直流電力牽引中不平衡電流及諧波對(duì)地鐵信號(hào)系統(tǒng)的影響
| 車(chē)輛的電力牽引系統(tǒng)多采用軌道作為其回流線,與軌道電路利用同一對(duì)鋼軌傳輸電能和信息。盡管從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程技術(shù)(回流線、平衡棒、迷流網(wǎng)、軌旁選頻)等環(huán)節(jié)做了許多防范,然而,直流電力牽引對(duì)軌道電路信息是否具有干擾以及干擾機(jī)制尚無(wú)定論。上海軌道交通1、2、3號(hào)線均采用直流電力牽引方式,與我國(guó)電氣化鐵路的交流電力牽引有很大的不同。直流電力牽引對(duì)地鐵信號(hào)系統(tǒng)的電磁干擾研究作為一個(gè)新的課題,值得研究探討。 1 牽引供電方式 上海軌道交通的直流1500V牽引供電系統(tǒng)采用“浮空”供電方式(即正、負(fù)極均不接地)。圖1為地鐵牽引供電系統(tǒng)示意圖。其中,牽引變電所正極→接觸網(wǎng)(圖中線1)→車(chē)輛負(fù)載(圖中線2)→輪對(duì)→軌條→回流線(圖中線3)→牽引變電所負(fù)極(圖中線4),構(gòu)成供電系統(tǒng)主回流。另外,由于鋼軌直接敷設(shè)在整體道床中(整體道床中預(yù)制鋼筋組成排流網(wǎng)),鋼軌對(duì)地并非完全絕緣而形成迷流(圖中線5),經(jīng)迷流收集網(wǎng)和二極管回流到牽引變電所的負(fù)極,以減緩洞體和道床中鋼結(jié)構(gòu)骨架的電化腐蝕。  目前上海軌道交通牽引供電方式有兩種:①直接用高壓三相電網(wǎng)電壓,由牽引變電所6相牽引變壓器變壓,經(jīng)全波整流形成相對(duì)平滑、12脈波的1500V直流電壓;②由前、后各相移7.5°的2組6相牽引變壓器,并聯(lián)成12相電壓,再經(jīng)全波整流形成具有24脈波的1500V牽引電壓,給牽引接觸網(wǎng)供電。以后一種方式為例,12相全波整流24脈波的1500V“直流”電壓,經(jīng)計(jì)算其理想波形的脈動(dòng)系數(shù)僅為50/1500≈3.3%。應(yīng)該說(shuō),它對(duì)信息傳輸系統(tǒng)的影響很小。因此,研究電力牽引對(duì)軌道電路傳輸系統(tǒng)的影響,切入點(diǎn)應(yīng)該是在列車(chē)運(yùn)行期間,由于電源波動(dòng)、整流件換向、大負(fù)載變化、列車(chē)起動(dòng)或制動(dòng)、供電臂切換、車(chē)輛逆變[2]等產(chǎn)生的諧波的影響以及不平衡電流的影響。 2 牽引電流的諧波對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的影響 通過(guò)在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),當(dāng)全線僅一列試驗(yàn)車(chē)運(yùn)行時(shí),牽引電壓、電流隨列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)而有明顯變化。 從該圖中可以看出: 接觸網(wǎng)1500V“直流”電壓波動(dòng)范圍為1400~1800V,且時(shí)有突變; 列車(chē)制動(dòng)時(shí)逆變反饋電壓增幅近100V; 接觸網(wǎng)直流電流波動(dòng)范圍為0~1400A,與列車(chē)運(yùn)行關(guān)系密切。減速滑行不耗能,且時(shí)有逆變反饋電壓; 接觸網(wǎng)交流電流波動(dòng),峰峰值近100A,其諧波能量應(yīng)予以特別關(guān)注。 測(cè)試結(jié)果說(shuō)明,接觸網(wǎng)電壓、電流隨列車(chē)狀態(tài)而有明顯變化。它們產(chǎn)生的相對(duì)高能諧波成分可能會(huì)隨機(jī)地介入到地鐵信號(hào)傳輸系統(tǒng)的頻帶內(nèi)。 3 牽引電流不平衡對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的影響 兩側(cè)軌道阻抗的不平衡會(huì)造成牽引電流在兩軌條上流過(guò)不相等的電流值,從而在軌間形成不平衡電壓差ΔV=V左軌條-V右軌條。該電壓差和軌道電路信號(hào)疊加,其諧波極有可能干擾軌道電路信號(hào)的正常傳輸。 3.1 牽引電流不平衡系數(shù) 牽引電流不平衡示意圖如圖3所示。  牽引電流不平衡系數(shù)[3]  式中:IS1為第一根鋼軌中的牽引回流電流;IS2為第二根鋼軌中的牽引回流電流。 3.2 牽引電流不平衡對(duì)軌道電路影響測(cè)試 在現(xiàn)場(chǎng)按圖4所示對(duì)牽引電流不平衡進(jìn)行了測(cè)試。I棒的中心是牽引電流回流點(diǎn),選取A、B兩點(diǎn),來(lái)比較兩條鋼軌上的牽引電流。測(cè)試的電流波形如圖5所示。  根據(jù)前面分析,在直流電力牽引方式下,牽引電流的直流部分不會(huì)對(duì)信號(hào)造成干擾,所以只分析牽引電流的交流部分的不平衡系數(shù)。 由非正弦信號(hào)有效值的定義式:  根據(jù)前面分析,在直流電力牽引方式下,牽引電流的直流部分不會(huì)對(duì)信號(hào)造成干擾,所以只分析牽引電流的交流部分的不平衡系數(shù)。 由非正弦信號(hào)有效值的定義式:  測(cè)試中所得的牽引電流不平衡系數(shù)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值(5%[5])。因此從測(cè)試結(jié)果來(lái)看,軌道交通的牽引電流是符合要求的。 4 結(jié)語(yǔ) 直流電力牽引方式對(duì)地鐵信號(hào)系統(tǒng)的影響,主要來(lái)自其非理想直流中的交流成分所產(chǎn)生的諧波和牽引電流的不平衡。它產(chǎn)生的諧波成分,可能會(huì)隨機(jī)地介入到地鐵信號(hào)傳輸系統(tǒng)的頻帶內(nèi),對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的傳輸造成影響。它的交流成分也可產(chǎn)生牽引電流的不平衡,從而影響信號(hào)系統(tǒng)的傳輸。 對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)獲得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)諧波成分及牽引不平衡電流對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的影響都在允許的范圍內(nèi)。然而,測(cè)試過(guò)程中只使用了一列車(chē),這和實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)的情況是不同的。因此在實(shí)際運(yùn)營(yíng)環(huán)境下,直流電力牽引對(duì)信號(hào)傳輸系統(tǒng)會(huì)不會(huì)產(chǎn)生影響還有待進(jìn)一步研究。 |
