無絕緣軌道電路鄰區(qū)段干擾防護(hù)方法的研究

郭紅標(biāo)， 趙林海,2， 馮 棟， 李 超

(1. 北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 北京 100044； 2. 北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實驗室， 北京 100044)

目前，ZPW-2000系列無絕緣軌道電路JTC(Jointless Track Circuit)作為我國列控系統(tǒng)的核心設(shè)備，得到了廣泛的應(yīng)用。相比于機(jī)械絕緣軌道電路，JTC通過在其兩端設(shè)置相應(yīng)的調(diào)諧區(qū)，使其分別對本區(qū)段和相鄰區(qū)段的軌道電路信號呈現(xiàn)不同的串、并聯(lián)諧振關(guān)系，以達(dá)到控制軌道電路信號傳輸范圍，避免鄰區(qū)段干擾發(fā)生的目的[1]。所謂鄰區(qū)段干擾是指由于調(diào)諧區(qū)中相應(yīng)調(diào)諧單元發(fā)生故障(如斷線)，而使原有的諧振關(guān)系被破壞，造成相鄰區(qū)段的軌道電路信號能夠越過調(diào)諧區(qū)而進(jìn)入本區(qū)段。文獻(xiàn)[1]對鄰區(qū)段干擾進(jìn)行了建模，并系統(tǒng)研究了其對列控車載機(jī)車信號設(shè)備的影響。相應(yīng)研究結(jié)論表明，當(dāng)對本軌道電路信號呈零阻抗的調(diào)諧單元發(fā)生斷線時，在某種條件下，其所造成的鄰區(qū)段干擾會高于機(jī)車信號設(shè)備的接收閾值，容易造成對信號的錯誤接收，從而影響列車的安全運(yùn)行?？梢姡枰獙︵弲^(qū)段干擾進(jìn)行防護(hù)，故研究相應(yīng)鄰區(qū)段干擾的防護(hù)方法具有非常重要的意義。

目前，對JTC調(diào)諧區(qū)及鄰區(qū)段干擾的研究主要集中在鄰區(qū)段干擾的建模分析、調(diào)諧區(qū)故障診斷以及從現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)的角度分析鄰區(qū)段干擾產(chǎn)生的原因與處理措施三方面。文獻(xiàn)[1]對鄰區(qū)段干擾進(jìn)行了建模并研究了其對機(jī)車信號的影響，文獻(xiàn)[2]基于傳輸線理論對調(diào)諧單元的傳輸特性和調(diào)諧過程進(jìn)行了建模和仿真，文獻(xiàn)[3]在對鄰區(qū)段干擾建模的基礎(chǔ)上分析了調(diào)諧區(qū)不同部件故障對鄰區(qū)段干擾信號的影響。在調(diào)諧區(qū)的故障診斷方面，文獻(xiàn)[4]提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軌道電路調(diào)諧區(qū)故障診斷方法，文獻(xiàn)[5]提出了基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧區(qū)故障診斷方法，文獻(xiàn)[6]則利用不同位置調(diào)諧單元斷線對小軌接收電壓的影響不同提供了故障檢測思路。在現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)方面，文獻(xiàn)[7-9]分析了可能導(dǎo)致鄰區(qū)段干擾產(chǎn)生的原因并給出了相應(yīng)的測試及維修思路。由此可見，現(xiàn)有的研究并沒有對JTC鄰區(qū)段干擾給出相應(yīng)的防護(hù)措施。

本文利用現(xiàn)有調(diào)諧區(qū)各調(diào)諧單元對相鄰區(qū)段軌道電路信號所表現(xiàn)出的不同諧振特性，將本軌道電路區(qū)段離發(fā)送端最近的補(bǔ)償電容改造為補(bǔ)償電容鄰區(qū)段干擾防護(hù)器，使其對本軌道區(qū)段仍等效為等值的補(bǔ)償電容，又對相鄰軌道電路信號表現(xiàn)為串聯(lián)諧振的短路效果，使得鄰區(qū)段干擾無法在本區(qū)段繼續(xù)傳播，以實現(xiàn)對鄰區(qū)段干擾的實時防護(hù)。仿真實驗表明，本設(shè)計可有效阻止鄰區(qū)段干擾的傳播，且可在性能上近似替代補(bǔ)償電容，具有較好的兼容性。

1 JTC調(diào)諧區(qū)的電氣分隔工作原理

1.1 電感與電容所構(gòu)成的串、并聯(lián)諧振電路基本原理

1.1.1 串聯(lián)諧振

一個電感L和一個電容C構(gòu)成串聯(lián)電路，見圖1。

圖1 L、C串聯(lián)諧振電路

圖1中，ULC(ω,t)為該電路輸入信號，ω和t分別代表ULC(ω,t)的角頻率和時間，ZLC為輸入端視入阻抗，即有[10]

(1)

式中：j為虛數(shù)單位，滿足關(guān)系j2=-1。令-ω2LC+1=0，則有

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

1.1.2 并聯(lián)諧振

基于圖1的電感和電容構(gòu)造并聯(lián)電路，見圖2。

圖2 L、C并聯(lián)諧振電路

圖2相應(yīng)的輸入阻抗ZLC可表示為

(7)

令-ω2LC+1=0，則有

(8)

1.2 JTC調(diào)諧區(qū)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

圖3 JTC調(diào)諧區(qū)結(jié)構(gòu)示意

2 補(bǔ)償電容鄰區(qū)段干擾防護(hù)器設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

圖3中的調(diào)諧單元BA2和BA1分別對軌道電路1、2所對應(yīng)的信號Us1(ω1,t)和Us2(ω2,t)表現(xiàn)為串聯(lián)諧振關(guān)系，即等效為短路線，使相應(yīng)信號無法越區(qū)傳輸。所謂越區(qū)傳輸，即Us1(ω1,t)越過BA2向軌道電路2傳輸和Us2(ω2,t)越過BA1而向軌道電路1傳輸。進(jìn)一步，由文獻(xiàn)[4]可知，一旦BA1或BA2發(fā)生斷線故障，則上述相應(yīng)的越區(qū)防護(hù)將失效。由此，可在BA1和BA2靠近調(diào)諧區(qū)的主軌道一側(cè)，再加裝一個同型號的調(diào)諧單元，以實現(xiàn)對信號越區(qū)傳輸?shù)娜哂喾雷o(hù)。

同時，考慮到新增加調(diào)諧單元會對原有軌道電路造成影響。本文提出將新增的調(diào)諧單元進(jìn)行適當(dāng)改造，使其成為補(bǔ)償電容鄰區(qū)段干擾防護(hù)器(以下簡稱防護(hù)器)。對于本軌道電路，該防護(hù)器的電氣特性與原有的補(bǔ)償電容相同；對于需要防護(hù)的相鄰軌道電路，該防護(hù)器等效為一個串聯(lián)諧振的調(diào)諧單元。這樣，既可以防護(hù)鄰區(qū)段干擾，又沒有對本軌道電路增加額外的不利影響，且可以直接替換現(xiàn)有的補(bǔ)償電容。考慮到鄰區(qū)段干擾對機(jī)車信號的影響，則防護(hù)器可安裝在每個軌道電路離發(fā)送端最近的補(bǔ)償電容處，即圖3中軌道電路1的CN處。

2.2 參數(shù)設(shè)計

目前，為防護(hù)鄰區(qū)段干擾對軌道電路地面設(shè)備的不利影響，相鄰區(qū)段軌道電路信號的角頻率采用“頻率交叉”隔段相同的設(shè)置方法[12]。設(shè)圖3中軌道電路1、2所對應(yīng)的信號Us1(ω1,t)、Us2(ω2,t)的角頻率ω1、ω2滿足關(guān)系

ω1>ω2

(9)

對于軌道電路1中的防護(hù)器，其設(shè)計過程見圖4。

圖4 軌道電路1的防護(hù)器設(shè)計示意

根據(jù)設(shè)計要求，需要滿足兩個條件：一是對于相鄰軌道電路信號的角頻率ω2，其要等效為串聯(lián)諧振；二是對本軌道電路信號的角頻率ω1要等效為電容，且其容值要等于該處原有的補(bǔ)償電容值Cv。

為滿足第一個條件，可利用圖1設(shè)計一個電感L1f和一個電容C1f串聯(lián)的電路，并根據(jù)式(2)，使L1f和C1f的取值滿足對ω2串聯(lián)諧振條件，即有

(10)

同時，由式(3)和式(9)可知，L1f和C1f所構(gòu)成的串聯(lián)電路對于ω1將等效為一個電感L1ef，且有

(11)

為滿足第二個條件，需在L1f和C1f串聯(lián)電路的輸入端再并聯(lián)一個電容C1ef，使得該電路的輸入端視入阻抗Z1LC等于該處原有補(bǔ)償電容在ω1下的容抗1/jω1Cv，即有

(12)

由式(12)可知，圖4電路所等效的補(bǔ)償電容容值Cde1f可表示為

(13)

由式(13)可知，為滿足第二條件Cde1f=Cv，C1ef應(yīng)滿足

(14)

對于軌道電路2中的防護(hù)器，其設(shè)計過程見圖5。

圖5 軌道電路2的防護(hù)器設(shè)計示意

同樣，根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)計一個電感L2f和一個電容C2f的串聯(lián)諧振電路，并使其諧振角頻率等于相鄰軌道電路信號的角頻率ω1，即有

(15)

同時，由式(5)和式(9)可知，由L2f和C2f所構(gòu)成的串聯(lián)電路對于ω2將等效為一個電容C2ef，且有

(16)

則基于式(16)，若C2ef>Cv，則需要在L2f和C2f串聯(lián)電路的輸入端再并聯(lián)一個電感L2ef，使得該電路的輸入端視入阻抗Z2LC等于該處原有補(bǔ)償電容在ω2下的容抗1/jω2Cv，即有

(17)

由式(17)可知，圖5所示電路，在C2ef>Cv的條件下，其所等效的補(bǔ)償電容容值Cde2f可表示為

(18)

基于式(18)，并由設(shè)計條件Cde2f=Cv可知，L2ef應(yīng)滿足

(19)

對于C2ef≤Cv的情況，需要在L2f和C2f串聯(lián)電路的輸入端再并聯(lián)一個電容C3ef，則Z2LC可表示為

(20)

由式(20)可知，等效的補(bǔ)償電容容值Cde2f滿足

Cde2f=C2ef+C3ef

(21)

則為滿足第二條件Cde2f=Cv，C3ef應(yīng)滿足

C3ef=Cv-C2ef

(22)

3 仿真驗證

在此，基于文獻(xiàn)[1]所建立的鄰區(qū)段干擾模型，驗證本文所設(shè)計的防護(hù)器性能。按相應(yīng)調(diào)整表[12]，設(shè)置相應(yīng)的仿真條件。其中，軌道電路1：信號載頻為2 300 Hz、區(qū)段長度為990 m、補(bǔ)償電容個數(shù)為12；軌道電路2：信號載頻為1 700 Hz、區(qū)段長度為990 m、補(bǔ)償電容個數(shù)為16。在軌道電路1發(fā)送端調(diào)諧區(qū)BA1斷線的條件下，列車經(jīng)過時機(jī)車信號所接收到的來自軌道電路2的鄰區(qū)段干擾分布情況，見圖6。

基于圖6的仿真條件，分別仿真利用圖4所示的防護(hù)器電路，將其替換軌道電路1中C12后，對來自軌道電路2鄰區(qū)段干擾的防護(hù)效果見圖7。由圖7可知，防護(hù)器對鄰區(qū)段干擾的防護(hù)效果較為顯著，其能將接收端與其自身所在位置C12間的鄰區(qū)段干擾近似衰減至0。

圖6 由軌道電路1發(fā)送端調(diào)諧區(qū)BA1斷線而使機(jī)車信號所接收到的來自軌道電路2的鄰區(qū)段干擾示意

圖7 將圖4所示防護(hù)器替換軌道電路1的C12后，對來自軌道電路2鄰區(qū)段干擾的防護(hù)效果示意

4 防護(hù)器對列控系統(tǒng)的影響分析

4.1 防護(hù)器與補(bǔ)償電容劣化性能的比較

考慮到目前補(bǔ)償電容主要有斷線和容值下降兩種故障模式[13]。并且防護(hù)器的斷線效果與同位置補(bǔ)償電容的斷線效果相同，因此本文主要比較防護(hù)器中電容的容值下降與原有補(bǔ)償電容容值下降對軌道電路的影響規(guī)律。

對于圖4防護(hù)器，在鄰區(qū)段軌道電路信號角頻率為ω2的條件下，存在C1f和C1ef分別和同時容值下降的情況，根據(jù)式(10)～式(14),其影響結(jié)果見表1。

表1 圖4中C1f和C1ef容值下降對Cde1f的影響

由表1可知，圖4中只要C1f和C1ef發(fā)生容值下降情況，會使最終等效的補(bǔ)償電容容值Cde1f降低，且C1f和C1ef同時發(fā)生容值下降時的Cde1f下降程度最大。

對于圖5的防護(hù)器，在鄰區(qū)段軌道電路信號角頻率為ω1的條件下，存在C2f和C3ef分別和同時容值下降的情況，根據(jù)式(15)～式(22),其影響結(jié)果見表2。

由表2可知，圖5中只要C2f和C3ef發(fā)生容值下降的情況,會使最終等效補(bǔ)償電容容值Cde2f降低，且C2f和C3ef同時發(fā)生容值下降時Cde2f下降程度最大。

表2 圖5中C2f和C3ef容值下降對Cde2f的影響

綜合以上分析可知，對于圖4、圖5防護(hù)器電路，無論其中哪個電容發(fā)生容值下降，其結(jié)果都會導(dǎo)致其等效的補(bǔ)償電容容值降低，這與原有補(bǔ)償電容的故障模式和變化規(guī)律相同。由此可見，本文所設(shè)計的防護(hù)器對于其所在的軌道電路區(qū)段，可以很好地模擬原有補(bǔ)償電容的電氣特性。

4.2 正常條件下防護(hù)器對軌道電路信號傳輸?shù)挠绊?/h3>

軌道電路1和軌道電路2都正常條件下，本文防護(hù)器和現(xiàn)有電容對調(diào)整態(tài)軌面電壓和分路態(tài)機(jī)車信號感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)的影響，見圖8、圖9。

圖9 正常條件下防護(hù)器和現(xiàn)有電容對分路態(tài)機(jī)車信號感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)的影響

從圖8和圖9可知，在此條件下防護(hù)器對各軌道電路自身部分的軌面電壓和機(jī)車信號感應(yīng)電壓的幅值幾乎無影響，僅使軌道電路2經(jīng)調(diào)諧區(qū)進(jìn)入軌道電路1的鄰區(qū)段干擾信號有較大衰減，而這正是本文的設(shè)計目的。

4.3 BA1斷線條件下防護(hù)器對軌道電路信號傳輸?shù)挠绊?/h3>

軌道電路1和軌道電路2在調(diào)諧單元BA1斷線條件下，防護(hù)器和現(xiàn)有電容對調(diào)整態(tài)軌面電壓和分路態(tài)機(jī)車信號感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)的影響，見圖10、圖11。

圖10 BA1斷線條件下防護(hù)器和現(xiàn)有電容對調(diào)整態(tài)軌面電壓幅值包絡(luò)的影響

圖11 BA1斷線條件下防護(hù)器和現(xiàn)有電容對分路態(tài)機(jī)車信號感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)的影響

由圖10可知，防護(hù)器可大幅衰減因BA1斷線而漏泄到軌道電路1中的鄰區(qū)段干擾信號，且在C12之后將其衰減為0，而對所在的軌道電路1自身的信號傳輸則沒有影響，對軌道電路2的信號幅值影響較小。

由圖11可知，防護(hù)器在BA1斷線條件下對軌道電路1和軌道電路2自身范圍內(nèi)的信號傳輸無影響，其僅對由軌道電路2漏泄至軌道電路1的鄰區(qū)段干擾信號進(jìn)行衰減，且同樣在C12之后衰減至0。

4.4 BA2斷線條件下防護(hù)器對軌道電路信號傳輸?shù)挠绊?/h3>

軌道電路1和軌道電路2在調(diào)諧單元BA2斷線條件下防護(hù)器和現(xiàn)有電容對調(diào)整態(tài)軌面電壓和分路態(tài)機(jī)車信號感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)的影響，見圖12、圖13。

圖12 BA2斷線條件下防護(hù)器和現(xiàn)有電容對調(diào)整態(tài)軌面電壓幅值包絡(luò)的影響

圖13 BA2斷線條件下防護(hù)器和現(xiàn)有電容對分路態(tài)機(jī)車信號感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)的影響

由圖12和圖13可知，在此條件下防護(hù)器對各軌道電路信號傳輸?shù)挠绊懪c現(xiàn)有補(bǔ)償電容相同，并未產(chǎn)生額外影響。

4.5 防護(hù)器對機(jī)車信號的影響

由圖9、圖11及圖13可知，防護(hù)器對不同條件下軌道電路1和軌道電路2自身范圍內(nèi)機(jī)車信號感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)的影響與現(xiàn)有補(bǔ)償電容相同，故其不會改變機(jī)車信號設(shè)備對此范圍內(nèi)信號的接收效果。

進(jìn)一步，考慮到機(jī)車信號需要根據(jù)所接收的信號載頻不同而向列控系統(tǒng)提供相應(yīng)的絕緣節(jié)信號[14]?；谖墨I(xiàn)[15]并由圖9、圖11和圖13可知，機(jī)車信號在軌道電路1中接收載頻為f1的信號，其感應(yīng)電壓幅值總體變化趨勢從軌道電路1的入口端到出口端逐漸升高，最后在BA1處達(dá)到最大后迅速衰減。同時，隨著列車的運(yùn)行，軌道電路2信號的感應(yīng)電壓幅值逐漸升高并超過機(jī)車信號接收閾值。機(jī)車信號憑借以上變化認(rèn)定列車經(jīng)過一個調(diào)諧區(qū)，并以此給出相應(yīng)的絕緣節(jié)信號。由以上機(jī)理可知，由于防護(hù)器對軌道電路2信號的衰減是在軌道電路1信號感應(yīng)電壓降低之前，故不會改變機(jī)車信號所產(chǎn)生的絕緣節(jié)信號。

5 結(jié)束語

本文利用無絕緣軌道電路的電氣分隔原理，設(shè)計了一種鄰區(qū)段干擾防護(hù)器，并給出相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)和部件參數(shù)計算公式。對于本軌道電路信號，該設(shè)備可等效為電容，且其容值和故障變化規(guī)律都與現(xiàn)有的補(bǔ)償電容相同；對于相鄰軌道電路區(qū)段信號，該設(shè)備則表現(xiàn)為串聯(lián)諧振，即對鄰區(qū)段干擾等效為短路以實現(xiàn)對其的防護(hù)。仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計的鄰區(qū)段干擾防護(hù)器可直接替代本軌道電路區(qū)段中發(fā)送端的補(bǔ)償電容進(jìn)行使用。在軌道電路正常和BA1或BA2斷線下都可以有效阻止鄰區(qū)段干擾在本軌道電路區(qū)段的傳播，且對機(jī)車信號的正常工作無影響，具有良好的實用性和兼容性。