ZPW-2000無絕緣軌道電路相鄰區(qū)段干擾仿真研究

劉家良，畢紅軍，楊世武，楊 磊，鮑才讓泰

（1.北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044；2.青藏鐵路公司， 西寧 810000）

ZPW-2000無絕緣軌道電路相鄰區(qū)段干擾仿真研究

劉家良1，畢紅軍1，楊世武1，楊 磊1，鮑才讓泰2

（1.北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044；2.青藏鐵路公司， 西寧 810000）

根據(jù)均勻傳輸線和四端網(wǎng)絡理論，建立ZPW-2000無絕緣軌道電路分路電流的計算模型，利用MATLAB軟件實現(xiàn)相鄰區(qū)段干擾電流的數(shù)值算法，對軌道電路正常情況、調諧單元故障情況下鄰區(qū)段干擾電流的分布進行仿真。

軌道電路；相鄰區(qū)段；干擾；仿真

相鄰區(qū)段干擾是指同線路兩相鄰區(qū)段間信號越過電氣絕緣節(jié)后形成的干擾。調諧單元對本區(qū)段頻率呈現(xiàn)極阻抗，對于相鄰區(qū)段頻率呈現(xiàn)零阻抗。當列車走行接近電氣絕緣節(jié)，由輪對短路線、前方鋼軌電感及補償電容構成對相鄰干擾信號的低阻抗峰值電流回路。

1 四端網(wǎng)絡和傳輸線理論

一般說來，鐵道信號運用的軌道電路屬于傳輸線，可等效成雙導線傳輸線。線上每一點都具有線路電阻R、分布電感L、分布電容C、和漏導G。當電信號由一端沿線路傳送到另一端時，其幅度和相位都將發(fā)生變化。如果線上每一點的L、R、C 、G都相同，這樣的傳輸線為均勻的傳輸線。故軌道電路可等效為擁有均勻分布參數(shù)的四端網(wǎng)絡電路。

均勻傳輸線的四端網(wǎng)絡模型如圖1所示。

圖1 均勻傳輸線的四端網(wǎng)絡模型

其中，Vs為輸入端的電壓，Is為輸入端電流，Wz為輸出端電壓，Iz為輸出端電流。它們之間的關系可以描述為：

對于長度為L的均勻傳輸線，其一次參數(shù)和二次參數(shù)是固定的，可推知其四端網(wǎng)絡參數(shù)與傳輸線長度L有關。其四端網(wǎng)絡A為：

如果在輸出端接有負載Zz，則四端網(wǎng)絡的輸入阻抗為：

2 ZPW-2000A軌道電路鄰區(qū)段干擾理論分析

軌道信號由發(fā)送端設備經(jīng)調諧單元、鋼軌、大部分信號經(jīng)電氣絕緣節(jié)傳入接收端設備，小部分信號在電氣絕緣節(jié)經(jīng)過大幅度衰減進入相鄰區(qū)段，造成鄰區(qū)段干擾，其模型如圖2所示。

圖2 鄰區(qū)段干擾模型

2.1 主軌道電路等效模型

主軌道中每隔一定距離都有補償電容的存在，因此可將補償電容及其兩邊各半個補償間距的軌道線路共同視為一個基本補償單元N ，補償間距為Lc，其等效模型如圖3所示，根據(jù)四端網(wǎng)絡理論，其傳輸特性可由四端網(wǎng)絡N表示：

圖3 基本補償單元

其中A(Lc/2)是長度為1/2補償間距的鋼軌等效四端網(wǎng)絡，Nc是補償電容的等效四端網(wǎng)絡，ω為信號角頻率，c為補償電容值。

若整個軌道包含n個補償電容，則其傳輸特性網(wǎng)絡可用n個N級聯(lián)表示：

2.2 小軌道電路等效模型

小軌道接收端和發(fā)送端與主軌道電路是基本相同的，小軌道電路主要包括調諧單元BA1、調諧單元BA2和空心線圈SVA。其傳輸特性網(wǎng)絡為：

其中NBA1是調諧單元BA1的傳輸網(wǎng)絡，NBA2是調諧單元BA2的傳輸網(wǎng)絡，A(L/2)是小軌道長度一半的軌道傳輸網(wǎng)絡，NSVA是空心線圈的傳輸網(wǎng)絡。

2.3 相鄰區(qū)段干擾等效模型

相鄰區(qū)段干擾可視為本區(qū)段信號從發(fā)送端出發(fā)，經(jīng)過電纜模擬網(wǎng)絡、匹配變壓器、調諧單元與軌道傳輸網(wǎng)絡，電氣絕緣節(jié)，機車前方鋼軌，到達分路點形成干擾。

圖4 鄰區(qū)段干擾等效模型

如圖4所示，軌道任意分路點電流如下：

其中ZRZ是分路點到接收器終端的等效阻抗，Rf是分路電阻0.15Ω。由于機車信號接受線圈位和分路點很接近，故機車信號接受電流可約等于分路電流。

對于相鄰區(qū)段干擾的四端口等效網(wǎng)絡F如圖5所示。

圖5 相鄰區(qū)段干擾軌道四端口等效模型

3 仿真分析

2 300 Hz頻率信號經(jīng)過電氣絕緣節(jié)進入相鄰1 700 Hz頻率信號區(qū)段形成鄰區(qū)段干擾。軌道電路長度1 200 m，鋼軌阻抗1.897 Ω/km 。鋼軌電感1 413 μH/km，道砟電阻取值為1 Ω

●km，補償電容55μf，補償間距為80 m，發(fā)送器發(fā)送電平為三級，模擬電纜長度10 km。仿真結果如圖6所示。

圖6 相鄰區(qū)段信號干擾仿真

如圖6所示，干擾信號經(jīng)過電氣絕緣節(jié)后，經(jīng)過由輪對短路線、前方鋼軌電感及補償電容構成的低阻抗峰值電流回路，在C2與C3之間約距電氣絕緣接200 m處達到第一個高峰，隨著距離絕緣節(jié)越來越遠，干擾信號逐步降低。

如圖7所示，當?shù)啦觌娮柚翟龃蠛螅噜弲^(qū)段干擾電流幅值變大，故相鄰區(qū)段干擾信號隨道碴電阻值增大而增大。

圖7 道碴電阻增大時相鄰區(qū)段信號干擾仿真

如圖8所示，當BA1斷線故障時，電氣絕緣特性“零阻抗”被破壞，開路故障點后對鄰區(qū)段機車信號干擾加大。

圖8 BA1斷線時相鄰區(qū)段干擾仿真

如圖9所示，當BA2斷線故障時，電氣絕緣“極阻抗”特性發(fā)生改變，開路故障點后對鄰區(qū)段機車信號干擾相對減小。

圖9 BA2斷線時相鄰區(qū)段干擾仿真

綜上所述，干擾信號經(jīng)過絕緣節(jié)后形成峰值電流。該電流大小與前區(qū)段發(fā)送的電平有關；與調諧單元“零阻抗”值高低關系較??；在道碴電阻升高時，該峰值電流大幅上升。

4 結束語

本文建立的ZPW-2000型無絕緣軌道電路的仿真系統(tǒng)，可仿真各種故障狀態(tài)下的相鄰區(qū)段干擾電流的變化情況，為軌道電路監(jiān)測與故障診斷提供依據(jù)。通過機車信號接收線圈采集到信號，波形分析后找出分路電流異常點，可有效地定位軌道電路故障點、判別故障原因。

[1]布列耶夫.軌道電路的分析與綜合[M].孫銘甫，譯.北京 ：中國鐵道出版社，1981.

[2]費錫康.無絕緣軌道電路原理及分析[M].北京：中國鐵道出版社，1993.

[3]李文海.ZPW-2000A移頻自動閉塞系統(tǒng)原理、維護和故障處理[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[4]張 玲.基于Matlab的軌道電路仿真與應用[J].甘肅科技，2006，22（4）.

責任編輯 陳 蓉

Simulation of adjacent segment interference in ZPW-2000 jointless track circuit

LIU Jialiang1, BI Hongjun1, YANG Shiwu1, YAMG Lei1, BAOCAI Rangtai2
( 1.School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;2. Qinghai Tibet Railway Company, Xining 810000, China )

Based on the theory of uniform transmission line and four- terminal network, this paper presented a simulation model of adjacent segment interference in the ZPW-2000 jointless track circuit. The numerical algorithm for current interference of adjacent segment was established with MATLAB. Simulation calculation was carried out based on the conditions such as track circuit in normal state, tuning unit open-circuit fault condition of adjacent segment interference current.

track circuit; adjacent segment; interference; simulation

U284.2∶TP39

A

1005-8451（2014）05-0045-04

2013-10-25

劉家良，在讀碩士研究生；畢紅軍，副教授。

book=48,ebook=53