軌道電路(含電碼化)產品認證測試方案的優化

崔　勇

(中國鐵道科學研究院 標準計量研究所，北京　100081)

軌道電路(含電碼化)(以下簡稱軌道電路)產品是鐵路運輸基礎設備之一，為鐵路的安全運營提供可靠保障。依據《鐵路產品認證管理辦法》[9]和《鐵路專用產品認證采信目錄》[10]，軌道電路產品需通過認證中心的認證檢驗才能上道使用。認證中心在對軌道電路產品進行認證檢驗時，需在實驗室搭建模擬測試系統，對軌道電路產品中的各硬件及其所含軟件和系統的功能進行測試，以確認其是否符合相關技術標準的要求。

在實驗室搭建模擬測試系統時，鋼軌線路采用軌道電路模擬盤(以下簡稱模擬盤)，其余部分采用實物設備。模擬盤是采用集中參數電路模擬實際鋼軌線路的均勻分布參數電路的專設裝置[7]。由于軌道電路制式的不同，其安全防護的方式也不同，對于采用載頻防護的軌道電路，如國產移頻軌道電路，就有550，650，750和850 Hz共4種頻率，而頻率不同對應的鋼軌線路的均勻分布參數就不同；另外，軌道電路應用又分為電氣化和非電氣化2種情況；因此，為了對軌道電路產品進行全覆蓋測試，必須搭建多種模擬測試系統，導致工作量較大、測試效率較低、測試成本較高等問題。

針對這些問題，本文提出利用仿真計算的方法，仿真計算各種條件下軌道電路采用不同載頻時在鋼軌線路各位置的機車信號電流(即鋼軌短路電流)，尋找機車信號電流最小所對應的軌道電路工作條件，即為產品應用的最不利條件；針對該最不利條件，分別仿真計算、室內測試空閑條件下各部位的電壓和分路條件下各分路位置的機車信號電流，驗證建立的各設備仿真模型的合理性。在實驗室內僅在該最不利條件下搭建模擬測試系統、對軌道電路產品進行認證測試，從而實現軌道電路產品認證測試方案的優化。

1　仿真模型的建立

以不對稱高壓脈沖軌道電路疊加移頻電碼化(以下簡稱移頻電碼化)產品認證為例闡述認證測試方案的優化。

移頻電碼化系統結構如圖1所示，主要設備有鋼軌線路、防雷變壓器(FL)、匹配變壓器(GZ·BPM1)、扼流變壓器(GZ·BEM)、軌道變壓器(GZ·BGMC)、國產移頻發送器(FS)、國產移頻隔離盒(GZ·GM1)和電纜。根據設備的特性可將這些設備分為3類：鋼軌線路、變壓器和其他設備。采用MATLAB/SIMULINK分析軟件對這些設備建立仿真模型。

圖1　移頻電碼化系統結構圖

1.1　鋼軌線路模型

鋼軌線路可以看作是均勻的傳輸線，其參數是均勻分布參數。在實驗室內進行移頻電碼化產品的認證測試時，因實際鋼軌線路很長，無法按照實際長度進行搭建，通常采用集中參數電路的模擬盤模擬鋼軌分布參數。為進行準確模擬，分別建立鋼軌線路的分布參數和集中參數2種模型，并對2種模型進行對比分析。

1)分布參數模型

(1)

(2)

其中，

ω=2πf

式中：f為載頻的頻率，Hz。

由于每公里鋼軌的軌間電容C的值非常小，移頻信號在鋼軌線路上傳輸時，軌間電容對信號傳輸的影響很小，因此一般忽略每公里鋼軌的軌間電容[1-2]，式(1)和式(2)可以簡化為

(3)

(4)

其中，

式中：Z為每公里鋼軌阻抗；β為軌道電路的送電端與受電端電壓模值的衰減常數；α為軌道電路送電端與受電端電壓相位的偏移常數。

2)集中參數模型

由于鋼軌線路的條件是均勻相同的，為了等效分布參數模型，取長度為r(m)的1段線路作為1節集中參數單元，可將長度為d(m)的鋼軌線路均勻分成n節集中參數單元，則由n節集中參數單元級聯構成的鋼軌線路的等效電路圖如圖2所示。

圖2由n節集中參數單元級聯構成的鋼軌線路等效電路圖

圖3　單節參數單元的等效電路圖

則有

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：Z0r為短接3和4端， 1和2端的輸入阻抗；Z∞r為開路3和4端，1和2端的輸入阻抗。

又因為

(10)

(11)

將式(5)、式(6)、式(7)、式(10)和式(11)分別代入式(8)和式(9)，整理可得

(12)

(13)

3)集中參數模型與分布參數模型的誤差分析

以國產移頻850 Hz載頻的軌道電路為例，各參數取值分別為R=1.21 Ω·km-1，L=1.43 mH·km-1，G=1 S·km-1；根據認證檢驗時軌道電路的極限長度為900 m，取線路長度d=900 m。

=2.783 9∠40.499 9°

(14)

=2.505 5∠40.499 9°

(15)

(16)

(17)

集中參數模型與分布參數模型軌道電路鋼軌線路的特性阻抗誤差和傳輸常數誤差分別為

(18)

(19)

為了獲得上述數據，需要首先確定集中參數模型單節參數單元合理的線路長度。為此，取單節參數單元線路長度r=0～900 m，由式(15)、式(17)和式(19)可得均勻分布參數與集中參數的傳輸常數誤差曲線，如圖4所示。

圖4集中參數單元長度不同時均勻分布參數與集中參數的傳輸常數誤差曲線

從圖4可知：集中參數單元的長度越小，誤差越小；當集中參數單元長度小于100 m時，誤差小于2.0%，可保證測試精度[8]的要求。再綜合考慮模擬盤成本、軌道電路測試長度和測試取點等因素，取單節參數單元線路長度r=50 m。

由式(18)和式(19)計算可得到850 Hz時采用集中參數模型與采用分布參數模型鋼軌電路的特性阻抗誤差、傳輸常數誤差。同理，可計算550，650和750 Hz這3種頻率時的誤差，結果均見表1。

表1　不同頻率時的特性阻抗誤差和傳輸常數誤差

由表1可知，在4種頻率下，特性阻抗誤差最大為0.08%，傳輸常數誤差最大為0.01%，均滿足室內測試標準的要求。因此，認證測試時，在實驗室采用n節集中參數單元級聯構成長度為d的鋼軌線路可以等效現場實際均勻分布參數單元長度為d的鋼軌線路。

1.2　變壓器模型

在移頻電碼化系統中，防雷變壓器、匹配變壓器、扼流變壓器和軌道變壓器等均可等效為如圖5所示的T型模型[5]。

圖5　變壓器的T型模型

使用FRA5097頻率響應分析儀對變壓器進行測試，可以得到4種載頻條件下變壓器開、短路時的電阻和感抗參數。其中，由短路副邊繞組測得短路時變壓器的電阻RS和感抗LS；由開路副邊繞組測得開路時變壓器的電阻Rm和感抗Lm。各變壓器的模型參數分別如下。

1)防雷變壓器(FL)

防雷變壓器的作用是保護室內移頻發送器和接收器，其模型參數見表2。

表2　防雷變壓器的模型參數

2)匹配變壓器(GZ·BPM)

匹配變壓器的作用是通過改變變比，調整傳輸系統的阻抗匹配關系，其模型參數見表3。

表3　匹配變壓器的模型參數

3)扼流變壓器(GZ·BEM)

扼流變壓器的作用是隔離電氣化區段牽引電流及其回流對室內設備的干擾和阻抗匹配。為了更有效地隔離牽引電流對信號的干擾，扼流變壓器帶有適配器BZE，適配器由電感和電容串聯而成，對550 Hz以上信號呈高阻抗，對50 Hz工頻信號呈低阻抗，從而可以有效地減小工頻信號傳入室內。扼流變壓器的模型參數見表4。

表4　扼流變壓器的模型參數

4)軌道變壓器(GZ·BGMC)

軌道變壓器用于非電化區段，對信號傳輸到鋼軌起阻抗匹配作用，其模型參數見表5。

表5　軌道變壓器的模型參數

1.3　其他設備模型

1)移頻發送器

移頻發送器的作用是發送移頻信號，可以發送4種載頻和4個電壓檔位的移頻信號，其戴維南等效電路如圖6所示[6]。移頻發送器的功出電平級為1，2，3，4，對應的功出電壓分別為30±5，35±5，40±5，50±5。移頻發送器有內阻抗Rs和內感抗Ls，也是使用FRA5097頻率響應分析儀測試得到，其模型參數見表6。

圖6　移頻發送器等效電路圖

頻率/HzRs/ΩLs/H8501300000203750121000020665011100002135501010000215

2)移頻隔離盒(GZ·GM1)

移頻隔離盒的作用是隔離電碼化的高壓脈沖信號，同時防止移頻信號串入脈沖發送器。脈沖信號和移頻信號在隔離盒上疊加之后通過電纜傳輸到鋼軌。串聯支路的模型參數分別為電阻Rs_GM1，電容Cs_GM1；并聯支路中的模型參數分別為電阻Rp_GM1，電感Lp_GM1，電容Cp_GM1，移頻隔離盒的等效電路如圖7所示，其模型參數見表7。

3)電纜

室內測試時，對于使用的SPT數字信號電纜，當載頻的頻率不大于1 000 Hz、電纜長度不大于3 km時，在允許誤差范圍內，每公里電纜采用43 Ω電阻替代。本室內測試時，需要的電纜長度為2.5 km，所以使用107.5 Ω的電阻等效。

圖7　移頻隔離盒等效電路圖

頻率/HzRs＿GM1/ΩCs＿GM1/μFLp＿GM1/mHRp＿GM1/ΩCp＿GM1/μF850164462417517232750177070722522072650194081630029432550216196141941242

2　最不利條件的確定

以移頻電碼化產品認證為例，通過仿真確定其最不利條件。該系統分為非電氣化和電氣化2種結構，其差異在于軌旁設備不同，電化區段采用扼流變壓器，非電化區段采用軌道變壓器。載頻的頻率取850，750，650，550 Hz；鋼軌線路的各參數取值分別為d=900 m，R=1.21 Ω·km-1，L=1.43 mH·km-1，G=1 S·km-1；道砟漏泄電阻取1 Ω·km；軌道電路的分路電阻取0.06 Ω。依據軌道電路調整要求，發送電平級為4級，防雷變壓器的變比為170∶40，匹配變壓器的變比為8∶1，扼流變壓器的變比為10∶1，軌道變壓器的變比為10∶1。

采用上文建立的仿真模型，仿真計算出移頻信號4種載頻在不同分路位置的機車信號電流，如圖8所示。由圖8可知：非電氣化與電氣化的機車信號電流的變化規律相同；分路位置距離發送端越遠，則機車信號電流越小，當分路位置位于受電端時，機車信號電流最小；當分路位置距離發送端大于50 m以上時，頻率越高，則機車信號電流越小。因此移頻電碼化軌道電路的機車信號最小時對應的工作條件為：頻率850 Hz，鋼軌線路長度900 m，分路位置在受電端。此條件即為該軌道電路的最不利條件。

同時，根據仿真計算結果(見圖8)可知，分路位置在受電端時，機車信號電流最小值為179 mA(非電化)和196 mA(電化)，滿足TB/T 2465—2010《鐵路車站電碼化技術條件》850 Hz機車信號電流大于27 mA(非電氣化)/66 mA(電氣化)的要求[8]。

圖8移頻信號4種載頻在不同分路位置的機車信號電流曲線

3　測試驗證

為了驗證仿真計算結果的可信度，以移頻電碼化非電氣化軌道電路的最不利條件為例，對空閑條件下軌道電路各部位的電壓和分路條件下軌道電路各分路位置的機車信號電流分別進行仿真計算和室內模擬測試，并計算仿真計算結果與室內模擬測試結果的相對誤差，其結果分別見表8和表9。

表8仿真計算和室內模擬測試軌道電路各部位的電壓及其誤差

位置電壓/V仿真計算模擬測試誤差/%功出5030050000060FL鋼軌側170000170500-030BPM1側2130021200050GM1側2130020700280送端軌面18101820-060受端軌面03200315160

表9仿真計算和室內模擬測試軌道電路各分路位置的機車信號電流及其誤差

位置/m機車信號電流/A仿真計算模擬測試誤差/%50251726605381001739187070115013041360412200103310602552500849086012830007160725124350061506170324000536053905645004710475084500041804200485500372037508060003330336089650029903031327000269027521875002420249281800021902273528500198020638890001790189529

由表8和表9可知：電壓最大誤差為2.80%；機車信號電流最大誤差為7.01%，平均誤差為2.34%；均滿足仿真精度的要求，說明建立的各種設備的仿真模型是合理的、可以接受的。

4　結　語

本文提出了計算機仿真分析與實驗室實物測試相結合的產品認證測試方案優化。以移頻電碼化產品認證為例，采用MATLAB/SIMULINK仿真軟件建立鋼軌線路、各變壓器和其他設備的仿真模型，通過仿真計算得出軌道電路(含電碼化)產品認證測試的最不利條件為：載頻850 Hz，鋼軌線路長度900 m，分路位置在受電端。然后在實驗室內僅在該最不利條件下搭建模擬測試系統，對軌道電路產品進行認證測試，從而實現認證測試方案的優化。采用該優化方案進行軌道電路產品認證測試，既可達到軌道電路產品全覆蓋測試及認證的目的，也可減少測試成本，提高測試效率。

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[10]中國鐵路總公司.鐵總科技[2014]201號中國鐵路總公司鐵路專用產品認證采信目錄[S]. 北京: 中國鐵路總公司,2014.