基于區(qū)間相鄰軌電壓波動原因分析及對策

閆仁鋒

(包神鐵路集團神朔鐵路公司陰塔站區(qū)，山西忻州 036600)

目前中國鐵路自動閉塞區(qū)間系統(tǒng)，設(shè)備選型普遍采用ZPW-2000A 型軌道電路，該設(shè)備為國內(nèi)鐵路自動閉塞系統(tǒng)的主流產(chǎn)品，其是在法國UM71 軌道電路的基礎(chǔ)上通過消化吸收、創(chuàng)新自主研發(fā)的國產(chǎn)化產(chǎn)品，具有鐵路信號設(shè)備的防電磁干擾、安全冗余、“故障—安全”原則。而神朔鐵路自動閉塞區(qū)間采用雙側(cè)線路及雙向運行的三顯示方式，ZPW-2000A 型軌道電路，這些設(shè)備產(chǎn)品的上道運用，推動了神朔線鐵路運能的多拉快跑。但在現(xiàn)場實際運用中，由于設(shè)備器材性能、工藝標(biāo)準(zhǔn)的差異性，設(shè)計上溝通牽引電流、平衡電位的橫向連接線、吸上線設(shè)置的不合理，電纜材質(zhì)特性、施工工藝的欠缺等諸多外界因素的影響，ZPW-2000A 設(shè)備不可避免地存在受其他因素的干擾，給鐵路運輸潛伏了安全隱患。

1 干擾問題的提出

2019 年初，神朔線管內(nèi)保德站信號集中監(jiān)測更新改造施工完成后，通過調(diào)閱查詢分析信號集中監(jiān)測曲線，發(fā)現(xiàn)保—王（保德站至王家寨站）區(qū)間上行線保德站S1LQG 區(qū)段在列車占用，且相鄰線路1109G 同時有車占用時，S1LQG 區(qū)段載頻2000-1 型軌出1 分路殘壓最高達(dá)289.3 mV，嚴(yán)重超過ZPW-2000A 軌道電路分路電壓最高報警上限值140 mV，且持續(xù)時間長達(dá)1 min 多，電氣特性超限報警頻繁。當(dāng)列車完全出清相鄰線路后，觀察到S1LQG 電壓曲線恢復(fù)正常。上述現(xiàn)象表明，S1LQG 在與相鄰線路同時有車占用情況下存在嚴(yán)重的行車安全隱患。區(qū)間相鄰軌會車時，S1LQG 區(qū)段分路殘壓超限報警如圖1 所示。

圖1 區(qū)間相鄰軌會車時，S1LQG區(qū)段分路殘壓超限報警圖Fig.1 Alarms of residual voltage that is above the limit in the sub-circuits of Section S1LQG when two trains head toward each other on adjacent tracks

2 現(xiàn)場調(diào)閱回放分析

通過調(diào)閱信號集中監(jiān)測曲線回放分析，發(fā)現(xiàn)S1LQG 區(qū)段發(fā)生分路殘壓報警具備以下幾個特性。

1）保德站S1LQG 區(qū)段發(fā)生分路殘壓超標(biāo)嚴(yán)重波動現(xiàn)象時，該區(qū)間上下行相鄰線路會車，如圖1所示。

2）保德站S1LQG 區(qū)段列車通過，相鄰線路相鄰區(qū)段1109G 無列車占用，S1LQG 區(qū)段列車占用分路時軌出1 電壓曲線略有波動曲線圖，此時可以忽略不計，如圖2 所示。

圖2 S1LQG與相鄰線路區(qū)段無會車時的電壓曲線Fig.2 Voltage curves of S1LQG when no trains head toward each other in S1LQG and adjacent line segments

3）保德站S1LQG 列車且與相鄰線路1109G 同時有車占用時，通過調(diào)閱信號集中監(jiān)測中心頻曲線數(shù)據(jù)查看其電氣特性，發(fā)現(xiàn)報警時S1LQG 軌入電壓同時存在2000-1 型(1106AG 中心頻為2001.4Hz）、2000-2 型（S1LQG 中心頻）兩種載頻頻率。而軌出1 電壓中心頻不僅有本區(qū)段的1 998.7 Hz 頻率，還有列車運行前方相鄰區(qū)段1106AG 中心頻的2 001.4 Hz 頻率，通過對電氣特性數(shù)據(jù)梳理分析，初步判斷造成S1LQG 區(qū)段電氣特性分路殘壓超限且報警的直接原因為混入了相鄰區(qū)段1106G 中AG的載頻頻率，如圖1 所示 。

3 ZPW-2000A軌道電路干擾原因分析

電氣化鐵路規(guī)定ZPW-2000A 軌道電路在分路狀態(tài)最不利條件下，在主軌道內(nèi)的任意一點采用0.15 Ω 標(biāo)準(zhǔn)分路線進行分路時，軌道電路的“軌出1”分路電壓不能大于140 mV；并且軌道繼電器必須保證可靠落下。保德站S1LQG 在自身及相鄰線路有車占用時，其分路殘壓已經(jīng)超過《鐵路信號維護規(guī)則》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣特性分路殘壓值，因此盡快對該技術(shù)隱患問題進行查找處理，防止出現(xiàn)不可控制的電務(wù)安全風(fēng)險。綜合考慮各種情況，按照《鐵路信號維護規(guī)則》、《鐵路信號設(shè)計規(guī)范》及參照造成ZPW-2000A 型軌道電路可能干擾原因的分析，此故障的原因應(yīng)該有以下3 個方面。

3.1 數(shù)字信號電纜使用錯誤或電纜性能不良

電氣化鐵路自動閉塞區(qū)間的ZPW-2000A 型軌道電路，為防止電氣化區(qū)段各種電磁干擾、竄頻干擾及其他外界干擾，在滿足軌道電路的傳輸上，采用鐵路數(shù)字型、內(nèi)屏蔽型信號電纜；當(dāng)信號傳輸線有相同頻率的信息同時傳輸時，電纜使用有線對的內(nèi)屏蔽型電纜；規(guī)定同一根數(shù)字信號電纜不能同時傳送兩個頻率相同的發(fā)送與接收信息；當(dāng)有兩個頻率相同的發(fā)送信息時，使用的數(shù)字信號電纜嚴(yán)禁設(shè)置在同一頻率四線組內(nèi)；對數(shù)字信號電纜中傳輸?shù)陌l(fā)送、接收信息，電纜線對要求按四芯組對角線成對使用；對線路敷設(shè)、終端設(shè)備備用、進入信號機械室內(nèi)備用的電纜余量不得成“O”形閉合環(huán)狀存放。數(shù)字信號電纜電氣特性規(guī)定芯線全程對地絕緣不小于1 MΩ?？梢奪PW-2000 系列無絕緣軌道電路使用的內(nèi)屏蔽數(shù)字信號電纜，在電纜的始、終端，如果內(nèi)、外屏蔽層沒有做到良好的工藝連接，可靠接地，密封處理，當(dāng)受潮或外力及不可預(yù)估出現(xiàn)虛斷或接地處斷線時，由于數(shù)字信號電纜互感耦合以及發(fā)送電平過高容易造成竄頻干擾，容易出現(xiàn)地面信號和機車信號顯示升級。

3.2 自動閉塞區(qū)間吸上線設(shè)置位置不合理

為確保電氣化鐵路牽引電流順利回歸牽引變電所，防止?fàn)恳黄胶獯箅娏鲗π盘栐O(shè)備造成干擾及燒損，牽引供電專業(yè)在區(qū)間設(shè)置了吸上線，在站內(nèi)進站處設(shè)置橫向連接線。兩線都是為了保證牽引電流的回流暢通，平衡兩線路的電位而設(shè)置的，用來保護人身和設(shè)備安全。如果上述功能線設(shè)置位置不合理，安裝距離不滿足《鐵路信號設(shè)計規(guī)范》中“相鄰軌道電路和軌道電路兩端不得連續(xù)加設(shè)吸上線，自動閉塞區(qū)段相鄰吸上線的安裝間距不得小于2 個閉塞分區(qū)”的規(guī)定。極有可能形成軌道電路第三軌電流通路，造成相鄰線路相鄰區(qū)段竄頻干擾。通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，保德站的S1LQG 接收端吸上線坐標(biāo)K109+836 接觸網(wǎng)桿號112#；橫向連接線坐標(biāo)K109+885 m；1109G 發(fā)送端吸上線坐標(biāo)K109+836 接觸網(wǎng)桿號155#；橫向連接線坐標(biāo)K109+885 m；1106AG 接收端吸上線坐標(biāo)K111+551 接觸網(wǎng)桿號002#；橫向連接線坐標(biāo)K111+605 m；1133AG 發(fā)送端吸上線坐標(biāo)K111+551 接觸網(wǎng)桿號001#，橫向連接線坐標(biāo)K111+551 m。通過現(xiàn)場檢查、測試及圖紙對照分析，發(fā)現(xiàn)?！鯀^(qū)間下行線1109G、1133G 區(qū)段設(shè)置的吸上線不符合《鐵路信號設(shè)計規(guī)范》中“相鄰軌道電路和軌道電路兩端不得連續(xù)加設(shè)吸上線，自動閉塞區(qū)段相鄰吸上線的安裝間距不得小于2 個閉塞分區(qū)”的規(guī)定。造成保德至王家寨區(qū)間線路在S1LQG 和1109G 處上下行同時有車占用時，通過吸上線、橫向連接線構(gòu)成軌道電路第三軌迂回通路，將1106AG 的信息竄入S1LQG。造成S1LQG 分路殘壓超標(biāo)，使信號設(shè)備潛伏著嚴(yán)重的行車安全隱患。如圖3 所示。

3.3 相鄰線路臨近區(qū)段干擾原因分析

3.3.1 ZPW-2000A型軌道電路電氣絕緣原理

ZPW-2000A 型軌道電路由電氣絕緣節(jié)和調(diào)諧單元組成，其電氣絕緣節(jié)由兩根29 m 長的鋼軌和其兩端各設(shè)置的一個調(diào)諧單元及空心線圈構(gòu)成，其中由L1、C1兩組件構(gòu)成F1型調(diào)諧單元，適用于1 700 Hz、2 000 Hz 載頻的移頻軌道電路；由L2、C2、C2三組件構(gòu)成F2型調(diào)諧單元，適用于2 300 Hz、2 600 Hz 載頻的移頻軌道電路。各種調(diào)諧單元主要用于對相鄰軌道電路實現(xiàn)電氣隔離作用，當(dāng)接收到本區(qū)段軌道電路的載頻信息時，軌道電路產(chǎn)生并聯(lián)諧振，諧振阻抗表現(xiàn)為高阻性，有利于本區(qū)段軌道電路信息的傳輸及接收；而對于相鄰區(qū)段軌道電路的載頻信息產(chǎn)生串聯(lián)諧振，諧振阻抗呈現(xiàn)零阻性，相鄰區(qū)段的移頻信號短路，防止相鄰區(qū)段移頻信息越區(qū)傳輸。電氣絕緣原理圖及各部件說明如圖4 所示。

圖3 S1LQG、1109G、1133G、1106G處吸上線和橫向連接線構(gòu)成第三軌迂回電路圖Fig.3 Diagram of circuitous circuits of the third rail composed of suction lines and transverse connecting lines at S1LQG, 1109G, 1133G and 1106G

圖4 ZPW-2000A電氣絕緣原理圖Fig.4 Schematic diagram of ZPW-2000A electrical insulation

圖4 中，F(xiàn)1（F2）型調(diào)諧單元的L1、C1（L2、C2）對F2（F1）端的頻率為串聯(lián)諧振，電路諧振時呈現(xiàn)低阻抗，表現(xiàn)為“零阻抗”，短路F2（F1）端的移頻信息，避免相鄰區(qū)段移頻信息進入本區(qū)段。

F1（F2）型調(diào)諧單元對于本區(qū)段的移頻信息呈現(xiàn)電容性，同調(diào)諧區(qū)的鋼軌、空心線圈等構(gòu)成電路并聯(lián)諧振，電路諧振時呈現(xiàn)高阻抗，便于本區(qū)段移頻信號的傳輸。

3.3.2 干擾原因分析

通 過 對S1LQG、1106G、1109G、1133G 軌道區(qū)段自身載頻頻率及測試數(shù)據(jù)分析，S1LQG軌入中心載頻2 000-2 Hz，正常時軌入主電壓1 119.7 mV，軌出1 電壓645.3 mV。測試收端調(diào)諧單元輸入阻抗值波動且極不穩(wěn)定，極阻抗數(shù)據(jù)為0.3 ～0.5 Ω；零阻抗數(shù)據(jù)為0.01 ～0.09 Ω，與2 000 Hz 調(diào)諧單元出廠的阻抗值相背離。同一里程相鄰區(qū)段的1109G 軌入中心載頻2 300-1 Hz，正常軌入主電壓1 311.6 mV，軌出1 電壓692.1 mV。S1LQG 運行前方區(qū)段1106G，分為1106BG、1106AG 兩個區(qū)段，其中1106BG 中心載頻2 600-1 Hz，1106AG 中心載頻2 000-2 Hz；不難看出軌道區(qū)段S1LQG 和1106AG 的載頻一樣，只是區(qū)別于“1”和“2”兩種型號，當(dāng)S1LQG 且相鄰線路1109G 同時有車占用時，通過S1LQG 軌道電路區(qū)段的接收端、1109G 發(fā)送端的橫向連接線及此處的吸上線、1106AG 的接收端以及1133AG處的簡單橫向連接線、吸上線構(gòu)成迂回通路，造成S1LQG 接收端調(diào)諧單元竄入1106AG 的載頻頻率和一定幅度的干擾電壓。當(dāng)S1LQG 接收端調(diào)諧單元設(shè)備性能、電氣特性不良時，由于混入同一載頻，致使S1LQG 有車占用時，分路殘壓嚴(yán)重超標(biāo)并報警，若不及時查找處理，極其嚴(yán)重的行車安全隱患帶來的后果將不堪設(shè)想。

4 解決對策

通過對S1LQG 干擾原因分析，會同中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司太原設(shè)計院及供電專業(yè)共同調(diào)整保德至王家寨間吸上線的安裝位置，確保了區(qū)間相鄰區(qū)段吸上線的設(shè)置符合《鐵路信號維護》關(guān)于吸上線設(shè)置的相關(guān)規(guī)定。

通過電氣特性數(shù)據(jù)分析，更換S1LQG 接收端的調(diào)諧單元及匹配變壓器，確保軌道電路接收設(shè)備性能良好，工作穩(wěn)定，達(dá)到良好的電氣傳輸、電氣隔離。

5 結(jié)論

通過移設(shè)自動閉塞相鄰區(qū)間的吸上線，更換良好的調(diào)諧單元及匹配變壓器，此安全隱患得到了徹底處理，保障鐵路運輸安全暢通。