磁屏蔽对机车信号环线测试的影响及改进方案

王明强 薛世润 王耀杰 佟元江

王明强:乌鲁木齐铁路局哈密电务段 高级工程师 839001新疆哈密

薛世润:西安工程大学机电工程学院 硕士研究生 710048西安

王耀杰:西安铁路局电务处 教授级高工 710048 西安

佟元江:陕西众信铁路设备有限公司 工程师 710043 西安

目前检查机车信号设备运用状态是否正常的方法，必须依靠机车入库后在机车信号测试环线上进行试验。库内机车信号检测是通过循环发码，将模拟信号电流送到测试环线，由机车感应器感应该电流，完成机车信号环线测试。

1 存在的问题

1．钢轨和地沟内置的钢筋以及防滑钢板会对机车感应器构成磁屏蔽环境。设置在钢轨内侧轨腰的测试环线产生的磁力线，在机车感应器周边被钢轨、机车排障器、机车连接钩和地沟内置的钢筋，以及地沟内敷设的防滑钢板(以下统称“地沟旁铁磁物质”)屏蔽，严重影响机车信号正常测试。随着UM71和ZPW-2000制式的大量推广使用，传统安装方式难以满足信号频率从25～905 Hz提高到1700～2600 Hz的要求，轨腰部固定的测试环线运用在1700～2600 Hz频率下，磁屏蔽的问题就尤为突出，现有的技术方案不能可靠地进行机车信号库内测试。

2．敷设机车信号测试环线采用“8字”交叉，目的是为了解决双机连挂时无法进行机车信号环线测试的问题。不但敷设施工非常困难，而且还构成了难于查找的隐性故障点。实际上机务段多数机车是随机停放的，如果机车感应器恰好处于8字交叉点上方，将肯定无法进行环线测试。地沟旁铁磁物质构成的磁屏蔽环境，也使得现有的技术方案仅仅可以在部分测试环境下，解决双机连挂机车信号库内测试的问题。

3．动车运用所内的机车信号环线测试受到磁屏蔽的影响更为明显。动车运用所内的钢轨均安装在间隔1.8 m的方形钢柱上。测试环线安装在钢轨内侧轨腰，机车感应器如果处于2个钢柱之间，就可以正常测试;但如果处于钢柱上方，受磁屏蔽环境影响，机车感应器接收到的磁感应强度会下降300%～600%，无法可靠地进行测试。

4．现有的技术方案完成机车信号库内测试需要设置发码室、数字电缆、配线箱、分线盒、防雷单元和环线地线等。每隔1 m要在钢轨轨腰打孔用于固定瓷瓶，整体安装成本高、施工困难，不方便维护。

2 改进方案

采用塑料或胶木等高磁阻材质制造测试环线支架，将其设在钢轨轨腰远端，远离了机车轮沿和钢轨等铁磁材料，而且安装时可以提升其高度，甚至可以将环线抬高至与钢轨踏面齐平的位置。该技术方案大大减小了环线与机车感应器的距离，提高了相同发送功率下机车感应器的磁感应强度。具体的安装方式有以下2种。

1．如图1所示，先将尼龙支架通过本身的尼龙扣件固定在钢轨底部，再通过线卡将测试线固定在钢轨外侧的轨头踏面下沿处。该方法适用于悬空支撑钢轨布线，轨底勾固支架体使用直径8 mm的圆钢轨底勾，将注塑件制成的支架卡固在钢轨底部。

图1 轨底勾支架体

2．如图2所示，适用于钢轨已经固定在混凝土地面上，轨底和地面没有空间或者股道2根钢轨的外侧已经被防护板密封到和钢轨踏面齐平的情况下。在地面上使用射钉枪将螺纹射钉固定于地面，连接支架，采用螺栓、螺母和线卡固定测试环线，将机车信号环线固定安装在钢轨下沿处。

图2 固定于地面支架体

机车信号测试环线依据现场的具体环境，既可以安装在股道2根钢轨的内侧，也可以安装在股道两根钢轨的外侧，如图3所示。

图3 单地沟环线股道两根钢轨的内侧或者股道两根钢轨的外侧安装示意图

3 测试环线磁屏蔽的分析和验证

借助于MATLAB软件仿真功能，绘制出分别安装在钢轨内侧腰部和钢轨外沿处的载流导线构成的磁场磁感线分布图，如图4、图5所示。其中二维磁场的磁感线分布为磁矢势的等值线，图线按照矢势值等间隔绘制，其疏密程度反映出磁感应的强弱，密集处磁感应强度大，稀疏处磁感应强度弱。

由图4、图5可以看出，环线电流所形成的磁场在整个机车检测库内铁磁物质所构成的环境下，使原来绕着载流导线呈现一系列同心圆状的磁感线发生畸变，呈现程度不同的脱离同心圆族形状的磁感线分布。由MATLAB软件仿真的磁场磁感线疏密程度，可以很清楚地看出:通过大小相同的电流，环线越远离地沟旁铁磁物质，机车感应器接收的磁感应强度越强。

图4 载流导线位于钢轨内侧腰部

图5 载流导线位于钢轨踏面齐平的位置

为了验证分析结果的正确性以及改进方案的实用性，在测试环线上通以大小相同的机车信号测试电流，将高斯计置于机车感应器顶端，分别对3种不同的安装方式进行磁场强度测试，测试结果如表1所示。

表1 磁感应强度测试结果

4 改进方案的工作原理

《铁路信号维护规则》技术标准10.4.1 b)规定“测试环线股道内及两旁，不应有大型金属板或多处构成闭合环线的金属网线”。但实际上，机车信号测试环线都配套敷设在机务段机车检修地沟处。为了承受机车重量和保证地沟防滑、美观，地沟内置了大量钢筋并包以10～12 mm防滑钢板，如有金属擦车台，磁屏蔽影响机车信号库内测试情况会更加严重。由于地沟旁铁磁物质根本无法消除，所以采用改变环线和周边铁磁物质的相对位置，是实现机车信号库内可靠测试的较佳技术方案。通过3处有着相同磁屏蔽环境的试验，也验证了改进后的技术方案解决磁屏蔽影响的有效率是100%。

改进方案是将发码箱置于XB-2箱内，由地沟附近交流电源就近引入供电。当交流电源难于解决时，可以直接采用太阳能电源供电。在电气化区段敷设机车信号环线，环线引入点应该在环线中部二分之一处接入XB-2箱内(见图3)。这样的环线接入方式和“8字”交叉敷设环线方式都有着相同的防止电涌冲击作用。改进后的环线接入方式可以使环线和接触网长距离并行所产生的电涌冲击自行抵消，有效地防止了电涌损毁发码箱。改进方案设备简图可参考本期彩色插页。

5 应用效果

通过在西安铁路局北动车运用所、西安机务段、哈密南整备场和彬县整备场安装使用，改进后的测试环线与现有技术相比，主要优点体现在:

1．在相同的地沟旁铁磁物质产生的磁屏蔽环境下，机车感应器的感应电压提高了300%～600%，可以在有环线区段内，包括在机车连挂的情况下进行机车信号环线测试。

2．不需要机车信号发码室、数字电缆、配线箱、分线盒、防雷单元和环形地线等。钢轨不用打孔安装测试环线。安装成本降低，易于施工，方便维护。

3．通过分析和实践，发现在1700～2600 Hz高频情况下，铁磁物质屏蔽问题尤为突出。建议取消《铁路信号维护规则》 “环线电缆铺设在股道2根钢轨的内侧”的要求。

［1］陈鹏，陈文汉，刘亚西．机车信号环线检测方法改进［J］．铁道通信信号，2007，43(5):13－14．

［2］罗杰．浅谈机车信号测试环线设计方案［J］．铁道通信信号，2013，49(8):35－38．

［3］邹澎，周晓萍，等．电磁场与电磁波［M］．北京:清华大学出版社，2008．

［4］丁冬艳．长直载流导线空间磁场分布的分析［J］．中国科教创新导刊，2013(4):105－106．

［5］王福谦．由铁磁质限定的无限深槽内线电流的磁场［J］．大学物理，2012，31(1):23－26．