機車車輛與軌道電路的兼容性標準分析與探討

黃　金

(中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081)

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機車車輛與軌道電路的兼容性標準分析與探討

黃金

(中國鐵道科學研究院機車車輛研究所， 北京 100081)

機車車輛與軌道電路作為鐵路系統的兩大主要部分，其工作兼容性水平關系到運輸安全及設備的維護。國際標準CLC/TS 50238-2規定了機車車輛產生的干擾電流的限值要求以及測試方法，我國僅對該標準進行了轉標。然而該標準在歐洲屬于待修改草稿標準，其權威性和合理性仍未得到證實，尤其是對于我國機車車輛和軌道電路兼容性測試和評判指標的適用性仍未可知，在進行轉標過程中也未對適用性進行考慮。因此本文就該標準進行分析，結合某型動車組的軌道電路兼容性測試對該標準的適用性和可操作性進行論述。

機車車輛; 軌道電路; 兼容性

隨著越來越多客運專線的建設運營和大功率機車車輛的應用，列車運營密度和速度不斷提高，對系統安全性和穩定性的要求也越來越高。機車車輛與軌道電路作為龐大鐵路系統的兩大重要組成部分，其工作兼容性受到人們的關注。

軌道電路是利用鋼軌作為導體傳遞信息的電路系統，其可以反映軌道區段是否空閑與是否完整，有時還向機車傳遞信息，與機車車輛牽引回流共用一個通道，兩者共用相同的電磁環境，兼容性關系復雜。兩者均有相應的電磁兼容標準，機車車輛遵循GB/T 24338.3《軌道交通 電磁兼容 第3-1部分 機車車輛 列車和整車》，軌道電路遵循GB/T 24338.5-2009《軌道交通 電磁兼容 第4部分：信號和通信設備的發射與抗擾》。兩個系統在投入運用時均應通過這兩個國家標準規定的電磁兼容檢測。但是標準中并未對兩者之間的傳導兼容性進行規定。國際標準CLC/TS 50238-2規定了機車車輛產生的干擾電流的限值要求以及測試方法，然而該標準在歐洲屬于待修改草稿標準，其權威性和合理性仍未得到證實，尤其是對于我國機車車輛和軌道電路兼容性測試和評判指標的適用性仍未可知，因此本文就該標準進行分析，結合某型動車組的軌道電路兼容性測試對該標準的適用性和可操作性進行分析。

1　國內裝備現狀

1.1軌道電路

我國軌道電路按用途主要可分為站內、區間、駝峰和道口軌道電路4種[1]。

(1)站內軌道電路。適用于站內的有480 Hz、25 Hz等制式。站內軌道電路還可分為無岔區段、有岔區段和股道3種。

(2)區間軌道電路。適用于區間(包括電碼化)的有交流計數、移頻、ZPW2000和UM71等制式。

(3)駝峰軌道電路。適用于駝峰下分路道岔區段的有可用于非電化區段的JWXC-2.3型交流閉路式軌道電路，和可用于電化區段的JWXC-2.3型直流閉路式軌道電路。

(4)道口軌道電路。適用于鐵路與公路的平交道口接近報警或離去解除報警用。適用于道口報警的主要有DK/SW、DK/Y3道口控制器和道口計軸裝置等。

重點討論的軌道電路為ZPW-2000A系列軌道電路，該軌道電路引自法國UM71系列，經適應性改造及國產化后投入我國各主要干線使用。ZPW-2000A軌道電路在設計中為避開電氣化區段牽引電流諧波對軌面信號的干擾，選用了4個較高的載頻信號： 1.7，2，2.3，2.6 kHz，頻偏為±11 Hz，同時共有從1.03 Hz開始按1.1 Hz等差數列遞增至29 Hz的18種低頻信息。因此其在鋼軌中傳遞的移頻信號由載頻、頻偏和低頻調制信號三者構成，示意圖如圖1所示。

1.2機車車輛

經過引進消化吸收創新，我國機車車輛裝備水平有了大幅提高，交流傳動機車、動車組已逐漸取代直流傳動機車成為主流。相對直流傳動，交流傳動存在許多優勢，如網側功率因數的提高和諧波含量的降低。交流傳動技術由于網側采用了四象限脈沖整流器技術，其網側功率因數可接近1，同時網側諧波含量大幅降低。但隨之而來的是諧波分布也發生了變化，直流機車基本不含有高次諧波，而交流傳動機車/動車組由于網側脈沖整流器多重化，均采用了載波移相技術，存在較為明顯的高次諧波。高次諧波分布與開關頻率和載波移相的牽引繞組個數有關。圖2為某型動車組典型網側電流諧波分布圖。

圖1　鋼軌中傳遞的移頻信號示意圖

圖2　動車組典型網側電流諧波分布圖

1.3軌道電路與機車車輛的兼容性

一般來說，機車車輛牽引系統和軌道電路之間存在3種耦合關系：靜電耦合、傳導耦合和電磁耦合，與之相對應也會產生3種干擾，大多數兼容性問題也從這3個方面展開研究。機車車輛與軌道電路之間的傳導耦合關系存在兩種形式：不平衡電流和諧波電流。牽引電流回流通過一段鋼軌及大地流回變電所，兩根鋼軌分流了牽引電流回流，當鋼軌連續線接觸不良時，兩根鋼軌中的回流就會產生不平衡電流。TB/T 3206《ZPW 2000軌道電路技術條件》中規定：軌道電路所適用的交流電力牽引區段，牽引電流不應大于2 000 A、鋼軌電流不平衡系數不應大于10%。然而標準中對于牽引回流的諧波干擾并未提及[2]。TB/T 3073-2003《鐵道信號電氣設備電磁兼容性試驗及其限值》提出了軌道電路應滿足的諧波限值，但該標準已廢除，且該標準中限值以直流傳動電力機車為參考提出，在目前交流傳動機車及動車組廣泛應用的情況下，諧波分布規律和限值也已不再適用。CLC/TS 50238-2《軌道交通 機車車輛與列車檢測系統的兼容性 第2部分：與軌道電路的兼容性》則明確了高頻諧波的一些測試方法和評判標準。

2　CLC/TS 50238-2標準

2.1標準介紹

CLC/TS 50238-2標準由歐洲電工標準化委員會提出，標準性質為草案待修改。其作為軌道電路和機車車輛兼容性標準，提出了測試方法和對高頻信號干擾的評判標準。作為EN 50238系列標準的有效補充，指導使用。EN 50238系列標準作為歐洲軌道機車車輛和列車檢測系統兼容性標準，目前共包括3個主要部分：第1部分 總則；第2部分 與軌道電路的兼容性；第3部分：與計軸器的兼容性。第1部分總則作為通用原則，作為獨立標準與2003年發布，由于缺少具體操作方式和評判，因此實施性較差，由此提出了第2部分和第3部分作為系列標準的補充。第2部分和第3部分標準于2010年發布，目前仍為草案形式。

CLC/TS 50238-2標準中主要涉及的軌道電路形式見表1。從表1中可以看出，僅UM71型軌道電路適用于我國軌道電路。

表1　CLC/TS 50238-2標準中涉及的軌道電路形式

引用標準包括CLC/TR 50507《軌道交通-歐洲鐵路既有軌道電路干擾限值》，其性質為研究報告，具有很強的針對性。我國目前并沒有相應的軌道電路電磁兼容標準，因此如若轉成國標，可參考數據僅有ZPW-2000 無絕緣軌道電路(交流牽引系統)、UM71無絕緣軌道電路(交流牽引系統)、FTGS46/FTGS917 無絕緣軌道電路(直流牽引系統)、FS2500 軌道電路(直流牽引系統)。

2.2CLC/TS 50238-2標準測試及評估方法

2.2.1測試系統

標準中描述的測量和評估方法用于對列車影響單元在整條線路的回流進行分析。標準中所提到的影響單元包括各類牽引子系統，如單臺機車，多動力單元動車組。測試參量可以是整列列車牽引總網流，也可以是單臺牽引變壓器原邊電流(回流)，對于測試單臺牽引變壓器原邊電流的情況，標準中給出了相應的累加原則及累加系數。測試系統結構框圖如圖3所示。測試系統應帶有抗混疊濾波器，采集系統A/D轉換分辨率應不低于16位，電流測量的采樣頻率高于 48 kHz。

圖3　兼容性測試框圖

2.2.2列車工況及測試地點要求

CLC/TS 50238-2標準對于列車運行工況進行了詳細的規定，涵蓋了機車車輛在運用過程中可能遇到的正常運行工況和故障運行工況，如牽引、制動、恒速、過分相、部分動力運行、空轉滑行工況。速度級需從0變化至列車允許的最高速度。另外，為了區分背景諧波水平，標準中還規定了靜態工況的測量，包括列車靜置，無輔助用電工況(受電弓降下)、列車靜置，有輔助供電工況(受電弓升起，輔機起動)。多種工況設置保證了對機車車輛和軌道電路兼容性評估的完整性。

為真實模擬機車車輛運用環境，標準對于線路的諧振頻率和供電網絡進行了相應要求，測量應盡量靠近所處變電所并遠離其他變電所(距離20 km以上)。

2.2.3UM71、ZPW2000數據處理及評估

重點對UM71、ZPW2000軌道電路與機車車輛兼容性測試數據的處理及評判指標進行介紹。對采集到的網流(原邊電流)進行FFT分析，參數定義如下：

(a) 1 s 的漢寧窗；

(b) 80%的最小重疊；

(c) 16 kHz 的最低采樣頻率。

工作頻段內的諧波干擾要求見表2所示。由于UM72、ZPW2000軌道電路存在頻偏(±11 Hz)，考慮到諧波能量的延展性，考核±45 Hz范圍內的頻偏。對頻率超出規定的1 500～3000 Hz工作帶寬范圍內的電流限值為3 A。

表2　工作頻段內的諧波干擾要求

3　CLC/TS 50238-2標準對于國內軌道機車車輛及軌道電路的適用性

正如前面介紹，CLC/TS 50238-2全面的對機車車輛及軌道電路兼容性提出了測試及評估要求。其提出基礎是大量現場試驗和應用經驗。同時有一系列的標準進行支撐，然而這些標準大多是基于歐洲標準體系，所涉及內容及要求在國內存在不適用性。通過分析CLC/TS 50238-2標準，結合國內軌道機車車輛/軌道電路的運用情況及國內標準(國家標準、行業標準)，針對CLC/TS 50238-2標準在面向國內鐵路系統的不適用或不可用，總結以下幾點：

(1) 我國應用的軌道電路種類與CLC/TS 50238-2標準中的軌道電路有差異，對交流干線鐵路來說，僅UM71、ZPW2000軌道電路適用。對于考評兩個系統的兼容性存在不完善項。

(2) CLC/TS 50238-2標準中的諧波限值是基于歐洲鐵路系統提出的，數據獲取的試驗條件與國內不同，如供電臂長度、參數、供電制式、機車車輛種類及類型等，參照該標準限值對國內機車車輛和軌道電路的兼容性進行評判存在不嚴肅性。

(3) 試驗條件不允許。CLC/TS 50238-2標準中要求測量應盡量靠近所處變電所并遠離其他變電所(距離20 km以上)，然而迫于國內牽引供電臂長度(約30 km)及列車加速特性(動車組加速至350 km/h約30 km)，起動加速至最高速度后保持恒速運行工況無法在同一供電臂下完成。

4　結束語

介紹了歐洲關于機車車輛和軌道電路兼容性問題的標準CLC/TS 50238-2，結合國內鐵路系統的現狀進行了標準適用性和實用性分析。分析結論認為該標準在國內使用時需進行適應性修改，如試驗工況，試驗要求等。由于無法判定標準評判指標對于國內機車車輛和軌道電路的適用性，作為涉及安全性評估的項目，需要嚴肅對待。該標準即使轉標為國標，也不應作為強制性或推薦性標準，建議作為指導性技術文件。在此情況下，出口歐洲車輛應嚴格遵循該標準要求，但如機車車輛國內自用或出口類似國內供電參數、軌道電路參數的國家和地區，該標準僅可作為參考指導使用。

[1]DD CLC/TS 50238-2，軌道交通機車車輛與列車檢測系統的兼容性第2部分：與軌道電路的兼容性 [S]. British：CENELEC，2010.

[2]TB/T 3206-2008 ZPW 2000軌道電路技術條件[S].

Analysis and Discussion on the Standard of Compatibility between Rolling Stock and Track Circuit

HUANGJin

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

As the two main parts of the railway system, the level of compatibility between Rolling stock and track circuit related to transportation safety and maintenance of equipment. International standard "CLC / TS 50238-2 provides for rolling stock produced interference current limit requirements and test methods, and was transferred to a GB standard. However, the standard in the European belongs to "Draft for development" standard to be modified, its authority and rationality has not been confirmed. The applicability of compatibility testing and evaluation indicators is unclear in our country, nor considered during the standard transfer process. Therefore, this article analyze the CLC standard, and discussed the applicability and operability combined with a certain EMU track circuit compatibility test.

rolling stock; track circuit; compatibility

1008-7842 (2016) 04-0127-04

男，助理研究員(

2015-12-18)

U260

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.32