淺析移頻自動閉塞系統(tǒng)中信號抗干擾技術(shù)

夏學(xué)峰

摘要:目前在閉塞區(qū)間通過軌道電路傳輸?shù)男畔⒃絹碓綇?fù)雜,信息傳送的可靠性和安全性問題便顯得日益突出。自動閉塞的行車信息以鐵軌作為信道進(jìn)行傳輸時,軌道電路具有高電感、高漏泄電導(dǎo)、大牽引電流和串音干擾的缺點(diǎn),由于傳輸系統(tǒng)復(fù)雜性,不可避免地疊加有各種外界干擾。這些干擾將會對信號設(shè)備產(chǎn)生影響,甚至危及行車安全。因此在移頻自動閉塞系統(tǒng)中抗干擾技術(shù)十分重要。

關(guān)鍵詞:牽引電流 移頻自動閉塞系統(tǒng) 鄰線干擾 絕緣干擾

1 不平衡牽引電流干擾

在電氣化區(qū)段,鋼軌中所流經(jīng)的不僅有軌道信號電流,還有電力牽引電流。電氣化區(qū)段軌道電路所傳輸?shù)男盘栔饕軤恳娏鞯母蓴_。牽引電流在扼流變壓器初級線圈上形成的磁場大小相等、方向相反,因而相互抵消不會影響接收端。但在實(shí)際條件下,兩根鋼軌對地漏泄電導(dǎo)不完全相同,從而在接收端產(chǎn)生干擾電壓。這種干擾的幅度和相位變化緩慢,可視為穩(wěn)態(tài)干擾。兩根鋼軌中的牽引電流值不相等時,其差值為不平衡牽引電流。

牽引電流產(chǎn)生的干擾電壓,與牽引電流的大小、不平衡系數(shù)以及軌道電路接收端對牽引電流的輸入阻抗成正比。不平衡系數(shù)較大時,列車牽引噸數(shù)越大,牽引電流也越大,對信號設(shè)備的干擾也越大。在自動閉塞各閉塞分區(qū)中,同時運(yùn)行的列車數(shù)越多,牽引電流也越大。為了分析牽引電流對軌道電路的影響,首先應(yīng)該分析牽引電流所包含的頻率成分。以鐵路區(qū)間為例,牽引電流基波的頻率為50Hz,但由于牽引電流是通過機(jī)車主變壓器,經(jīng)整流器整流后供給直流牽引電機(jī)的,因此,牽引電流的波形并不是正弦波,而是包含豐富諧波的非正弦周期函數(shù)。電力牽引干擾量的大小,與電力機(jī)車類型和牽引狀態(tài)有著密切關(guān)系,取決于牽引電流的大小、牽引機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)〔即牽引電流的波形〕、軌道電路不平衡及軌道電路設(shè)備參數(shù)等。根據(jù)實(shí)測,牽引電流基波及其各次諧波典型分布規(guī)律如表1.1所示。

從表1.1可得出其分布規(guī)律如下:

1.1 基波及各個奇次諧波的能量比較大,而且奇次諧波的頻率越高干擾量越小。可見奇次諧波的能量比較大,但隨頻率的增加,衰減很快。

1.2 偶次諧波,在正常情況下,干擾量都比較小。它們之間也是諧波次數(shù)越高,所占的百分比越小,但它隨諧波次數(shù)的升高而下降的速度比較緩慢。在整流裝置故障時,非正常運(yùn)用條件下,偶次諧波的干擾量有所增加。

1.3 當(dāng)諧波頻率在2000Hz以上時,諧波所占百分比基本上奇偶相當(dāng),隨著諧波次數(shù)的增加下降也很小。

解決方案:不平衡牽引電流主要是50Hz的基波及其奇次諧波干擾,且隨著諧波分量的加大其強(qiáng)度逐漸減小。移頻信號頻帶為455～2700Hz,所以應(yīng)重點(diǎn)消除該頻帶內(nèi)的干擾。消除不平衡牽引電流干擾的措施為:在FFT變換之后,直接把455～2700Hz頻帶范圍內(nèi)的奇次諧波位置的頻譜置零。

2 鄰線干擾和絕緣干擾

目前廣泛使用的移頻自動閉塞系統(tǒng),采用集中發(fā)送方式,在這一過程中,軌道電路會產(chǎn)生鄰線干擾。鄰線干擾分為兩種情況,其一是構(gòu)成傳輸線的對稱電纜之間產(chǎn)生串音干擾,其二是由于鋼軌中傳輸?shù)氖墙涣餍盘?鋼軌互感和大地漏泄而造成鄰線干擾。

由機(jī)械室向鋼軌發(fā)送移頻信號的傳輸線由對稱電纜構(gòu)成。在移頻閉塞系統(tǒng)中,雖然發(fā)送電纜和接收電纜分開,但不同閉塞分區(qū)的電纜均包含在同一護(hù)套內(nèi)。在發(fā)送信號的過程中,由于信號功率較大,相鄰電纜之間通過電磁耦合而產(chǎn)生串音干擾。傳輸電纜串音干擾示意圖見圖1-1(a),等效電路圖如圖1-1(b)所示。圖中g(shù)表示因回路間的介質(zhì)損耗不平衡而形成的等效不平衡電導(dǎo),c表示因回路間電容的不平衡而形成的等效不平衡電容,r表示因回路間的導(dǎo)線中的渦流損耗不平衡而形成的等效不平衡電阻,m表示因回路間的電感不平衡而形成的等效不平衡電感。

在軌道電路中,移頻信號由機(jī)械室通過信號電纜發(fā)送到鋼軌。在這一過程中,由于信號電纜產(chǎn)生串音,串音電流疊加到被串電纜回路的輸出端負(fù)載阻抗上,產(chǎn)生壓降,使得被串鋼軌回路接收到鄰線的信號頻率。移頻軌道電路傳輸電纜的串音模型如圖1-2所示:

實(shí)際情況中,主、被串電纜回路很難達(dá)到終端匹配的理想狀況,由于傳輸電纜的鄰線干擾,被串回路上的機(jī)車有可能接收到錯誤的信號。所以,鑒別是否存在鄰線干擾在鐵路現(xiàn)場也是必需的。鄰線干擾和絕緣節(jié)破損干擾都可以通過信號的頻譜識別。

由于國產(chǎn)移頻信號兩個相鄰載頻的中心頻率只間隔100Hz,頻偏=55Hz,調(diào)制系數(shù)m較大,就使得信號的能量向兩邊頻擴(kuò)散,信號的頻帶較寬。由于信號的最高調(diào)制頻率為26Hz,故信號的頻帶寬度為Hz,在載頻中心兩邊各占,因而兩個相鄰載頻的重疊區(qū)為Hz,在這個區(qū)域內(nèi)兩個相鄰載頻的信號譜線出現(xiàn)重疊,如圖1-3所示。

解決方案:在頻譜分析方法中,信號譜線出現(xiàn)重疊是無法分離的,為了避免由于譜線重疊而造成的計算結(jié)論錯誤,在檢測、剔除鄰線干擾和絕緣節(jié)破損干擾信號時,應(yīng)取與本頻率信號無重疊的另一個半邊帶作為確定干擾的檢測區(qū)。根據(jù)國產(chǎn)移頻信號鏡像譜線的原理,恢復(fù)另一個邊帶的譜線,從而剔除了鄰線干擾或絕緣節(jié)破損干擾。