孙华平
（中铁重工有限公司 湖北武汉 430063）
摘要：磁暴自然灾害会对电网、通信等技术系统产生消极的影响，随着现代铁路规模的不断扩大，磁暴是否会对铁路抵押电气系统产生影响，影响的程度以及产生的后果等问题，由于直接关系到铁路的正常运行和人们的生命安全，所以逐渐受到社会关注，本文为对此类问题产生更加全面的认识，利用钢轨电网地磁感应电流的相关研究成果，对铁路低压电气系统磁暴干扰响应机制展开研究。
关键词：铁路；低压电气系统；磁暴干扰响应机制
前言：铁路低压电气系统在运行的过程中受电网地磁感应电流干扰的可能性较大，铁路钢轨在低压电气系统作用下感应出的电网地磁感应电流利用其与大地之间的蟹柳电阻会向大地扩散，但在注入点的位置会传向钢轨电位，与钢轨电位成和，当此处的钢轨电位达到一定程度后会对人或设备的安全构成威胁，通过对钢轨电网地磁感应电流的相关研究，可以对铁路低压电气系统磁暴干扰响应机制产生较全面的认识。
1.电网地磁感应电流作用下钢轨电位分析
我国相关研究成果表明，电网地磁感应电流作用下钢轨两端入地电网地磁感应电流的最大值在1.7912A左右，当各支路横向过渡电阻的取值为1欧的前提下，可以说电网地磁感应电流产生的最大钢轨电位在1.7912V左右，而电网地磁感应电流通过泄漏电阻向大地传输，所以其点位方向与期短流处钢轨电位在方向上一致，但回流点钢轨电位的方向却与其相反，导致机车取流点钢轨电位的峰值表现出上升的趋势，而钢轨电位的上升会使其危害性增加，将人类接触电压和跨步电压以及国际上钢轨电位安全标准相结合[1]。可以发现在铁路正常运行过程中的钢轨电位小于120V的情况下，接触电压的强度并不会使人体发生触电，换言之发生磁暴，铁路低压电气系统并不会对人体安全构成威胁；但通过设备性能分析可以发现，当钢轨电位在调谐单元内电子设备绝缘阈值以上的情况下，轨道电路信号系统会受到影响，所以不排除磁暴作用下铁路低压电气系统发生故障的可能。
2.铁路低压电气系统磁暴干扰响应机制
轨道的电路部分是铁路低压电气系统的主要构成，现阶段我国应用的铁路低压电气系统类型呈现出多样化的整体趋势，但其普遍由接收和发送端、轨道和扼流变压器、钢轨、接受继电器等结构构成，当发生磁暴后，磁暴感应的地面感应电势EPS对钢轨上正常存在的电感产生作用，此时会形成一定规模的电网地磁感应电流，形成的电流会顺着直流通道传递，所以在正常情况下电网地磁感应电流只会在钢轨中存在，但在钢轨绝缘节位置，电网地磁感应电流会在扼流变压器的作用下向大地传输，并形成较完整的回路，通常电网地磁感应电流通过公式 计算获取，L代表钢轨的长度，r代表单位长度电阻；S代表两端钢轨和大地产生的接触电阻；E代表地面电场和钢轨走向一致情况下的具体值[2]。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆现阶段针对电网地磁感应电流的相关研究发现，当电网地磁感应电流和牵引回流发生泄漏的前提下，会使钢轨电位峰值提升，使铁路电气化沿线的微弱电设备在与轨道连接的同时，发生发热、老化等问题，进而对轨道电路的正常运行产生影响，由于磁暴发生强度较大的情况下，铁路钢轨电流的最大值在5A左右，受其不平衡的影响，可以确定其产生的不平衡电流在2.25A左右，结合现阶段对磁暴每公里产生的感应电压的相关研究结果，进行以下分析：
受电网地磁感应电流准直流特点的影响，当其流过扼流变压器的规模达到一定标准的情况下会使扼流变压器极性偏移、半周期饱和，这是扼流变压器直流偏磁机理，将基本励磁曲线的静态模型和扼流变压器相结合，可以实现扼流变压器的电网地磁感应电流仿真、电网地磁感应电流侵扰扼流变压器的仿真以及非线性励磁电感子系统的仿真，通过将电流值分别为0、0.25、1.5、2.5的电网地磁感应电流从扼流变压器的电网地磁感应电流仿真模型一次侧加入，可以发现除电流值为0A外，不平衡的电网地磁感应电流会同时与不平衡牵引电流和信号电流重合，导致牵引绕组中的电流出现畸变，而且畸变的程度随着加入的不平衡电网地磁感应电流值的增加而加大[3]。另外，结合电流值分别为0A、1.5A和2.5A的不平衡电网地磁感应电流输入仿真模型中的变化可以发现，在其值为0A的情况下，产生较大的励磁电感，而当不平衡电网地磁感应电流的值为1.5A的情况下，变压器会发生额外磁化，甚至使铁芯磁通饱和，励磁电感在饱和前后呈现出缩减额变化趋势，甚至出现负载两端电压缩减，此时继电器会因为失去磁性而发出错误的信号，轨道电路的正常运行会受到直接的威胁；当不平衡电网地磁感应电流的值为2.5A的情况下，同样会因为继电器电压缩减而发出错误的信号，轨道电路的正常运行会受到直接的威胁，但两种电流下励磁电流发生变化的时间存在差异，前者分别在1.5s和0.7s左右，可见流入扼流变压器牵引绕组的不平衡电网地磁感应电流量与铁心进入饱和的速度之间成正比，与信号绕组电流和电压成反比，直接影响到轨道信号发生错误的概率和扼流变压器的运行。
而在网地磁感应电流侵扰扼流变压器的仿真中可以发现，当非线性等效励磁电感缩减的同时扼流变压器负载端电压会随之不断的减少，换言之轨道继电器电压会不断的缩减，此时发生轨道指示性错误的概率会明显的提升，结合我国发生磁暴的强度可以发现，当不平衡网地磁感应电流侵入扼流变压器的值在0.25A的情况下，并不能导致其铁心进入饱和状态，换言之，此时导致铁路低压电气系统发生错误信号的概率较低，而当不平衡网地磁感应电流值为1.5A的情况下，扼流变压器铁心就会在1.5S左右进入饱和状态，此时信号绕组的负载电压会表现出明显的缩减趋势，如果其缩减的程度达到其返回电压以下，此时因失磁使铁路电路信号的准确性无法保证；此现象随着不平衡网地磁感应电流值的增加而越来越明显，这就是铁路低压电气系统磁暴干扰响应机制。
3.结论
通过上述分析可以发现，在常规铁路低压电气系统运行过程中发生磁暴所产生的钢轨电位波动并不会对人类的生命安全构成威胁，但对目前广泛应用的电气化铁路电子设备的安全会产生一定的影响，甚至可能出现轨道线路信号系统故障，另外，在磁暴的作用下，铁路低压电气系统的正常运行可能会受到影响。
参考文献
[1]卞丽丽．铁路低压电气系统磁暴干扰响应机制研究[D].北京：华北电力大学，2013．
[2]马骋原．强磁暴侵害高铁电气一次系统的建模方法研究[D].北京：华北电力大学，2015．
[3]刘连光，葛小宁，王开让，宗伟，刘春明.地磁暴侵害我国高铁和油气管道的观测研究[J].中国科学：技术科学，2016，03：268-275.
论文作者:孙华平
论文发表刊物:《电力设备》2016年第7期
论文发表时间:2016/7/1
标签：地磁论文; 感应电流论文; 钢轨论文; 磁暴论文; 电网论文; 铁路论文; 电位论文; 《电力设备》2016年第7期论文;