有軌電車(chē)專用軌道電路（ITCM-100型）工程應(yīng)用研究

楊崢嶺，楊建華，劉 堯，張 楠，楊 普

（通號(hào)萬(wàn)全信號(hào)設(shè)備有限公司，杭州 310000）

有軌電車(chē)快速發(fā)展，對(duì)快速、高效有了明顯的需求。現(xiàn)代有軌電車(chē)采用專用路權(quán)的線路也越來(lái)越多，運(yùn)行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全等級(jí)要求越來(lái)越高。正線岔區(qū)列車(chē)占用檢測(cè)在有軌電車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)中，一直是個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外已開(kāi)通的有軌電車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)中，正線岔區(qū)占用檢測(cè)大多采用計(jì)軸、信標(biāo)、環(huán)線等設(shè)備，軌道電路設(shè)備使用極少。通號(hào)萬(wàn)全信號(hào)設(shè)備有限公司自主產(chǎn)品ITCM-100型智能軌道電路填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)有軌電車(chē)專用軌道電路的空白。該軌道電路設(shè)備應(yīng)用在天水有軌電車(chē)示范線（一期）正線，上線到運(yùn)營(yíng)使用已一年時(shí)間，其性能穩(wěn)定、故障率低、維護(hù)方便，大大減少了運(yùn)營(yíng)維保工作量。下面從設(shè)備原理、產(chǎn)品橫向?qū)Ρ?、工程?yīng)用等方面進(jìn)行分析。

1 設(shè)備原理

ITCM-100型軌道電路采用諧振式技術(shù)檢測(cè)占?jí)海娩撥壸鳛殡姼校虚g設(shè)置可調(diào)節(jié)電容，對(duì)于列車(chē)跳車(chē)識(shí)別、分路不良等因素均不影響列車(chē)占?jí)鹤R(shí)別，具有很高的可靠性。該產(chǎn)品已通過(guò)最高安全等級(jí)SIL4評(píng)估認(rèn)證，符合“故障-安全”的原則。

ITCM-100型智能軌道電路系統(tǒng)由軌旁設(shè)備及軌面設(shè)備兩部分組成。軌旁設(shè)備主要由隔離變壓器、開(kāi)關(guān)電源及智能軌道模塊組成，其核心設(shè)備智能軌道模塊采用二取二結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)軌面信號(hào)的發(fā)送與接收并將軌道區(qū)段狀態(tài)（占?jí)夯蚩臻e）通過(guò)安全繼電器上報(bào)聯(lián)鎖系統(tǒng)；軌面設(shè)備主要由短接線、發(fā)送盒、接收盒和電容組成。軌旁設(shè)備和軌面設(shè)備系統(tǒng)連接原理，如圖1所示。

圖1 軌旁設(shè)備和軌面設(shè)備系統(tǒng)連接原理Fig.1 Connection between trackside equipment and rail surface equipment

軌面設(shè)備系統(tǒng)如圖2所示。將軌道電路兩端用120 mm2銅線短路，構(gòu)成一個(gè)封閉回路。中間加裝一個(gè)電容，電容的容量是與其并聯(lián)的鋼軌電感（有軌電車(chē)鋼軌電感為1.3 μH/m）組成一個(gè)諧振于20～30 kHz的諧振回路，頻率按公式（1）計(jì)算。

圖2 ITCM-100型智能軌道電路系統(tǒng)示意Fig.2 ITCM-100 intelligent track circuit system

公式（1）中，f——諧振頻率；L——鋼軌感抗；C——電容值。

ITCM-100型智能軌道電路諧振式采用較高的頻率20～30 kHz（ZPW-2000發(fā)送電壓頻率的10倍），以增大鋼軌感抗，提高傳輸電壓（發(fā)送電壓范圍20～65 V）；采用并聯(lián)諧振的工作模式，以增加電流，提升傳輸距離；采用頻譜分析的方法，以檢測(cè)接收頻率，提高抗干擾性。以下對(duì)軌道電路幾種工作場(chǎng)景進(jìn)行分析。

調(diào)整狀態(tài)（無(wú)車(chē)壓入的工作狀態(tài)）：發(fā)送模塊產(chǎn)生一個(gè)與軌道電路諧振頻率相同的正弦波電壓信號(hào)通過(guò)電纜、匹配盒內(nèi)的限流電感和匹配變壓器送到發(fā)送一側(cè)的鋼軌軌面；經(jīng)鋼軌傳送到接收端的匹配盒；再經(jīng)接收匹配盒內(nèi)的變壓器、電纜傳送到接收模塊；接收模塊分析接收到的信號(hào)幅度、頻率成分，判斷是否為發(fā)送端送來(lái)的正常信號(hào)。如果通過(guò)判斷可以證明沒(méi)有列車(chē)進(jìn)入該區(qū)段，控制軌道繼電器（GJ）吸起并通過(guò)通信系統(tǒng)/繼電器接點(diǎn)向區(qū)域控制器發(fā)出該區(qū)段空閑信息。

分路狀態(tài)（有車(chē)進(jìn)入的狀態(tài)）：當(dāng)有車(chē)進(jìn)入該區(qū)段（發(fā)送盒和接收盒之間）時(shí)，鋼軌被輪對(duì)短路，發(fā)送盒發(fā)出的信號(hào)大部分經(jīng)輪對(duì)回流。同時(shí)由于鋼軌的電感量改變，使得諧振頻率發(fā)生變化，回路不再與信號(hào)頻率諧振，這樣回路的阻抗也大大提高。接收端得到的信號(hào)電壓大大降低。接收端通過(guò)判斷（有效信號(hào)幅值已低于門(mén)限），GJ落下并通過(guò)通信系統(tǒng)/繼電器接點(diǎn)向區(qū)域控制器發(fā)出該區(qū)段有車(chē)信息。這時(shí)發(fā)送模塊的負(fù)載可能變得很小，（輪對(duì)壓在發(fā)送匹配盒附近）電流會(huì)變大，有限流電感的存在可以將這個(gè)電流控制在安全范圍內(nèi)。

防止列車(chē)跳動(dòng)：列車(chē)進(jìn)入?yún)^(qū)段后車(chē)輪由于列車(chē)震動(dòng)可能會(huì)瞬間離開(kāi)鋼軌，造成列車(chē)還在區(qū)段內(nèi)便有列車(chē)出清的反應(yīng)。為此系統(tǒng)在硬件和軟件中采取以下措施解決上述問(wèn)題：軌道繼電器采用緩吸措施，也就是列車(chē)出清后不立即吸起而是延長(zhǎng)一段時(shí)間，在延長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不再有列車(chē)占用信息，則控制繼電器吸起。否則不吸起。同樣送出的空閑信息也延時(shí)發(fā)出。若有多個(gè)軌道電路組成的軌道區(qū)段還要經(jīng)區(qū)域控制器經(jīng)過(guò)邏輯判斷決定該區(qū)段是否出清。

2 主流產(chǎn)品橫向?qū)Ρ?/h2>

目前有軌電車(chē)空閑檢查的設(shè)備主要有3種：計(jì)軸式軌道電路、信標(biāo)讀卡器和感應(yīng)環(huán)線。這些設(shè)備在有軌電車(chē)系統(tǒng)中的應(yīng)用都有一些不足。

計(jì)軸式軌道電路存在需要記住歷史數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)，如果出現(xiàn)斷電將無(wú)法準(zhǔn)確判斷列車(chē)實(shí)際位置。另外運(yùn)營(yíng)部門(mén)大多不允許鋸護(hù)輪軌，設(shè)備只能安裝在鋼軌外側(cè)?？紤]到彎道影響還必須裝雙套，設(shè)備的靈敏度和可靠性都有所下降。

信標(biāo)讀卡器是在地面安裝信標(biāo)在車(chē)上安裝讀卡器，在車(chē)通過(guò)信標(biāo)時(shí)車(chē)載設(shè)備讀出列車(chē)位置并通過(guò)區(qū)域通信將信息傳送給地面控制設(shè)備。設(shè)備比較復(fù)雜，如果通信故障對(duì)行車(chē)控制來(lái)講是危險(xiǎn)的。所以其可靠性和安全性不夠理想。

感應(yīng)環(huán)線是在線路鋼軌內(nèi)側(cè)加裝感應(yīng)線圈并連接發(fā)送接收設(shè)備，車(chē)上安裝車(chē)載設(shè)備與天線。可以完成車(chē)地雙向通信，采用全雙工通信模式。車(chē)載設(shè)備可以得到定位信息和地面信號(hào)信息，地面設(shè)備可以得到機(jī)車(chē)類(lèi)型和車(chē)次信息。由于車(chē)輛和地面均有設(shè)備且相互通信，任意單點(diǎn)設(shè)備故障都將無(wú)法正確得到區(qū)段空閑信息。

有軌電車(chē)專用諧振式軌道電路可以較好克服上述設(shè)備存在的不足，空閑檢查性能對(duì)比如表1所示。

表1 空閑檢查設(shè)備性能對(duì)比Tab.1 Comparison of the performance of equipment for detecting clear sections

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)有軌電車(chē)專用軌道電路使用不擔(dān)心設(shè)備停電，設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可靠性和安全性都比較好。使用場(chǎng)景也較廣泛，主要用于城市交通路口，檢查道岔區(qū)域和進(jìn)路前方有無(wú)列車(chē)，作為道岔轉(zhuǎn)換開(kāi)放信號(hào)的必要條件。

對(duì)于一組道岔來(lái)說(shuō)要有預(yù)告區(qū)段、接近區(qū)段、岔心區(qū)段、定位區(qū)段、反位區(qū)段和定位離去區(qū)段、反位離去區(qū)段。對(duì)于一個(gè)道岔控制區(qū)有多組道岔，根據(jù)相互關(guān)系可以從邏輯上合并檢查。

軌道電路也可用于區(qū)間列車(chē)的運(yùn)行間隔控制，成本比衛(wèi)星定位系統(tǒng)高一些，但可靠性也高很多。

3 工程應(yīng)用

在工程設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)聯(lián)鎖邏輯區(qū)段（A-B區(qū)段）由2個(gè)軌道電路（A軌道電路、B軌道電路）組成，如圖3所示。聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算時(shí)，當(dāng)有一個(gè)軌道電路占用（A或B）時(shí)，該邏輯區(qū)段（A-B區(qū)段）就顯示占用狀態(tài)，若另外一個(gè)軌道電路未占用，則聯(lián)鎖邏輯區(qū)段不能出清。只有按照進(jìn)路方向順序占?jí)翰⒊銮遘壍离娐罚撀?lián)鎖區(qū)段才會(huì)顯示出清，進(jìn)路才會(huì)解鎖，保證行車(chē)安全性。

圖3 邏輯區(qū)段與軌道區(qū)段設(shè)置舉例Fig.3 Example of logic section and track section

在工程安裝方面，軌面設(shè)備主要通過(guò)連接線方式連接鋼軌。導(dǎo)線與鋼軌有兩種連接方式：塞釘式和焊接式。

1）塞釘式：將導(dǎo)線預(yù)先焊接在塞釘?shù)念A(yù)留孔內(nèi)。在現(xiàn)場(chǎng)鋼軌上打孔，然后將塞釘鉚接在孔上。優(yōu)點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)備較簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：對(duì)鋼軌的機(jī)械強(qiáng)度有一定影響，同時(shí)在前期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)接觸電阻比較大且施工難度也較大。

2）焊接式：將導(dǎo)線預(yù)先焊接在安裝板的預(yù)留孔內(nèi)。在現(xiàn)場(chǎng)用電焊機(jī)將安裝板焊接在鋼軌上。缺點(diǎn)：需要現(xiàn)場(chǎng)焊接；優(yōu)點(diǎn)：對(duì)鋼軌的機(jī)械強(qiáng)度基本沒(méi)有影響，接觸電阻小。

在軌道區(qū)段內(nèi)不能有其他專業(yè)的設(shè)備，特別是不能有牽引電流的均流線（或叫回流線）。

不同長(zhǎng)度的軌道區(qū)段設(shè)備安裝位置不同，電容安裝在中間位置，兩端為發(fā)送盒和接收盒。以發(fā)送盒的安裝位置為例，如表2所示。

表2 不同長(zhǎng)度的軌道區(qū)段設(shè)備安裝位置Tab.2 Installation positions of equipment in track sections of diあerent lengths

不同長(zhǎng)度的軌道區(qū)段電容的選配,匹配的諧振頻率在20～30 kHz之間選擇。為了防止電流越區(qū)傳輸造成非安全影響，相鄰區(qū)段的中心頻率（諧振頻率）采用高低間隔配置。22.5 kHz附近為低頻、27.5 kHz附近為高頻。同樣長(zhǎng)度的軌道區(qū)段設(shè)置為高低頻時(shí)電容會(huì)有一定變化。不同長(zhǎng)度的軌道區(qū)段電容選配如表3所示。

軌道電路機(jī)籠固定在區(qū)域控制箱內(nèi)，盡量靠近區(qū)域控制器機(jī)籠。依次插裝電源板和各個(gè)軌道電路板。按照配線圖接入電纜線、通信線和繼電器接點(diǎn)線。發(fā)送輸出電壓分4檔：33 V、44 V、55 V、66 V, 現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)區(qū)段長(zhǎng)度靈活調(diào)整。傳輸電纜采用L-2Y2YCY兩芯屏蔽專用電纜，接頭要做防水處理，單根電纜長(zhǎng)度一般不超過(guò)200 m。

表3 電容選配Tab.3 Capacitance selection

當(dāng)調(diào)整軌道電路時(shí)，只需要在軌道電路板卡上進(jìn)行操作（如圖4所示），分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式。自動(dòng)模式只需要調(diào)整智能軌道模塊就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搜索頻率和記錄電壓，系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)道床環(huán)境和軌道電路電氣特性自動(dòng)選擇最佳的頻率和電壓。智能軌道模塊包括發(fā)送端顯示屏（下）、接收端顯示屏（上）及8個(gè)按鈕。發(fā)送顯示屏顯示發(fā)送電壓、發(fā)送電流、發(fā)送頻率；接收顯示器顯示接收頻率、接收電壓、接收門(mén)限、軌道繼電器狀態(tài)；發(fā)送顯示器、接收顯示器下面各有4個(gè)按鈕：上升、下降、確認(rèn)、手動(dòng)/自動(dòng)。當(dāng)需要小范圍調(diào)整時(shí)，可使用手動(dòng)模式對(duì)頻率和電壓進(jìn)行設(shè)置。顯示屏直觀顯示實(shí)時(shí)電壓，為后期故障處理和維護(hù)維修提高了效率。

圖4 軌道電路板卡Fig.4 Track circuit board

實(shí)際工程應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境復(fù)雜，比如：道床全覆蓋水泥砼罩層導(dǎo)致道床電阻不穩(wěn)定，超級(jí)電容列車(chē)瞬間充電1 500 A大電流沖擊等，面對(duì)這些不利因素，ITCM-100型智能軌道電路實(shí)際使用狀態(tài)良好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過(guò)本次工程應(yīng)用，驗(yàn)證了ITCM-100型智能軌道電路系統(tǒng)完全滿足有軌電車(chē)復(fù)雜線路的使用。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、安全性好、安裝維護(hù)方便、性價(jià)比高、使用靈活等特點(diǎn)，后期可廣泛運(yùn)用于有軌電車(chē)工程項(xiàng)目。