工频谐波对机车信号干扰问题分析

郑一帆，赵文杰，贺峰

中国铁路呼和浩特局集团公司，内蒙古自治区包头市，014040

摘要：受高速铁路建设规模的不断扩大的影响，电力机车、车站环境和电缆系统出呈现复杂性强的特点，工频谐波对机车信号的干扰也越来越大，如何准确识别干扰源，解决谐波干扰问题是当下交通运行的重点。本文以实际案例为参考，调查自干扰源，探讨故障类型，模拟各类测试环境，针对性提出解决方案，为减小工频谐波对机车信号的干扰问题提供参考。

关键词：轨道电路；供电电缆；机车信号；工频干扰

引言

谐波是对周期性交流量进行傅里叶级数分解，得到频率为基波频率大于1整数倍的分量，在电力机车运行过程中，工频谐波的出现会导致机车信号干扰，影响车辆的正常稳定运行。我国高速铁路建设所使用的电力机车通常为交——直——交，这种多重化单相PWM整流器的设备，可以在一定程度上降低总谐波电流量，但也会同步增加整流器的开关频率和高次谐波，所以综合来看，仍然会导致机车信号受到干扰。借助双傅里叶级数详细开展整流体交流测电压的分析，推导谐波电流解析式，可以得出谐波特性，对于解决谐波干扰问题有很好的帮助。近几年为解决谐波干扰问题，针对工频谐波产生的原理和特性进行多方面研究，具体分析谐波干扰问题产生的源头和干扰途径，明确谐波干扰带来的不良影响，之后才能借助管理系统改善牵引网的谐波，避免车辆的安全稳定运行受到影响采取不同解决方案。例如:设定专用车网系统抗干扰模型，研究系统阻抗频率，提升机车控制稳定性和精准性；另外，选择改变牵引网供电臂的长度是改变自身谐振点的方法之一；同时也可以针对不同滤波器的特点，研制车载混合滤波装置，降低谐波干扰。

1故障现象描述

此次分析涉及的案例为某高铁站，短期内此高铁站连续发生多次记载设备受谐波干扰，解出低频信息，对车辆的稳定运行造成极大影响。为尽快查找故障源头，明确干扰源，对地面及列车进行全面排查测试。

2故障测试与分析

此次故障测试与分析设计内容全面，包括自身排查、机载设备排查、供电电缆排查三个方面，最终确定干扰源来自谐波。

2.1自身干扰源排查

自身干扰源排查包括对轨道电路排查测试，经多次反复实验，确定在无车条件下轨道电路并未出现信号干扰问题，因此确定自身不存在干扰源。

2.2机载设备收码测试与分析

机载设备收码测试分析主要针对列车和地面进行。测试过程中要求轨道列车始终保持静止态，场内其他列车处于正常工作状态。为保证测试结果的准确性要求在车头接收器、电力电缆和轨道旁发送端恶流的变压器钢轨接线处的牵引电流做好监测。车头位置的测试距离保持在站台边缘的200m处，共放置三台波形记录仪，具体情况如图1。

图１测试位置示意

波形记录仪记录并上传的TCR信号，牵引回流谐波，电力电缆谐波三项内容供工作人员分析参考，此次实验采取对比分析的方法，确定是否存在谐波干扰问题，对比对象是无码时刻的数据，为确保数据准确性，选择了三个持续时间最长的数据为参考，具体情况如下:

(1)如图2所示，未收码状态下参考频谱分析明显可得出此时电力机车并未出现明显的轨道电路信号的结论。

图２无码车载ＴＣＲ接收电压频谱分析

(2)图3所示列车收码类型更改为l码后，按照从左至右的方向峰值出现了明显的波动，此时的低频分量为4mV，是1750HZ谐波的107mV的3.7%；按照图4所展示的波形情况来看，低频分量为7mV，此时为1750Hz谐波107mV的6.4%。

图３接收Ｌ码时车载TCR接收电压频谱分析

(左起三个峰值分别是1650、1700、1750Hz)

图４接收Ｌ码时车载TCR接收电压频谱分析

(左起三个峰值分别是1650、1700、1750Hz)

(3)列车收码类型为L2码时,车载TCR频谱分析图见图5,此时低频分量仅5mV,是1750Hz谐波107mV的4.7％。

图５接收Ｌ２码时TCR接收电压频谱分析

(左起三个峰值分别是1650、1700、1750Hz)

按照上述对比实验的结果来看，收码时刻明显测试到电力电缆存在谐波干扰问题，这种状态下站台的牵引电流以及轨道的电压和车头的接收电压谐波分量都出现明显上升，结合频谱数据的分析成果可得出轨道电路低频信号与工频牵引谐波分量信号相差较远的结论。综合测试结果确定此次车辆多次发生故障的根本原因在于列车受工频谐波干扰信号的影响，导致解码。干扰源则是站台下方的电力电缆接收了谐波耦合电流。

2.3供电电缆测试

上述测试结果和故障分析已经确定干扰信号与谐波有明确关联，因此要通过供电电缆测试确定具体的谐波干扰类型，对此进行了正馈线工作、PW线工作、以及两项均不工作的三种情形测试，测试时需设置铁路干扰监测仪，采集不同工作状态下电缆波形的变化情况，为确保测试结果准确性，在内部设置监测仪感应波形变化，测试情况如下:（1）仅正馈线工作状态下，车载信号受到干扰时，重桂线出现了明显的谐波含量变化，此时断电状态下和开关控制状态下的PW线谐波变化很小，几乎不造成干扰。（2）仅PW线工作状态，谐波电流变化不明显，最大电流为毫安级，且内部设置的车头感应线并未感受到谐波干扰，所以基本排除PW线是主要线缆的可能性。（3）在两条线路均不工作的状态下，内外部所接收的谐波含量均为零，也就是说在这种工作状态下，列车不可能出现解码错误的问题。同时由于TCR也并未感应到干扰信号，所以开关控制线也不存在影响车载接收的问题。因此综合三次测试结果可得出正馈线电缆是造成此次车辆频繁出现故障的主要线缆。但是需要注意的是，PW线虽然并未出现谐波分量，但由于存在微量电流，在特殊情况下也可能干扰车载信号的接收。

3解决方法

为解决此次车辆频繁受到谐波干扰的问题，提出以下三项解决方案:（1）结合现有工作条件确定电力电缆的处理方案，若工作条件适当可进行局部外移处理，若缺乏设备移设条件的，可进行屏蔽或者移除。（2）优化电力机车系统的解码逻辑。通过降低干扰信号识别灵敏度或者逻辑处理的方式，减少干扰信号带来的不良影响。（3）提高识别能力，不处理非低频信号。

结束语

综上所述，ZPW-2000A轨道电路经常受到谐波干扰，但干扰问题存在复杂多变性，影响因素多样，只有进行深入的理论分析和试验才能真正找准问题根源。为确定工频谐波对车辆信号带来的干扰，针对自身和线路进行测试，排除自身干扰，确定工频干扰故障位于站台电力电缆，明确正馈线是导致工频干扰的主要线缆，提出针对性解决方案。

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