地磁暴对轨道电路的影响探究

摘要

轨道电路是铁路信号系统重要的组成部分，系统的核心器件由微电子电路构成，属于弱电范畴，容易受到外部电磁干扰的影响。地磁暴是一种极端的空间灾害性天气，一旦发生，将引起地球磁场的剧烈扰动，地表面产生感应电势(ESP,EarthSurface Potentials)。ESP、钢轨和大地三者构成回路，就产生了地磁感应电流(GIC，Geomagnetically Induced Current)。如果地磁暴侵害轨道电路，GIC就会威胁轨道电路的正常运行状态。
　　本文对地磁暴产生的机理进行探索，描述地磁暴侵害轨道电路中主要电气设备:扼流变压器及轨道继电器的物理过程，并分析了GIC对扼流变压器和轨道变压器特性造成的影响。采用25Hz相敏轨道电路受电端等效模型和扼流变压器等效电路，根据实际参数对轨道继电器端电压进行计算，当非线性励磁电感从2.3Ω下降到0.2Ω时，继电器的轨道线圈端电压下降41％，很可能造成继电器动接点落下。给出了ESP的计算方法，利用Matlab软件按照GIC在轨道电路中的流通路径进行GIC数值计算;利用PSCAD软件分析了GIC流入扼流变压器中对其励磁电流造成的影响。文中建立了一送一受整个轨道电路四端网络模型，对网络中无GIC时各电气节点的电压、电流参数进行计算，并采用理论计算对钢轨中有流通的GIC与轨道继电器误动作之间的关系进行了分析。
　　利用Maxwell软件对扼流变压器的电磁特性进行仿真，给出了其励磁电流、二次侧感应电压、磁链等一系列电磁特性图，结果表明:2.5A以上的不对称GIC将使扼流变压器严重直流偏磁，造成轨道继电器端电压下降并误动作。借助Maxwell软件对轨道继电器的端电压、损耗情况、前接点压力进行仿真，结果表明:在调整状态下，1.5A以上的不对称GIC足以使轨道继电器由吸起状态误动为落下状态，对轨道电路造成干扰。本文以新型常用WXJ25型相敏轨道电路接收器为例，分析了地磁暴通过GIC对轨道电路信号传输状态的影响。计算结果表明，如果轨道电路中存在GIC，就可能导致WXJ25型相敏轨道电路接收器驱动轨道继电器发生错误动作，继而影响整个铁路系统的安全运行，这是需要高度重视的新问题。
　　最后本文给出了轨道电路受电端Simulink仿真模型来分析轨道继电器的端电压波形，并介绍了轨道电路中GIC抑制的几种方法，分析了各种方法的优劣性，来削弱和警示地磁暴对轨道电路的影响。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 选题背景和研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要内容

2 轨道电路及其地磁暴影响

2．1 轨道电路的作用及组成

2．1．1 扼流变压器

2．1．2 轨道变压器

2．1．3 25Hz电源

2．1．4 防护盒

2．1．5 轨道继电器

2．2 地磁暴和GIC产生的机理

2．3 GIC影响轨道电路的机理

2．4 GIC对变压器特性影响的宏观分析

2．4．1 GIC引发变压器直流偏磁的机理

2．4．2 GIC对扼流变压器的影响

2．4．3 GIC对轨道变压器的影响

2．5 ESP对轨道继电器特性影响的宏观分析

2．6 本章小结

3 GIC对轨道电路的效应探究

3．1 GIC对轨道电路受电端效应计算

3．1．1 受电端扼流变压器的等效电路

3．1．2 GIC对轨道继电器的效应分析

3．2 ESP和GIC大小计算

3．3 GIC对扼流变压器的效应仿真

3．4 本章小结

4 GIC对扼流变压器的电磁特性影响仿真

4．1 扼流变压器主要技术参数

4．2 模型仿真求解

4．3 本章小结

5 GIC对轨道继电器的电磁特性影响研究

5．1 轨道继电器的电气特性

5．2 地磁暴侵害轨道继电器的机理

5．3 不存在GIC的轨道电路各节点的电气参数计算

5．4 GIC干扰下的轨道继电器两端电压变化

5．5 GIC对轨道继电器的效应仿真计算

5．6 GIC对新型WXJ25型微电子相敏轨道电路的影响

5．6．1 不受地磁暴影响的轨道电路信号传输

5．6．2 地磁暴侵入后的轨道电路信号传输

5．7 本章小结

6 GIC的抑制

6．1 串联电容

6．2 注入反向直流电流

6．3 加开气隙

6．4 电阻限流法

6．5 其他

6．6 本章小结

7 结论和展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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