宋东海

（中铁电气化局京沪高铁维管公司，北京 100055）

1 铁路牵引供电系统和信号系统介绍

铁路牵引供电系统为机车提供稳定、可靠的能源，包括牵引变电所和接触网两部分，前者主要起到电源的变换和分配作用，后者随轨道架设，实际是为机车提供电能的一种特殊供电架空线路[1]。图1为牵引供电系统的结构示意图，此种方式为全并联自耦变压器（Auto Transformer，AT） 供电模式。

图1 牵引供电系统的结构示意图

铁路信号系统的主要功能是指挥机车安全可靠地在轨道线路上运行，一般包括车站联锁部分、行车调度控制部分（Centralized Traffic Control，CTC）、列车运行控制部分（China Train Control System，CTCS） 和区间闭塞部分。前3 项一般在室内布置，区间闭塞部分的大量采集端随轨道在室外布置，此部分是为了确保行车安全而将列车正在运行的线路区段进行信号封闭，以实时显示某一轨道信号区间的机车占用状态，保证机车不会出现追尾或正面冲突情况[2]。图2 为轨道电路电气原理图。

图2 轨道电路电气原理图

2 牵引供电系统和信号系统的电流分布

从图1 和图2 可以看出，牵引供电系统与信号系统的共用设备部分为轨道和扼流变压器。

牵引供电系统正常运行时，机车通过接触网取得电能，通过钢轨和扼流变压器，经保护线（Protection Wire，PW） 流回牵引变电所。从图2轨道电路电气原理图可知，牵引供电回流为I1，I2，I3和I4，为工频或工频的整数倍。在理想情况下，两钢轨中的牵引电流分别经扼流变压器、牵引线圈，再经PW 线流回牵引变电所[3]。当左、右钢轨的牵引线圈匝数相等时，牵引电流在扼流变压器左、右轨的牵引线圈中产生的磁通量相等，方向相反，所以牵引电流在扼流变压器中造成的总磁通量为零，信号线圈上感应电势为零，信号线圈处不会产生信号。但是在实际运行中，左、右钢轨的电流是不平衡的，因此信号线圈上会产生干扰信号，此种情况客观存在，可以通过各种手段进行消除或屏蔽。

信号系统在正常运行时是通过信号发生器、信号接收器、扼流变压器和钢轨形成一个完整的信号回路。信号发生器实时不间断发出异频25 Hz 的电源信号，通过钢轨和扼流变压器进行信号传导。若有机车占用轨道则使得信号接收器被旁路，从而无法正常接收到此信号，此种状态显示为轨道占用的红光状态；若没有机车占用轨道则信号接收器正常接收此信号，状态显示为轨道未被占用的白光状态，图3 为轨道电路红光和白光状态的电路示意图。

图3 轨道电路红光和白光状态的电路示意图

3 故障情况和分析

在铁路运营过程中经常出现牵引供电系统接触网在某一区段出现雷击跳闸故障的情况，同时此区段的信号系统显示轨道状态为红光状态，但在运行图上确认此区段此时间无任何机车存在，所以此轨道的红光状态信号应为误报、故障或出现了干扰。表1 为某高铁某局管内2012—2020 年牵引供电雷击跳闸和信号异常红光统计结果，可以看出，雷击导致的牵引供电跳闸数与信号异常红光数呈现出一定的正比例的关联性。受采样时间和样本数量的限制，数据时高时低，但总体来看，信号异常红光数占牵引供电跳闸数的比例在12%左右。

表1 2012—2020 年雷击致牵引供电跳闸和异常红光情况

雷电的本质为大量同种电荷的集合体，称之为雷电云，在它覆盖地表附近的各类物体尤其是导体时会感应形成大量的与雷电云相反的电荷集合，且这种感应电荷的积聚能力随着与雷电云的距离减小而急剧提升[4]。当雷电云距离地面越来越近即将放电的一瞬间，导体上的感应电压也达到最大值[5]，电压和电荷数值的计算公式如下。

式中：Vc为雷击发生后高电压地区与大地之间的瞬时电压，V；Ve为发生闪击的一瞬间局部高电压地区与大地之间的电压，V；R为局部高电压地区对地等效电阻，Ω；C为局部高电压地区对地等效电容，F；t为雷击延续的时间，s；Q为局部高电压地区积累的电荷量，C。

由公式（1） 计算得知，高速铁路高架结构处形成的局部地区的感应高电压、接触网对地电压的最高极限可达100~200 kV，钢轨线路对地电压最高限可达40~60 kV[6]。

式中：W为放电能量，W；C为总电容量，F；U为雷击时雷击影响的导体对地的最大电位差，V；C1和C2为雷击时钢轨对地绝缘击穿时的等效电容量，F。

由公式（2） 计算得知，雷击时，若钢轨对地绝缘击穿，对地等效电容电阻比较大，这样形成的局部高电压会释放电能量，局部可达108~1010J，此数量级的能量足以维持并有可能破坏绝缘，从而形成稳定的接地通道[7]。

正常运行时钢轨对地绝缘电阻值≥100 MΩ，正常牵引供电回流和信号电量都不足以达到钢轨的对地绝缘的最低限值，但雷击时钢轨对地电压较高，有可能击穿钢轨，从而造成钢轨信号回路错误地显示红光，第117页图4 为信号系统钢轨击穿导致红光电路图。此外，雷击时间段内，接触网对地电压也较高，也有可能造成接触网绝缘击穿引发跳闸故障[8]。

图4 信号系统钢轨击穿导致红光电路图

综上所述，接触网雷击跳闸的同时信号系统显示红光，这两个事件只具有时间上的偶合，并无直接的因果关系，只是由雷电这个公共的原因所导致。此外，牵引供电系统接触网由于更靠近雷电云以及绝缘裕度远低于等高的供电线水平，因此发生故障的概率远高于信号系统的钢轨对地绝缘击穿故障。二者同时发生的机率虽然较低，但是存在。

4 应对措施和建议

信号系统的防雷设计实际上主要集中于信号楼以及连接各部件的信号电缆上，各个终端和钢轨由于大小和所处位置不易受到直击雷的侵扰，因此针对其的防护是极其薄弱的。针对偶发性的感应雷影响，由于概率极低，因此综合考虑后没有进行防护，从而造成了这种偶发的红光现象。

针对上述结论，可以采取以下措施来降低信号系统因感应雷造成瞬时红光的影响。

1） 提高钢轨对地的绝缘强度。由公式（1） 可知，感应雷对钢轨造成的感应电压为40~60 kV，而正常的绝缘强度在均匀电场强度下空气击穿数值为30 kV/cm，因此提高钢轨的绝缘强度较容易实现。

2） 在钢轨信号区间装设防雷模块。防雷模块具有高电压导通、低电压高阻的性能，因此可以有效地限制雷击感应电压对钢轨主绝缘的破坏，实践中可以与措施1 配合使用，以提高可靠性。

3） 对于红光信号增设一个延时判据。由于自然界的雷击发生时限都是微秒级，因此感应雷的持续时间远小于此时间。若钢轨发生感应雷绝缘击穿，那么信号接收器被旁路的时间，即红光的时间也是微秒级，而正常机车占用导致钢轨红光的时间是大于秒级的，因此可以在信号系统中加一个毫秒判据。大于毫秒判据为正常红光，正常显示；小于毫秒判据为感应雷影响，屏蔽此红光不显示。

5 结束语

铁路牵引供电系统和信号系统属于两个不同的专业，两个专业的技术人员分别在自己的领域进行了深入的研究和探索，但对于二者结合部的管理存在明显的疏漏。当结合部出现故障时，若己方设备检查运行工况正常，都侧重于相信是对方设备对自己的设备造成了影响，那么无法得到故障的真正原因。鉴于此，针对任何专业涉及结合部的故障还需要不同专业的人联合共同分析，并需要技术人员在日常工作中进行创新性的研究。