强磁暴对轨道电路的影响分析

范婷霞 宗 伟 刘连光 蒋智化

范婷霞:华北电力大学 (北京)电气与电子工程学院 硕士研究生 102206 北京

蒋智化:华北电力大学 (北京)电气与电子工程学院 博士研究生 102206 北京

宗 伟:华北电力大学 (北京)电气与电子工程学院 教授102206 北京

刘连光:华北电力大学 (北京)电气与电子工程学院 教授102206 北京

磁暴是由太阳风扰动与地球磁场相互作用而产生的，指太阳活动引起全球性地磁场剧烈扰动，又称地磁暴，是灾害性空间天气的地面效应。空间天气 (Space Weather，俗称太阳风暴)是上世纪90年代提出的新概念，指包括太阳耀斑、日冕、太阳风、磁层、电离层和地球表面的空间状态和物理条件。源自太阳活动的灾害性空间天气 (空间电磁环境)，曾直接或间接地导致大量卫星、通信、电网、铁路系统的重大事故，磁暴电磁环境及其影响的研究已成为国家行为和国际行为。

磁暴来袭时，由法拉第电磁感应定律可知:时变磁场将在地面感应出电场，形成地面感应电势(ESP)，并通过地面长距离导体 (钢轨、输电线路、石油管道等)与大地构成的回路，产生地磁感应电流 (GIC)，进而可能对地面技术系统产生电磁干扰。GIC的峰值可以达到200A，频率成分一般为0.1～0.001 Hz，对一般系统相当于准直流。地磁场的水平变化率、大地电性结构、网络拓扑结构和参数是GIC幅度的主要影响因素，并且随着中低纬度地磁活动的减弱，大地和地面网络特性对GIC的影响更为显著。

我国大部分地区处于极光亚带 (中纬度)，尤其是东北北部和新疆北部地区接近或进入极光带(高纬度)，同时我国有广泛分布的火成岩地质结构，因此存在发生较大规模GIC的潜在威胁。现在关于GIC的研究大部分集中在电力系统和输油管道上，而对铁路设备的影响知之甚少，国内这方面的研究工作还没有起步。然而，在1989年和2000—2005年的强磁暴期间，中纬度的俄国北部和Gorky电气化铁路区段的一些信集闭系统操作被观测到了许多异常。据有关2004年中纬度地区西伯利亚铁路区段发生的2176次异常统计资料显示，磁暴发生时这些异常出现的几率是平时的5～7倍，通过用抛物线拟合这些列车的异常率N和磁暴的相关指数Kp、Ap和Dst(Kp是地磁暴警报指数、Ap是地磁暴预报指数、Dst是地磁活动指数)，得到的相关系数K分别是0.85、0.95和0.97。可以看出强烈的磁暴会通过干扰信号和控制系统来影响铁路的正常运行，铁路系统所出现的异常现象与磁暴的干扰是密切相关的。

高速铁路由于其速度高，同时也增加了其在自然环境灾害面前的脆弱性、高风险性。高铁轨道电路系统乃至整个高铁信号系统电磁环境干扰是关系高铁行车安全的重大问题，因此也是我国高铁科学研究的前沿课题。

1 瑞典铁路区段的异常及影响因素分析

在1982年、1989年以及2000—2005年的强磁暴期间，瑞典和俄国北部一些铁路区段信号系统的异常主要表现在轨道电路上。由于轨道电路系统总体上属于弱电系统，所以极易受到外部电磁干扰的影响。

有关1982年7月13—14日磁暴中太阳风的数据由IMP8飞船和ACE飞船测得，地磁指数、地磁数据来自瑞典北部附近的3个地磁观测站。此次磁暴在7月13日当地时间的午夜达到最大值，当时地磁分量Bx下降到了－5000nT(Tesla—磁通密度单位)，△Bx达到了2500nT/min，△By大约700nT/min，Dst=－325nT，Ap=400。

在13—14日午夜的强磁暴期间，位于瑞典南部45 km处的铁路段出现了一些异常:铁路信号灯在没有任何原因的情况下出现了红色，一会又变回了绿色，随后又变成了红色，即在磁暴期间出现了“闪红”现象。与此同时在延平城市的一个电站，保护设备被烧毁，而在其他电站，报警器开始鸣响，这些都是强磁暴干扰的原因。

分析该磁暴期间的异常在于感应地电场对轨道继电器产生了影响。在这次磁暴中，感应地电场的值大约是4～5V/km，这就足以对轨道继电器励磁吸起的3～5 V电压产生影响。磁暴期间，当感应电压和电源电压相反时，电源电压被削弱，导致轨道继电器失磁，信号灯闪现红色，就好像有列车占用;当感应电压和电源电压相同时，信号灯恢复绿色，感应电压的波动就引起了“闪红”现象。

2 俄国中纬度地区铁路区段的异常及分析

有关俄国1989年和2000—2005年强磁暴的数据，主要来源于北部铁路学报和信集闭实验室总工程师的报告。

图1中 (a)、(b)分别为1989年3月磁暴的Kp、Dst指数和2000年4月磁暴的Kp、Dst指数，水平坐标是在信集闭系统中观测到异常的时间，用的都是世界时。

图1 Kp和Dst指数图

1989年3月14日 (当地时间0:45)开始在Gorky铁路区段，发现大量有关轨道电路假锁闭的故障，在Vladimir和Arzamasskaya铁路区段，这种错误信号持续了几分钟，在其余的铁路段3～4 h内重复的出现异常。通过对Krasnoufimskoj段的检测发现，在强磁暴干扰期间，轨道继电器上的电压由正常值 (大约25V)下降到6～9V，导致轨道继电器失磁落下，同时在Lyangasov，Arxamasskaya和Krasnoufimskoj铁路区段，机车信号设备都出现了异常。

2000年 4月 6—7日的晚上，在 Nyandoma-Obozerskaya区段的轨道电路电压非常不稳，信号灯非系统的、相继的或者同时出现“闪红”现象，铁路异常现象就是发生在磁暴干扰最严重的1 h内。

在俄国北部铁路出现的异常案例中，磁暴的干扰只对电力牵引的区段有影响，因此分析干扰的原因之一可能是在强磁暴期间，快速的地磁变化在钢轨上产生了感应电场，进而又有感应电流(GIC)的流入，由于钢轨的不对称性，加重了牵引电流的不平衡度，最终对轨道电路的扼流变压器产生影响。

在电气化铁路的轨道电路中，扼流变压器是强弱电的结合部分，它是沟通牵引电流回流的桥梁，同时又是轨道电路发送和接收信号电路的重要匹配设备。由于它的非线性特性，容易受到电气化的干扰，从而引起接收端继电器的误动作，使轨道电路出现异常。在强磁暴发生时，由于瞬间GIC电流的注入以及不平衡牵引电流的产生，容易造成扼流变压器的瞬间饱和，而且正负饱和度不一样，比较常见的是半边饱和，导致50 Hz牵引电流上叠加的25 Hz信号电流削弱，造成25 Hz信号在几个周期内的消失，使轨道继电器上的电压下降，引起继电器的误动作，从而关闭或不能开放信号，危及到行车安全和影响运输效率。

3 磁暴影响铁路系统机理的相关研究展望

磁暴灾害与雷电灾害一样同属于自然电磁环境干扰，但磁暴电磁环境对铁路信号系统的安全影响并未明确，其研究尚处在初始阶段。因为缺乏必要的试验和实测数据来验证，所以对磁暴干扰的准确物理过程和相关响应设备还需要进一步的讨论。为了获得更多的结论，今后还需要对以下问题进行研究:①分析感应电流在接触网和轨道电路中是怎样流动的;②计算对铁路系统产生影响的感应电势(ESP)和地磁感应电流 (GIC)的大小;③GIC相关干扰危险点的分析;④开发能够用于铁路系统上的GIC检测装置等。

对于现在快速发展的高铁，磁暴还可能对其GSM-R无线通信系统造成影响。对GSM-R无线通信的影响源自太阳耀斑事件，其产生的X射线8 min左右到达地球，具有随机性且影响难以准确预测、预报，这也是下一步需要研究的。对高铁轨道电路信号系统的影响源自磁暴的电磁环境，及其产生的感应电场，其影响通常在日冕物质抛射(CME)和日冕事件发生之后3天内，虽然有1～3天可供分析、评估，但由于太阳风的能量、朝向和速度不断变化，对铁路轨道电路系统的影响程度同样难以预测。尽管我国地处纬度 (磁纬)比上述国家低，在相同磁暴和大地构造条件下，铁路致灾的可能性较低，但我国高铁与国外的不同，基本上都采用高架方式，轨道电路的电缆敷设在高架桥的电缆沟道内，而不是地面的沟道，这种方式与磁暴电磁侵害模式的关系尚待研究。

4 结论

通过描述了1982年7月以及1989年和2000—2005年强磁暴期间，瑞典和俄国铁路轨道电路所受影响的具体表现，得出了强磁暴和铁路系统异常有着密切的关系，其异常主要表现在铁路轨道电路及信号显示上;并且分析了磁暴对轨道电路的可能影响因素，得出地面感应电势对轨道继电器的影响和地磁感应电流引起扼流变压器的饱和，可能是产生干扰的原因所在;最后结合我国高铁实际情况，阐述了磁暴对高铁系统可能产生的影响。相信通过对地磁活动的记录和预测，分析其对铁路系统的影响，从而减少极端地磁风暴对铁路系统的危害是可能的。

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