扁鋼與鋼軌的電位差小于1 V,滿足等電位的要求。③ 對計軸防雷模塊參數進行優化后的新型防雷模塊方案,可有效解決此類計軸區段的受擾問題。

3.4 解決方案

基于以上試驗驗證結果,可采取以下措施解決:① 優化現場接地方案,將弱電扁鋼與牽引回流通路(鋼軌)的連接斷開,同時將弱電扁鋼與車站地網相連,以確保接地電阻滿足設計要求;② 對于27.5 kV 交流牽引供電制式線路,不建議拆除防雷模塊,對于外部環境受擾通道存在的現狀,仍將計軸通道防雷模塊接地,并對計軸通道防雷模塊參數進行適應性優化。

4 結語

本文通過對車輛段、正線分相區及聯鎖區邊界等交流牽引區段信號系統計軸設備受擾現象進行分析,以及調查測試及驗證,確定了以下三個解決方案:

1) 采取在車輛段庫前庫內側,庫中A、B股道側增加均流線,并使用新型放大板的方案。

2) 采取在分相區兩側增加吸上線,降低吸上線之間的間隔,同時使用新型放大板的方案。

3) 優化系統接地方案,將弱電扁鋼與牽引回流通路(鋼軌)的連接斷開,同時將弱電扁鋼與車站地網相連,并將計軸通道的防雷模塊參數進行適應性優化。

通過上述方案可以有效解決城市軌道交通信號系統的計軸設備受擾問題,對類似交流牽引城市軌道交通信號系統計軸受擾問題具有一定的指導和借鑒作用。目前,該方案已在成都地鐵13號線、18號線、19號線及成都市域鐵路S3線獲得推廣及應用。后續線路可以結合本線特點采取以下措施:合理進行計軸設備的布置,盡量避免特殊使用場景;采用抗干擾高的設備,盡量隔離干擾;強弱電系統分離,避免串擾問題。