牵引回流不平衡对高速铁路信号系统的影响

山东农业大学学报(自然科学版),2019,50(5):861-864
VOL.50NO.52019Journal of Shandong Agricultural University (Natural Science Edition )doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2019.05.027
数字优先出版:2019-10-31
牵引回流不平衡对高速铁路信号系统的影响
喻喜平
武汉铁路职业技术学院,湖北武汉430205
摘要:本文首先对高铁牵引供电系统、高铁信号系统、电力机车牵引传动系统等相关概念或工作原理进行阐述，据此再通过实际检测的方法对牵引回流不平衡对高速铁路信号系统的影响进行探讨，通过检测结果发现由于谐波频率的不断提升，遭受谐波干扰影响将随之减小，却还一直会存在。

在当前，我国高速铁路牵引回流中的谐波还是会对高铁信号设备有着非常明显的影响。

关键词:牵引回流不平衡;铁路信号系统
中图法分类号:U284.93文献标识码:A 文章编号:1000-2324(2019)05-0861-04
Effect of the Unbalanced Traction Return on a Signal System of High-speed Railway
YU Xi-ping
Wuhan Railway Vocational College of Technology,Wuhan 430205,China
Abstract:Firstly,the paper elaborated the related concepts or working principles of high-speed railway traction power supply system,high-speed railway signal system and electric locomotive traction drive system,and then discussed the influence of unbalanced traction return on high-speed railway signal system through actual detection method.Through the test results,it was found that the unbalanced traction return affected the high-speed railway signal system.As the harmonic frequency increases,the influence of harmonic interference would decrease,but it would still exist.At present,the harmonics in the traction return of high-speed railway in China will have a very obvious impact on the high-speed railway signal equipment.
Keywords:Unbalanced traction return;railway signal system
1
高铁牵引供电系统与信号系统概述1.1高铁牵引供电系统
就是把外部有关电力系统的电源输送进变电所，再经过该变电所的变压器，将外部输送进来的电源转变为与电力机车正常运行所需要的电压，以便于使得电力机车正常工作得到保障，它的最核心所在就是牵引变电所与接触网（俗称外部电源）[1]。

1.2高铁信号系统
高铁信号系统是普通铁路信号系统优化升级版，该系统属于一种多种技术的集合体，比如集调度集中、车站信号、微机监测以及区间自动闭塞等于一体的系统。

其主要功能是使高速列车行驶安全性得到保障，它遵守故障-安全最基本原则，寓意倘若存在无法达到安全条件的状况下，高铁信息系统就一定会发出停车信号[1]。

2电力机车牵引传动系统
电力机车牵引传动系统由多个设备构成，比如牵引电机、牵引变压器与逆变器、以及脉冲整流器等几部分构成[2]。

其工作原理：牵引供电系统使用的单相交流电（25KV,50Hz ），而对列车牵引电动机进行供电源的却是能够调节的三相交流，且列车在正常运行过程，由于它本身还要接触电弓升起与外部电源，从外部电源中所获取电流属于单相交流电，此交流电的电压为25KV 、频率为50Hz ，再输送至牵引逆变器与脉冲整流器，以此就可获得能够控制的三相交流电，其交流电压与频率分别为0~2300V 与0~220Hz ，将这些可控三相交流电输送至异步牵引电动机之后，由此高速列车产生了收稿日期:2018-09-23修回日期:2018-10-08
作者简介:喻喜平(1968-),女,硕士,副教授,研究方向:城市轨道交通通信信号技术.E-mail:yuxiping1968@
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足够的动能，从而促进高速列车正常行驶，高速列车牵引功率与运行阻力、最高时速、质量以及剩余的加速度均有着非常密切的关系[2]。

3牵引回流不平衡对高铁信号系统的影响
3.1牵引回流形成不平衡情况
由相关方面文献可知，牵引回流分两部输出，一部分流入大地，另一部分则传输至变电所，而移频信号的传递将受到部分经钢轨传输回变电所的牵引回流的干扰与影响[3]。

此种移频信号均是立足于载频的根基之上再对低频信号进行叠加而形成的，此处载频以4类频率为主，其分别为2600Hz、2300Hz、2000Hz、1700Hz，其低频信号和代码序号详见表1。

表1低频信号与码序对照表
Table1Comparison between low-frequency signals and code orders
序号No.123456789
信息名称L5码L4码L3码L2码L码LU码LU2码U码U2S码频率/Hz21.49923.50110.29812.52011.40213.59915.80116.79820.198
序号No.101112131415161718
信息名称U2码UUS码UU码HB码HU码H码载频切换占用检查L6码(预留)频率/Hz14.69719.0118.0024.59926.79828.99725.69827.99722.401轨道电路信息相关定义：L6码、L5码、L4码、L3码、L2码、L码分别代表运行前方8个、7个、6个、5个、4个、3个以上封闭分区空闲。

LU码、LU2码、U码分别表示运行前方2个、2个、1个封闭分区空闲。

U2S码、U2码表示要求高速列车在规定速度内行驶，预先通知高速列车行驶的前方封闭分区分别为UUS码与UU码。

UUS码：对于那些未有货车运输的铁路客运线，此码就对此高速列车的速度进行了相应的规定（岔侧向的速度为80km/h），要求其一定要在规定的速度内驾驶，表示高速列车接近的地面信号机开放经过18号道岔侧方向处进路；对于那些不但有客车经过，而且有时还会有货车经过的客运专线，此码也将对此高速列车的速度进行了相应的规定（岔侧向的速度为80km/h），表示高速列车接近的地面信号机开放经过18号道岔侧方向处进路，同时次一架信号机经过超过18号以上道岔侧向处或者经道岔直向进路。

UU码：要求高速列车在相应规定的速度内行驶，表示高速列车接近的地面信号机开放经道岔侧向处进路。

HB码：表示高速列车接近进站或者接车进路信号机开放机指引相关信号，或者利用该信号机对容许信号进行展现；HU码与H码分别要求高速列车及时与马上停止行驶的方法[3]。

即倘若牵引回流被空心线圈与扼流变压器接收时，所形成的差动信号，倘若在低频信号上面进行叠加时，轨道电路传递的码序将会发生变动，如此一来就会对高速列车行驶安全产生较大的影响，对移频信号形成的较大影响的作用的牵引回流，就是被学界称作不平衡牵引回流。

3.2高铁信号系统受不平衡牵引回流影响
在理想情况下，当不平衡牵引回流经过两支钢轨应划分为共模电流，这两支牵引回流大小一样。

当其同时流经扼流跨截止钢轨绝缘时，在线圈上就会出现相对流通。

倘若不平衡牵引回流经过空心线圈或者扼流变压器再次进入钢轨时，出入流口的电流因为第一次变压器线圈与第二次线圈匝数相同，那么线圈中的磁通量就会存在相互抵消而不会产生变化，这时的轨道电路移频信号就将不会受不平衡牵引回流影响。

可是在高速列车行驶实践过程中，牵引回流中由于它本身还存在谐波的这个事实。

由相关文献可知空心线圈（或者扼流变压）中的一二次线圈的匝数并不定会相等方面因素事实存在性[4]，这就会引起流经空心线圈（或扼流变压器）两支牵引回流强弱不同，这种强弱不同的牵引回流就体现在空心线圈或者扼流变压器上，从而便形成了差模电流。

因为轨道电路相关设备能够接收差模电流形成的磁通量，从而一个移频影响信号将被感应，以高铁站内一体化移频轨道电路作为案例。

由于客观事实存在性，笔者把一个牵引回流不平衡的常数概念设定为K，把其看作对牵引回流产生干扰的全部因素的累积总和，再参考不平衡牵引回流形成的原理可以得到右边表达式：K=(I S1-I S2)/I S×100%，在该式中，K值要尽量不超过5%，倘若大于5%就很有可能对移频轨道电路信号产生影响，I S表示牵引电流，I S1与I S2分别表示两支钢轨之上的牵引电流。

第5期喻喜平:牵引回流不平衡对高速铁路信号系统的影响·863·4关于幅值与谐波实测4.1实测方法
笔者在实测现场运用磁场环天线(Hz-10型)与频谱检测议（RSA3308B)对牵引回流谐波进行实际检测，第一步就是对高速列车行驶所产生的噪音进行检测，第二步才正式检测流经钢轨之上的牵引回流中的谐波幅值与含量，具体检测过程：在高铁线路旁，一侧离钢轨大约0.01m 处摆放着磁场天线(Hz-10型)，此磁场天线应环绕与地面平行，却不能与地面发生相连。

倘若高速列车驶过此钢轨时，与磁场天线进行相连接的频普检测议（RSA3308B)就能获取对电流产生的磁场强度。

再经过磁场强度，笔者就能推算出这里干扰电流值大小，磁场强度的单位是用dB （pT )表示。

)
()()()()()()(
)]([)(4223410212201012015200111d r i r i H B H B B lpT B g pT dB B B ++===-==-πππμ在上（4）式中，i 代表将会产生一定影响的电流，r 代表两者之间距，即测试地点与高速列车经过的钢轨之间最近距离，B 代表对磁场形成影响感应程度。

把（4）式代入（3）式中，此外，还将r =0.20m 与d =1.433m 放入其中，就能够得到右式：)(.52010090-⨯=B i
(5)
4.2测试结果分析通过上文分析，笔者运用磁场环天线(Hz-10型)与频谱检测议
（RSA3308B)取得钢轨上牵引回流对磁场产生影响的强度，而且
通过（5）式计算出影响电流强弱的大小，笔者再描绘出电流值
与磁感应强度示意图对其进行对比，就可以取得干扰电流程度与
磁场率发生变化两者的相互关系。

详细操作如下：为了使得测试
结果准确性与可靠性，经过检测数次，检测方式是采取开灯情况
下的站间自动封闭。

站间无列车开通时，详见图1。

经过图2对比可知，在站间有高速列车行驶时，磁场天线感
应到磁场强度大致提高了70dB 。

这就反应了磁场的增强重点还是由于牵引回流所导致影响电流的形成，倘若高速列车从正方向行驶经过钢轨时所取得轨道对电流产生影响的峰值分别为4.798A （50Hz)、0.801A(300Hz)、0.449A(600Hz)，当高速列车反向行驶经过时所得到的轨道干扰电流峰值分别为5.402A(50Hz)、0.898A(300Hz)、0.449A(600Hz)，其频率也均为50Hz 。

倘若牵引车回流频率提高时，轨道的干扰电流将回落。

图2实测磁感应强度与干扰电流值Fig.2Magnetic induction intensity and interference current from actual measurement
4.3测试结果分析
笔者总共检测3次，由于篇幅与时间关系就没有再把第2、第3次检测方法经过在本文进行详细描述，通过三次检测结果可知，倘若高速列车从正方向行驶经过时，所检测到电流的幅值所形成的频率为50Hz 、300Hz 、600Hz 位置处，在50Hz 的位置处将出现最高干扰幅值为6.39A ，而其余处均不会超过1.1A 。

图1背景噪音Fig.1Background noise (1)高速列车正向行驶时的磁感应强度Magnetic induction intensity when a high-speed train was moving forward (2)高速列车正向行驶干扰电流值Interference current when a high-speed train was moving forward (3)高速列车反向行驶时的磁感应强度Magnetic induction intensity when a high-speed train was moving backward (4)高速列车反向行驶干扰电流值
Interference current when a high-speed train was moving backward
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可以通过运用Allometricl 模型进行拟合，获取干扰电流的变化。

倘若影响频率高于500Hz ，那么这种影响电流就完全有可能发生过冲与震荡[6]。

笔者将频率为3000Hz 内的影响电流的谱波成分，站间有列车开通时见表2。

表2牵引电流各次谐波分布Table 2Harmonic wave distribution of traction current 次数Times 频率/Hz Frequency 百分率/%Percentage 次数Times 频率/Hz Frequency 百分率/%Percentage 次数Times 频率/Hz Frequency 百分率/%Percentage 15097.29157500.7394723500.07952509.7412211000.11295628000.06711550 1.6383216000.0946030000.049
从表2可取得，由于谐波频率的不断提升，遭受谐波干扰影响将随之减小，却还一直会存在，在当前，我国高速铁路牵引回流中的谐波还是会对高铁信号设备有着非常明显的影响。

参考文献
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将10基杆塔之间的9个走廊区段的前6个（区段1~区段6）选为训练集，后3个（区段7~区段9）选为测试集。

为对本文方法的分类结果进行评价，所有的点云数据均需要人工进行标记类别标签。

分类结果如图1和表2所示。

试验结果表明，该方法可以有效区分地面、植物、建筑物、杆塔和电力线5类线路走廊地物LiDAR 点云数据，分类整体精度达到96.63%。

表2分类准确度Table 2Classification accuracy 方法类型Method
整体精度Total accuracy 区域7区域8区域9本文方法95.97%96.63%95.49%
4结论
基于高程特征、连通特征、张量特征和平面特征，本文通过定义不同的点云领域划分方式和领域尺度，构建的无人机LiDAR 点云数据多尺度分类特征向量可以有效用于输电线路走廊地物的分类计算。

本文提出的基于多尺度分类特征向量的输电线路无人机LiDAR 点云数据分类方法可以有效对地面、植物、建筑物、杆塔和电力线5种地物进行分类，分类总体精度达到96.63%，分类结果可以用于输电线路走廊三维建模。

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