電化區(qū)段高壓脈沖軌道電路干擾機(jī)車(chē)信號(hào)分析

劉 曦

（中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司合肥電務(wù)段，合肥 230011）

1 概述

目前，國(guó)內(nèi)軌道電路普遍采取通過(guò)列車(chē)碾壓鋼軌產(chǎn)生分路效應(yīng)，達(dá)到檢測(cè)判定列車(chē)占用狀況的方式，而采取此種分路方式存在易受到軌面銹蝕影響，降低軌道電路分路靈敏度的缺陷，高壓脈沖軌道電路是針對(duì)這種缺陷研發(fā)的新型軌道電路制式，通過(guò)輸出高壓脈沖，產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)源，提高軌面瞬間擊穿電壓，解決由于軌面嚴(yán)重生銹帶來(lái)的分路不良問(wèn)題，從而改善軌道電路分路靈敏度。高壓脈沖軌道電路多用于行車(chē)較少、軌面生銹較嚴(yán)重的側(cè)線區(qū)段、牽出線等，用于正線及列車(chē)進(jìn)路軌道區(qū)段的較少。

2020 年7 月3 日22:31，某次列車(chē)在京九線某樞紐站場(chǎng)10 道開(kāi)車(chē)后，因機(jī)車(chē)信號(hào)跳紅燈緊急制動(dòng)停車(chē)（頭部壓岔），22:56 退回10 道。通過(guò)本起故障處置，分析研究電氣化區(qū)段高壓脈沖軌道電路在部分特定場(chǎng)景下對(duì)機(jī)車(chē)信號(hào)產(chǎn)生干擾的情況，并對(duì)此提出解決建議。

2 技術(shù)原理

目前，高壓脈沖軌道電路的生產(chǎn)廠家較多，發(fā)生故障的京九線某樞紐站場(chǎng)在既有場(chǎng)和擴(kuò)建新增場(chǎng)分別采用兩個(gè)廠家生產(chǎn)的兩種型號(hào)的設(shè)備，但基本原理一致，均由送電端的高壓脈沖發(fā)碼器、受電端的譯碼接收器和二元差動(dòng)繼電器組成。高壓脈沖發(fā)碼器通過(guò)芯片控制向軌面發(fā)送頭部和尾部不對(duì)稱(chēng)的高壓脈沖信號(hào)，可根據(jù)軌面銹蝕程度和軌道區(qū)段長(zhǎng)度調(diào)整電壓，從而擊穿軌面銹蝕層，對(duì)列車(chē)占用情況進(jìn)行檢查；高壓脈沖譯碼器用于接收軌道上傳來(lái)的高壓脈沖信號(hào)，通過(guò)變換，分別把高壓脈沖中的正脈沖和負(fù)脈沖輸出給二元差動(dòng)繼電器，用以識(shí)別軌道區(qū)段占用情況。

3 干擾情況分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際干擾情況的測(cè)試及分析

首先通過(guò)機(jī)車(chē)信號(hào)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，了解掌握干擾源的情況。

對(duì)LKJ 數(shù)據(jù)文件分析發(fā)現(xiàn)，列車(chē)出站后，22:30:26 在進(jìn)入高壓脈沖軌道電路區(qū)段745-747DG和通過(guò)該區(qū)段附近，機(jī)車(chē)信號(hào)就收到滿足譯碼幅值要求的異常信號(hào)，該信號(hào)幅度基本穩(wěn)定在124 ～129 mV，但載頻卻在360.1 ～731.9 Hz 間變化，如圖1 所示。

圖1 相對(duì)穩(wěn)定的機(jī)車(chē)信號(hào)信息Fig.1 Relatively stable locomotive signal information

22:30:39，地面信號(hào)載頻變成49.9 Hz，幅值為109.6 mV，隨后，機(jī)車(chē)信號(hào)譯碼顯示為紅黃燈。22:30:46 后，該信號(hào)衰減較大，降到46.2 mV，滿足不了機(jī)車(chē)信號(hào)譯碼幅值條件，機(jī)車(chē)信號(hào)認(rèn)為無(wú)碼，從紅黃燈變?yōu)闊o(wú)碼，從而顯示紅燈，觸發(fā)列車(chē)緊急制動(dòng)，如圖2 所示。

圖2 異常變化的機(jī)車(chē)信號(hào)信息Fig.2 Abnormal locomotive signal information

如圖3 所示，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該高壓脈沖軌道區(qū)段745-747DG 實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在745-747DG 的相鄰線路有車(chē)通過(guò)的情況下，本區(qū)段內(nèi)能測(cè)到幅值在180 mA上下，550、650、750、850 Hz 等頻率，類(lèi)似四信息移頻信號(hào)的諧波干擾，其中，850 Hz 的諧波干擾達(dá)150 mA，750 Hz 的諧波干擾達(dá)110 mA，650 Hz、550 Hz 的諧波干擾達(dá)130 mA，同時(shí)存在不斷變化的低頻信息，而相鄰區(qū)段諧波干擾僅有20 mA 左右。要點(diǎn)關(guān)閉該區(qū)段電源，測(cè)試干擾電流明顯減小，降至10 mA 左右。由此可見(jiàn)，高壓脈沖區(qū)段存在的諧波成分是可能造成機(jī)車(chē)信號(hào)錯(cuò)誤顯示的關(guān)鍵。

為進(jìn)一步確認(rèn)問(wèn)題，最大限度還原故障發(fā)生場(chǎng)景，在高壓脈沖軌道區(qū)段745-747DG 發(fā)送端設(shè)置儀表測(cè)試，觀察經(jīng)由該區(qū)段內(nèi)745#道岔反位時(shí)通過(guò)列車(chē)的干擾情況，發(fā)現(xiàn)機(jī)車(chē)到達(dá)745#道岔前諧波干擾信息較弱，通過(guò)745#反位時(shí)會(huì)有較短時(shí)間的干擾電流，在100 mA 以上。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況和軌道電路回流分析，發(fā)現(xiàn)高壓脈沖軌道區(qū)段附近較為特殊，存在干擾的高壓脈沖軌道區(qū)段745-747DG 位于交叉渡線的一側(cè)，兩個(gè)相鄰的高壓脈沖軌道區(qū)段與另一側(cè)相鄰軌道電路之間的扼流變壓器中心連接板之間有橫向連接線。在此情況下，當(dāng)列車(chē)占用至743/745#渡線時(shí)，受堵流絕緣影響，兩根鋼軌上的牽引回流流向發(fā)生變化，列車(chē)運(yùn)行方向左側(cè)鋼軌的牽引回路經(jīng)由745-747DG送電端方向去往列車(chē)后方，列車(chē)運(yùn)行方向右側(cè)鋼軌的牽引回流經(jīng)由743DG 和橫向連接線去往列車(chē)后方如圖3 所示，兩根鋼軌的回流不平衡，與高壓脈沖區(qū)段發(fā)生的高壓脈沖疊加影響，745-747DG 軌道區(qū)段內(nèi)諧波成分中與機(jī)車(chē)信號(hào)載頻相同的幅值較大，被機(jī)車(chē)信號(hào)譯碼裝置錯(cuò)誤譯出信息，從而影響機(jī)車(chē)信號(hào)。

圖3 不平衡牽引電流示意Fig.3 Schematic diagram of unbalanced traction currents

3.2 具體干擾情況的分析

電力牽引區(qū)段的兩根鋼軌，在其他區(qū)段鋼軌承載軌道電路相關(guān)信息的基礎(chǔ)上，同時(shí)作為牽引電流回流的主要通道，軌道電路自身的電流成分加上移頻信息和牽引電流25 Hz 疊加在同一鋼軌線路上傳輸，在特定情況下?tīng)恳娏饕蛱囟ㄒ蛩貙?dǎo)致的信息必定影響軌道電路相關(guān)信息的準(zhǔn)確性。

雙軌軌道電路在站內(nèi)軌道區(qū)段的分割點(diǎn)會(huì)設(shè)置軌端絕緣，為保證電氣化區(qū)段牽引回流的暢通，現(xiàn)在采取的方法是在軌道電路絕緣處的兩端分別設(shè)置一個(gè)扼流變壓器，通過(guò)軌端絕緣兩邊的扼流變壓器中心連接板連通牽引回流，兩邊鋼軌傳輸?shù)臓恳娏鞣謩e經(jīng)過(guò)扼流變壓器上、下線圈。理論上，兩根鋼軌上的牽引電流應(yīng)該相等，對(duì)應(yīng)扼流變壓器上、下線圈相同匝數(shù)情況下，兩根鋼軌牽引電流分別經(jīng)過(guò)扼流變壓器兩個(gè)線圈時(shí)，磁通量相同而方向相反，進(jìn)而相互抵消，從而在扼流變壓器中產(chǎn)生的總磁通量為0，信號(hào)線圈上的感應(yīng)電勢(shì)也為0，牽引回流就不會(huì)產(chǎn)生對(duì)軌道電路的影響。而一旦兩根鋼軌上的牽引回流不同，這種平衡就會(huì)被打破，進(jìn)而影響軌道電路的相關(guān)特性。影響情況包括：1） 短時(shí)瞬態(tài)的不平衡電流有較強(qiáng)的諧波分量，侵?jǐn)_造成軌道電路相位發(fā)生位移，引起軌道電路工作失常，觸發(fā)軌道繼電器誤動(dòng)作，出現(xiàn)瞬間“閃紅”的情況。2） 較強(qiáng)的不平衡電流甚至電流脈沖，對(duì)軌道電路相關(guān)設(shè)備造成沖擊，輕者造成斷路器跳起，重者燒損軌道電路相關(guān)設(shè)備，擊穿軌端絕緣。

不平衡牽引電流對(duì)軌道電路產(chǎn)生的影響主要與牽引電流的大小、不平衡系數(shù)和軌道電路設(shè)備對(duì)牽引電流的輸入阻抗成正比關(guān)系。不平衡系數(shù)不是一個(gè)常數(shù)，是可變的，主要取決于兩根鋼軌不平衡牽引電流的大小。而引起牽引電流不平衡的因素主要有：1） 因彎道、絕緣節(jié)設(shè)置位置不對(duì)稱(chēng)等因素造成的軌道電路兩側(cè)鋼軌長(zhǎng)度不一致，引起兩側(cè)鋼軌對(duì)牽引回流傳輸?shù)淖杩共灰恢拢?） 扼流變壓器上下部?jī)蓚€(gè)線圈的阻抗因工藝或其他因素影響存在差異，使流經(jīng)兩線圈的電流出現(xiàn)差異；3）軌道電路中的各類(lèi)引接線存在接觸不良或截面積存在差異，造成兩側(cè)鋼軌牽引回流不平衡；4）供電設(shè)備放電不良造成漏電、工務(wù)線路因素造成兩側(cè)鋼軌漏泄并存在差異、其他因素導(dǎo)致的一側(cè)鋼軌導(dǎo)電率不同等引起的牽引電流不平衡。

本案例中導(dǎo)致?tīng)恳娏鞒霈F(xiàn)不平衡的原因主要是1）引起，因一側(cè)鋼軌的通路受堵流絕緣影響，造成兩側(cè)鋼軌的牽引電流流向發(fā)生差異，兩側(cè)的牽引電流至745-747DG 受電端扼流變壓器所途經(jīng)的鋼軌長(zhǎng)度、鋼軌與橫向連接線的截面積不一致，造成呈現(xiàn)的總體阻抗不一致，從而引起牽引電流不平衡。

該站場(chǎng)使用的高壓脈沖軌道電路，為保證軌道電路分路效應(yīng)正常，采用發(fā)送高壓脈沖的方法保證在軌道電路任何一點(diǎn)能夠擊穿鋼軌表面的銹層、油污或其他絕緣物質(zhì)，從而溝通軌道電路回路，有效檢查車(chē)列實(shí)際占用情況。高壓脈沖的特征：1） 脈沖峰值電壓在鋼軌上可達(dá)100 V；2） 脈沖的寬度使軌道電路接收端有滿意的峰值電壓；3）短軌道電路分流時(shí)短路電流大于100 A，長(zhǎng)軌道電路分流時(shí)為20 A 左右。高壓脈沖軌道電路通過(guò)送端高壓脈沖發(fā)生器變換生成不對(duì)稱(chēng)高壓脈沖信號(hào)，經(jīng)變壓器降壓后發(fā)送至鋼軌，經(jīng)鋼軌傳輸?shù)绞芏?，再?jīng)變壓器升壓后送至譯碼器，譯碼器將不對(duì)稱(chēng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)直流信號(hào)供差動(dòng)繼電器工作。其脈沖特征如圖4 所示。

圖4 高壓脈沖波形Fig.4 High-voltage pulse waveform

高壓脈沖軌道電路發(fā)送的脈沖信號(hào)，電壓較高，但電流值不高。雖然是非正弦波形，有一定諧波分量，但其諧波分量中高次諧波分量的有效值較低，相比高壓脈沖軌道區(qū)段承載的移頻信號(hào)的強(qiáng)度較弱，不構(gòu)成干擾。

在軌道電路中存在不平衡牽引電流的情況下，非正弦波的高壓脈沖會(huì)影響50 Hz 的牽引電流，使其產(chǎn)生波形的畸變，從而在50 Hz 工頻電流的基礎(chǔ)上衍生出大量奇次諧波成分，而牽引電流較大，發(fā)生波形畸變后，諧波分量的峰值也相應(yīng)較大。

50 Hz 工頻諧波分量中與四信息機(jī)車(chē)信號(hào)載頻頻率較接近的11 次、13 次、15 次、17 次諧波，分別對(duì)應(yīng)機(jī)車(chē)信號(hào)載頻的550、650、750、850 Hz，按照傅里葉變換可以得出相對(duì)低的諧波分量一般幅值較高。因此前述高壓脈沖信號(hào)中的奇次諧波與50 Hz 工頻牽引電流受畸變影響衍生出的奇次諧波疊加后的幅值，在達(dá)到一定數(shù)值后，就會(huì)被機(jī)車(chē)信號(hào)設(shè)備感應(yīng)到，并進(jìn)行解碼。

按照目前裝配的機(jī)車(chē)信號(hào)設(shè)備機(jī)車(chē)信號(hào)靈敏度的要求，電氣化區(qū)段鋼軌短路電流550 Hz 滿足113±17 mA、650 Hz 滿 足90±15 mA、750 Hz滿 足69±10 mA 以 及850 Hz 滿 足50±8 mA 時(shí)即可被機(jī)車(chē)信號(hào)設(shè)備接收到。

另外，機(jī)車(chē)信號(hào)設(shè)備接收信息從其他制式轉(zhuǎn)為移頻或者 ZPW-2000 系列時(shí)，信號(hào)顯示的應(yīng)變時(shí)間不大于2 s。本案例中，機(jī)車(chē)在進(jìn)入745-747DG 軌道區(qū)段渡線側(cè)時(shí)，因剛啟動(dòng)不久且側(cè)向出站，速度在16 km/h 左右，堵流絕緣距渡線絕緣的距離為4 m，在該范圍內(nèi)走行需1 s 左右，在出現(xiàn)滿足機(jī)車(chē)信號(hào)解碼幅值的載頻信號(hào)時(shí)，機(jī)車(chē)信號(hào)設(shè)備是能夠接收到并給予解碼的。

綜合上述分析可以看出，造成該案例中機(jī)車(chē)信號(hào)跳變紅燈的原因?yàn)椋涸跈C(jī)車(chē)進(jìn)入745-747DG 軌道區(qū)段時(shí)，由于高壓脈沖疊加影響的不平衡牽引電流高次諧波分量達(dá)到機(jī)車(chē)信號(hào)能夠感應(yīng)到的移頻信號(hào)允許值，觸發(fā)機(jī)車(chē)信號(hào)解碼認(rèn)為有地面移頻信號(hào)。而對(duì)于機(jī)車(chē)信號(hào)設(shè)備，從無(wú)碼到有信息就解譯成紅燈，從而觸發(fā)機(jī)車(chē)信號(hào)緊急制動(dòng)。

4 整改情況

對(duì)此特殊場(chǎng)景，解決的措施有兩項(xiàng)：一是消除該區(qū)段存在的不平衡牽引電流，從根本上解決不平衡牽引電流受高壓脈沖疊加引起的諧波干擾機(jī)車(chē)信號(hào)問(wèn)題；二是綜合比較745-747DG 軌道區(qū)段分路不良管理的安全風(fēng)險(xiǎn)與軌道區(qū)段產(chǎn)生機(jī)車(chē)信號(hào)干擾的安全風(fēng)險(xiǎn)，考慮對(duì)該區(qū)段換型為25 Hz 相敏軌道電路。

通過(guò)對(duì)該站場(chǎng)牽引回流情況分析，在不影響回流的情況下，對(duì)745-747DG 和743DG 之間的橫向連接線進(jìn)行拆除，移設(shè)至靠站外側(cè)一處區(qū)段，能夠保證牽引回流暢通的位置。再次在列車(chē)通過(guò)745#道岔側(cè)向時(shí)測(cè)試745-747DG 送電端處干擾情況，發(fā)現(xiàn)類(lèi)似四信息移頻信號(hào)的諧波干擾電流已降至

5 mA 左右，對(duì)機(jī)車(chē)信號(hào)顯示已不構(gòu)成影響。

為進(jìn)一步消除高壓脈沖軌道區(qū)段中高壓脈沖信號(hào)可能對(duì)牽引回流疊加影響存在的機(jī)車(chē)信號(hào)錯(cuò)誤動(dòng)作或顯示的安全風(fēng)險(xiǎn)，已聯(lián)系設(shè)計(jì)單位對(duì)745-747DG 區(qū)段進(jìn)行改型，該項(xiàng)工作于2020 年12 月完成。

通過(guò)上述分析，針對(duì)電氣化區(qū)段有列車(chē)進(jìn)路的軌道區(qū)段，在軌道電路的選型上要慎重，防止出現(xiàn)此類(lèi)高壓脈沖疊加影響的干擾信號(hào)造成對(duì)機(jī)車(chē)信號(hào)顯示錯(cuò)誤的情況發(fā)生。