配置BES型扼流適配變壓器的道岔區(qū)段軌道電路調(diào)整表仿真計(jì)算

劉 倡，楊世武，崔 勇，呂佳奇

（1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100044；2.通號城市軌道交通技術(shù)有限公司 研究開發(fā)中心,北京 100070）

我國普速鐵路站內(nèi)以97型25 Hz相敏軌道電路為主要制式,多采用BE 型扼流變壓器。而隨著鐵路高速、重載的發(fā)展,牽引電流和牽引功率也相應(yīng)增大,鋼軌中不平衡牽引電流干擾危害增加,當(dāng)干擾達(dá)到一定程度時(shí),將會(huì)影響軌道電路正常工作,進(jìn)而給鐵路運(yùn)營帶來安全隱患。為有效改善不平衡牽引電流脈沖干擾信號設(shè)備的問題,在大秦線2萬t重載大電流牽引擴(kuò)能改造以及客運(yùn)專線中應(yīng)用了抗干擾性能優(yōu)異的適用于ZPW—2000A 軌道電路的BES 型扼流適配變壓器（簡稱扼流適配器）,解決了其適應(yīng)大牽引電流干擾問題［1］。此外,隨著普速鐵路的提速和電氣化改造,在牽引電流干擾嚴(yán)重的區(qū)段,特別是干擾大的道岔區(qū)段,也廣泛采用適用于25 Hz 相敏軌道電路的扼流適配器替換原BE型扼流變壓器［2］。在更換扼流適配器時(shí),無須更改軌道電路本身的系統(tǒng)架構(gòu)和各信號設(shè)備的參數(shù)指標(biāo),只需更改線路的調(diào)整表。采用扼流適配器的調(diào)整方法一般參考原有調(diào)整表,但由于器材傳輸特性有差異,且扼流適配器有調(diào)整相位功能,因此目前的調(diào)整方法難以適應(yīng)實(shí)際設(shè)備更換及運(yùn)營維護(hù)的需求。

另一方面,鐵路道岔區(qū)段的軌道電路采用1 送多受的設(shè)置,實(shí)現(xiàn)對不同鋼軌線路分支的列車占用檢查、傳遞行車信息的作用,常見類型有1 送2 受與1送3受。而既有的文獻(xiàn)主要是針對1送1受型軌道電路：齊華基于1 送1 受結(jié)構(gòu)對25 Hz 相敏軌道電路進(jìn)行了仿真計(jì)算［3］；張永賢等通過建模仿真,分析計(jì)算了ZPW—2000A 型軌道電路［4］；喬志超等基于矢量匹配法建立不對稱高壓脈沖軌道電路的寬頻仿真計(jì)算模型［5］；韋強(qiáng)等通過“兩次短路法”完成軌道電路一次參數(shù)的測量［6］；田銘興等通過二端口網(wǎng)絡(luò)理論建模,分析了無絕緣軌道電路斷軌狀態(tài)的傳輸矩陣參數(shù)及接收端轉(zhuǎn)移阻抗等［7］；趙林海等基于傳輸線理論提出機(jī)車信號感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)仿真模型,并給出基于遺傳算法的無絕緣軌道電路故障綜合診斷方法［8］。孟景輝等分析了不同載頻的區(qū)間軌道電路檢測數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖,并采用線性擬合方法分析了區(qū)間軌道電路傳輸特性[9]；祝林嘯等針對新型數(shù)字編碼軌道電路傳輸?shù)恼瓗Ф嘁粽{(diào)頻信號,提出利用FIR 高通數(shù)字濾波器進(jìn)行多音調(diào)頻信號數(shù)字解調(diào)的方法[10]。而對于1 送2 受型軌道電路,相關(guān)研究則接近空白。

文獻(xiàn)［11］提出了1 送2 受型軌道電路傳輸參數(shù)計(jì)算思路,其核心思想是遇道岔分歧處將其他分支連同受端折合成阻抗并聯(lián)在1 送1 受等效電路上（列車分路時(shí),等效阻抗并聯(lián)在列車分路的支路上）,進(jìn)而采用均勻傳輸線方程法進(jìn)行各級電壓、電流等參數(shù)推算,但并未在文中給出具體計(jì)算公式和方法。故本文基于該思想,搭建典型站內(nèi)單開道岔區(qū)段1送2受型25 Hz相敏軌道電路的仿真計(jì)算模型,該模型綜合考慮鋼軌阻抗、道砟電阻等參數(shù)對軌道電路的影響不同,通過計(jì)算帶BE 型扼流變壓器時(shí)軌道電路調(diào)整及分路狀態(tài)參數(shù)來驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性；再拓展應(yīng)用于帶扼流適配器的情況,采用該模型完成軌道電路關(guān)鍵參數(shù)的仿真計(jì)算,得到道岔區(qū)段帶扼流適配器時(shí)1送2受軌道電路調(diào)整表,該調(diào)整表可用于實(shí)際軌道線路中扼流適配器的更換及維護(hù)。

1 軌道電路系統(tǒng)構(gòu)成與仿真計(jì)算模型的搭建

對于97 型25 Hz 相敏軌道電路,其道岔區(qū)段1送2 受型軌道電路系統(tǒng)由傳輸電纜、送電端扼流變壓器、送電端電源變壓器、鋼軌線路、受電端扼流變壓器（正線及側(cè)線）、受電端中繼變壓器、防護(hù)盒、交流二元二位繼電器等設(shè)備組成,如圖1所示［12］。圖中：括號內(nèi)的字母為對應(yīng)器件的英文名稱；GJZ220和GJF220為送電端電源的2個(gè)端子；GJ為軌道繼電器；JJZ220和JJG110為GJ的1束局部電源。

圖1 道岔區(qū)段1送2受型25 Hz 相敏軌道電路系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)圖1,假設(shè)機(jī)車在正線運(yùn)行,且分路點(diǎn)在正線接收端至道岔分支處鋼軌,可將側(cè)線分支連同其受端折合成等效阻抗并聯(lián)在電路上,其它單元模塊進(jìn)行四端網(wǎng)結(jié)構(gòu)等效［13］,由此搭建的軌道電路仿真計(jì)算模型如圖2所示。

圖2中：為供電變壓器二次測電壓；Rx為限流電阻；和分別為送電端扼流變壓器信號線圈的電壓和電流；為送電端扼流變壓器四端網(wǎng)絡(luò)系數(shù)；和分別為軌道電路始端電壓和電流；Zg1,Rd1和L1分別為送電端至道岔分支處軌道區(qū)段的鋼軌阻抗、道砟電阻、距離參數(shù),其中L1為送電端至道岔分支處鋼軌長度；和分別為正線軌道電路終端電壓和電流；Zj2為側(cè)線受電端等效阻抗；Zg(L2-x),Rd(L2-x),(L2-x)分別為道岔分支處至機(jī)車分路點(diǎn)軌道區(qū)段的鋼軌阻抗、道砟電阻、距離參數(shù),其中L2為道岔分支處至正線接收端鋼軌長度；x為機(jī)車分路點(diǎn)至正線受電端鋼軌長度；Rf為機(jī)車分路電阻；Zgx,Rdx,x為機(jī)車分路點(diǎn)至正線受電端軌道區(qū)段的鋼軌阻抗、道砟電阻、距離參數(shù)；,為正線受電端扼流變壓器四端網(wǎng)絡(luò)系數(shù)；Ry為正線受電端扼流變壓器與軌道電壓器間的連接電阻；為正線受電端中繼變壓器四端網(wǎng)絡(luò)系數(shù)；和分別為正線受電端扼流變壓器信號線圈的電壓和電流；Rl為連接中繼變圧器與軌道繼電器電纜等效電阻。

圖2 1送2受型25Hz 相敏軌道電路仿真計(jì)算模型

通過圖2中各模塊四端網(wǎng)系數(shù)可計(jì)算得出電路模型中各支路電壓、電流,并采用四端網(wǎng)級聯(lián)的方式（即各模塊四端網(wǎng)系數(shù)矩陣相乘）,完成該軌道電路系統(tǒng)仿真從受電端到送電端的推算。另外,對并聯(lián)及串聯(lián)在電路中的阻抗（分別以Zj2和Rx為例）,其四端網(wǎng)系數(shù)矩陣[Aj2Bj2Cj2Dj2]和[AxBxCxDx]與其阻抗的換算關(guān)系為

2 帶BE時(shí)仿真計(jì)算及分析驗(yàn)證

2.1 軌道四端網(wǎng)絡(luò)系數(shù)計(jì)算

在普速鐵路,站內(nèi)多采用雙塞釘式鋼軌接續(xù)線,25 Hz 相敏軌道電路的鋼軌阻抗為0.62∠42° Ω · km-1［14］。道砟電阻的取值,根據(jù)《鐵路信號維護(hù)規(guī)則技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ》［14］的規(guī)定,在軌道電路調(diào)整狀態(tài)計(jì)算時(shí)取最小值0.6 Ω · km,在分路狀態(tài)計(jì)算時(shí)取無窮大值∞。在1送2受情況下,由于道岔分支的存在,需將軌道區(qū)段分成3段,即①送電端至道岔分支處,②道岔分支處至正線受電端,③道岔分支處至側(cè)線受電端,且3 段軌道的長度L1,L2,L3均取為0.2 km。

以軌道區(qū)段①為例,根據(jù)傳輸線方程法［15-17］,求得傳播常數(shù)γ1和特性阻抗ZK1分別為

故四端網(wǎng)絡(luò)系數(shù)為

2.2 軌道電路調(diào)整狀態(tài)參數(shù)計(jì)算

以軌道線圈電流零度相角為基準(zhǔn),從正線受電端開始向前推算,此時(shí)道砟電阻取最小值。已知軌道繼電器GJ工作電壓為15∠70° V,且不考慮相位條件時(shí),當(dāng)其端電壓高于15 V,GJ 吸起,當(dāng)其端電壓低于8.6 V,GJ落下［11］。

軌道繼電器至中繼變壓器間傳輸電纜的電阻Rl=100 Ω,扼流變壓器至軌道變壓器間連接線的電阻Ry=0.3 Ω,限流電阻Rx=4.7 Ω。中繼變壓器選用BG25-130/25 型,扼流變壓器選用BE—400/25 型。對系數(shù)為A˙,B˙,C˙,D˙的通用四端網(wǎng)絡(luò),可通過式（6）所示的傳輸方程,完成二次側(cè)到一次側(cè)電壓及電流的推算。

考慮此時(shí)交流二元二位繼電器失調(diào)角β=-14.35°,調(diào)整狀態(tài)部分參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 調(diào)整狀態(tài)部分參數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.3 軌道電路分路狀態(tài)參數(shù)計(jì)算

為確保鐵路信號系統(tǒng)正常運(yùn)行,1 送2 受軌道區(qū)段采用將全部支路的軌道繼電器前接點(diǎn)串聯(lián)的方式來控制軌道復(fù)示繼電器的動(dòng)作,且須保證每次分路檢查至少有1個(gè)軌道繼電器可靠落下。以列車在道岔分支處正線鋼軌分路情況為例,列車分路電阻Rf=0.06 Ω。此時(shí)道砟電阻取最大值。假設(shè)列車分路點(diǎn)距正線接收端線路長度為xkm,故整個(gè)系統(tǒng)的軌道區(qū)段被分為x,(L2-x),L1km共3 段。以x從0開始以dx=0.025 km為步長遞增為例展開計(jì)算。考慮到列車分路時(shí)必須滿足軌道繼電器可靠釋放的條件,即其可靠釋放值為工作值的44%,故此時(shí)正線鋼軌終端電壓及電流分別為0.19∠73.93° V、0.36∠41.33° A。

分路時(shí)需將受電端到送電端完整軌道區(qū)段分3 段處理：分路點(diǎn)至正線受電端、道岔分支處至分路點(diǎn)、送電端至道岔分支處。

考慮失調(diào)角β=6.94°,不同列車分路點(diǎn)下分路狀態(tài)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。

2.4 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

將上述計(jì)算結(jié)果與《鐵路信號維護(hù)規(guī)則》［14］對比驗(yàn)證可知,提出的帶BE 型扼流變壓器的軌道電路仿真計(jì)算模型符合1 送2 受型軌道電路電氣特性,滿足97型25 Hz相敏軌道電路調(diào)整表要求。分路狀態(tài)時(shí),接收端殘壓最小值大于7.4 V,可保證軌道繼電器可靠落下；最不利地點(diǎn)分路靈敏度不小于0.06 Ω,可保證軌道電路可靠分路；各分路點(diǎn)電壓余量均大于8.0,說明軌道電路能夠正常工作。由此可知,該模型符合現(xiàn)場實(shí)際情況,可用于道岔區(qū)段1送2受型25 Hz相敏軌道電路的仿真計(jì)算。將該模型中的扼流變壓器四端網(wǎng)絡(luò)替換為扼流適配器四端網(wǎng)絡(luò),便可將該模型拓展應(yīng)用到帶BES 的軌道電路區(qū)段。

表2 分路狀態(tài)部分參數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 帶扼流適配器時(shí)仿真計(jì)算及關(guān)鍵參數(shù)特性

3.1 扼流適配器四端網(wǎng)系數(shù)測量計(jì)算

為解決電氣化干擾［18-20］引起的25 Hz 系列軌道電路脈沖干擾導(dǎo)致誤動(dòng)問題,扼流適配器采用大氣隙的鐵芯,且在信號側(cè)并聯(lián)適配器。一方面,采用串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的電路特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對50 Hz工頻干擾的濾除,避免其進(jìn)入信號設(shè)備；另一方面提高了對25 Hz 信號的傳輸阻抗［21］。顯然,其傳輸特性與普通扼流變壓器也存在差異。

扼流適配器電路如圖3所示。主要包括：自耦變壓器；Rm與Lm并聯(lián)構(gòu)成的等效勵(lì)磁阻抗電路；理想變比變壓器（變比為n）；二次側(cè)等效電路這4 個(gè)電路模塊［22-23］；漏阻抗ZL。其中二次測等效電路中：L3為次級線圈勵(lì)磁感抗；L2,C1,C2,R構(gòu)成諧振電路,實(shí)現(xiàn)適配器功能。

圖3 扼流適配器電路

現(xiàn)基于BES2型扼流適配變壓器展開具體參數(shù)計(jì)算。通過實(shí)測可得到扼流適配器一次側(cè)（信號側(cè)）開路阻抗Z1∞、短路阻抗Z10,以及二次側(cè)（鋼軌側(cè)）開路阻抗Z2∞、短路阻抗Z20,其值與扼流適配器四端網(wǎng)絡(luò)系數(shù)換算關(guān)系如式（7）所示,根據(jù)式（7）即可反推扼流適配器四端網(wǎng)絡(luò)系數(shù)。

以扼流適配器變比為26 為例,根據(jù)式（7）可反推得到發(fā)送端四端網(wǎng)絡(luò)系數(shù)為=3.914 1∠-9.9°,=5.343 0∠17.1°,=0.192 0∠-17.1°,=0.517 6∠9.9°。計(jì)算接收端系數(shù)時(shí),可認(rèn)為電流反向,即變壓器一次側(cè)與二次側(cè)交換,故式（7）中Z1∞,Z10,Z2∞應(yīng)分別用Z2∞,Z20,Z1∞替換,再反推得到接收端四端網(wǎng)絡(luò)系數(shù)為=0.405 7∠9.286 9°,=1.631 7∠11.486 9°,C˙besh=0.150 5∠-17.713 1°,=3.067 6∠-10.513 1°。

3.2 調(diào)整表計(jì)算

根據(jù)圖2所示模型,選取鋼軌傳輸阻抗0.62∠42°Ω · km-1,道砟電阻0.6 Ω · km,受電端軌道變壓器與扼流適配變壓器之間的電纜電阻為RS,限流電阻為Rx（含扼流適配器至供電變壓器之間電纜的電阻）,軌道長度L1,L2,L3≤200 m,其他基本線路參數(shù)沿用帶BE 時(shí)的情況。仿真計(jì)算得出軌道電路調(diào)整表見表3。表中：Ujmin與Ujmax分別為軌道繼電器最小與最大端電壓,即交流二元二位繼電器軌道線圈上電壓的計(jì)算分別對應(yīng)道砟電阻為最小值及最大值的2種情況［24］；Ucan為機(jī)車分路時(shí)軌道電路接收端殘壓,即標(biāo)準(zhǔn)分路電阻在軌面分路時(shí)軌道繼電器端電壓［25］。

表3 帶扼流適配器軌道電路調(diào)整表

Ucan值可由圖4所示模型與式（8）計(jì)算,圖4中：四端網(wǎng)絡(luò)系數(shù)Acan,Bcan,Ccan,Dcan為分路電阻后級至軌道繼電器GJ 前級的等效四端網(wǎng)絡(luò)矩陣的乘積；Uf為分路電阻Rf兩端電壓；Ican為GJ前級輸入電流。

圖4 分路殘壓計(jì)算模型

經(jīng)計(jì)算,本例中軌道電路分路殘壓值均不超過7.4 V,符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的97 型軌道電路接收端殘壓值不應(yīng)大于7.4 V。故得到的調(diào)整表可應(yīng)用于帶扼流適配器時(shí)1送2受型軌道電路。

3.3 分路靈敏度計(jì)算及分析

分路靈敏度是軌道電路中引起分路效應(yīng)時(shí)的最大分路電阻值,記為βlm,其用阻值的形式表示［26］,即

式中：與分別為分路狀態(tài)與調(diào)整狀態(tài)時(shí)發(fā)送端供電變壓器電壓。

為保證軌道電路可靠分路,要求線路分路最不利點(diǎn)的分路靈敏度不小于0.06 Ω。為此,選取分路步長為25 m,遍歷分路點(diǎn),采用上述模型和式（9）,仿真計(jì)算不同分路點(diǎn)距接收端距離時(shí)的分路靈敏度,結(jié)果如圖5所示。由圖可知,軌道各處分路靈敏度均大于0.06 Ω,符合軌道電路可靠分路的要求。

圖5 不同列車分路點(diǎn)下的分路靈敏度

觀察圖5中曲線的變化趨勢,顯然曲線在道岔分支處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,說明道岔分支處是該線路條件下分路最不利點(diǎn)。該結(jié)果與文獻(xiàn)［11］中無受電分支情況下1 送2 受型軌道電路區(qū)段分路最不利點(diǎn)在岔尖處的結(jié)果相符,但與傳統(tǒng)1 送1 受型軌道電路區(qū)段分路最不利點(diǎn)在接收端或發(fā)送端不符。其主要原因在于：道岔設(shè)置尖軌及轍叉等結(jié)構(gòu),存在有害空間,易出現(xiàn)“擠岔”、“四開”等故障［27］；岔區(qū)采用道岔跳線和道岔絕緣的設(shè)置實(shí)現(xiàn)1 送2 受型軌道電路基本功能；通過接續(xù)線的設(shè)置實(shí)現(xiàn)道岔各組成單元間軌縫的電氣連接,岔尖處跳線與軌縫設(shè)置則更為復(fù)雜,列車分路時(shí)鋼軌中電流存在多條支路；道岔尖有害空間處各鋼軌支路并未實(shí)際連通,而是利用跳線的設(shè)置構(gòu)成電流通路,而列車分路是依靠輪對接觸鋼軌表面實(shí)現(xiàn),從而導(dǎo)致列車不易有效分路。綜上所述,道岔岔尖是1 送2 受型軌道電路區(qū)段中最易導(dǎo)致分路不良的機(jī)械環(huán)節(jié)。

3.4 軌道繼電器工作電壓余量比

軌道繼電器工作電壓余量比K的計(jì)算公式為

式中：UFmin為最小分路電壓；UB為調(diào)整電壓,即按軌道繼電器工作電壓為15 V 時(shí)計(jì)算出的供電電壓值［11］。

為確保列車分路時(shí)軌道繼電器可靠落下,要求供電電壓滿足列車在分路最不利點(diǎn)的電壓余量比不小于8.0。為此,采用上述模型和式（10）,仿真計(jì)算各分路點(diǎn)的電壓余量比。結(jié)果表明,該線路條件下最小電壓余量比均大于8.0,可判定各分路點(diǎn)電壓余量比均滿足軌道繼電器可靠工作的要求。

3.5 不同道砟電阻時(shí)調(diào)整表計(jì)算

軌道電路調(diào)整表的配置是根據(jù)各條線路固定參數(shù)來計(jì)算的。然而,軌道電路的實(shí)際工作環(huán)境會(huì)隨著自然環(huán)境條件的變化相應(yīng)發(fā)生改變。尤其是道砟電阻作為軌道電路的一次參數(shù),其變化特性十分復(fù)雜。道砟電阻的等效值與多種因素有關(guān),在實(shí)際鐵路現(xiàn)場中,由于道砟材料、道砟層的厚度和清潔度、軌枕的材質(zhì)和數(shù)量、路基和土壤的導(dǎo)電率、氣候等的變化［28］,導(dǎo)致不同線路的道碴電阻不同。故針對不同線路條件,選取不同的道砟電阻Rd［29］,采用上述模型,仿真計(jì)算不同道砟電阻時(shí)軌道電路調(diào)整表,結(jié)果見表4,表中分路殘壓Ucan為其計(jì)算結(jié)果的最大值。

表4 不同道碴電阻情況時(shí)的調(diào)整表

由表4可知：計(jì)算結(jié)果滿足調(diào)整和分路狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)要求；隨著道砟電阻的增大,軌道電路正常工作所需發(fā)送電平減小,軌道繼電器最大端電壓下降,軌道繼電器最小端電壓增加,分路殘壓下降。顯然,道砟電阻的增大,使得軌道電路可允許發(fā)送電平適度降低,且更有利于列車分路。

4 結(jié) 論

（1）提出了一種應(yīng)用于站內(nèi)道岔區(qū)段1 送2 受型軌道電路的仿真計(jì)算模型,并基于現(xiàn)場實(shí)測的帶BE 型扼流變壓器的軌道電路一次傳輸參數(shù),對軌道電路調(diào)整和分路狀態(tài)下發(fā)送電壓和電流的模擬計(jì)算,結(jié)果反映了1 送2 受型軌道電路的工作特性,符合現(xiàn)有調(diào)整表要求,從而驗(yàn)證了該模型的正確性和有效性。將該模型中的扼流變壓器四端網(wǎng)絡(luò)替換為扼流適配器四端網(wǎng)絡(luò),便可將該模型拓展應(yīng)用到帶BES的軌道電路區(qū)段。

（2）結(jié)合扼流適配器傳輸特性,實(shí)際測量并計(jì)算了其四端網(wǎng)絡(luò)系數(shù)；采用拓展的模型仿真計(jì)算,得到帶扼流適配器軌道電路在1 送2 受區(qū)段的調(diào)整表；同時(shí)計(jì)算分析該軌道電路區(qū)段的分路靈敏度和電壓余量比可知,分路最不利點(diǎn)的分路靈敏度滿足不小于0.06 Ω的要求,且道岔岔尖是1 送2 受型軌道電路區(qū)段中最易導(dǎo)致分路不良的機(jī)械環(huán)節(jié)；最小電壓余量比均大于8.0,故各分路點(diǎn)電壓余量比均滿足軌道繼電器可靠工作的要求。

（3）采用該拓展模型仿真計(jì)算得到不同道砟電阻時(shí)的調(diào)整表。道砟電阻的增大,使得軌道電路可允許發(fā)送電平適度降低,且更有利于列車分路。

（4）該模型可用于實(shí)際線路更換扼流適配器后軌道電路調(diào)整表的編制,以及軌道電路維護(hù)及優(yōu)化時(shí)調(diào)整表的計(jì)算。同時(shí),該模型也可拓展應(yīng)用于三開、復(fù)式交分等道岔區(qū)段以及ZPW—2000A 型等其他制式軌道電路調(diào)整表的計(jì)算。