上海軌道交通50 Hz相敏軌道電路抗干擾優(yōu)化方案

王 偉

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號分公司，200235，上海∥工程師)

直流單軌條50 Hz相敏軌道電路在上海軌道交通1、2號線正線及全網(wǎng)車場中廣泛使用。牽引直流回流會磁化軌道變壓器;50 Hz諧波會干擾軌道電路正常工作，甚至危及行車安全。為此，在工程設(shè)計和維護(hù)調(diào)整中采取了一定的抗干擾優(yōu)化方案。

1 直流單軌條牽引50 Hz相敏軌道電路

1.1 50 Hz二元二位相敏軌道電路

上海軌道交通1號線正線道岔區(qū)域及全網(wǎng)車場均使用國產(chǎn)50 Hz二元二位相敏軌道電路。其原理圖如圖1。該軌道電路性能主要由二元二位相敏繼電器(JRJC－45/300和JRJC1－42/275兩種)所決定。二元二位繼電器的特性見表1。相關(guān)指標(biāo)有:分路電阻為0.15Ω，道床漏泄電阻為0.93Ω·km至無窮大，極限長度為500 m，受電端電纜電阻不大于150Ω。

圖1 50 Hz相敏軌道電路原理圖

表1 二元二位繼電器特性

1.2 PF 軌道電路

上海軌道交通2號線正線道岔區(qū)域使用的是美國US＆S公司的工頻(PF)軌道電路。其原理圖如圖2所示。該軌道電路性能主要由二元二位PV－250相敏繼電器確定。相關(guān)指標(biāo)為:分路電阻為0.25Ω，道床漏泄電阻為0.9Ω·km 至無窮大，極限長度為304 m。PV－250繼電器軌道線圈阻抗為0.197 Ω，吸起電流為0.3 A，理想相位角為71.5°±20°。一組實(shí)測的該型繼電器特性數(shù)據(jù)為:局部線圈工作值為115 V/0.177 A;軌道線圈吸起值為0.704 V/0.295 A，工作值為 0.767 V/0.322 A;返還系數(shù)為 90%;相位角為 81.3°。

圖2 美國US＆S公司PF軌道電路

1.3 WXJ 50型微電子相敏軌道電路

上海軌道交通2號線東延伸正線岔區(qū)曾使用過WXJ 50型微電子相敏軌道電路。其原理圖如圖3所示。該軌道電路的主要性能由WXJ 50微電子接收器確定。相關(guān)指標(biāo)有:軌道接收阻抗為500Ω±20 Ω，阻抗角為零;返還系數(shù)大于80%;分路電阻為0.15 Ω;道床漏泄電阻為1Ω·km至無窮大;極限長度為300 m;受電端單芯電纜控制長度不大于1 000 m。

1.4 50 Hz相敏軌道電路的抗干擾能力

處于調(diào)整狀態(tài)的單軌條軌道電路，一根軌條通過牽引回流和軌道電路信號電流，在牽引回流流過該軌條時會形成電位差，因而在另一根軌條通過軌道電路信號電流的同時，也會有少量牽引回流流過，這個牽引回流的分量對軌道電路會產(chǎn)生干擾。對于單軌條軌道電路，將主要流過牽引回流的軌條稱為“牽引軌”或“回流軌”，對應(yīng)另一根軌條稱為“信號軌”。牽引回流越大，牽引軌阻抗越大，軌道電路受到的干擾也越大。考慮到牽引回流對50 Hz相敏軌道電路的影響，軌道電路的長度會受到限制。

單軌條50 Hz相敏軌道電路雖具有一定的頻率和相位選擇性，能較好地防護(hù)來自牽引電流的各種諧波干擾，但在實(shí)際運(yùn)用中，還存在一定的抗干擾能力問題。例如:軌道電路在受干擾后，會出現(xiàn)列車未占用提前顯示紅光帶、列車離去紅光帶滯后消失、列車占用時跳閃或不顯示紅光帶等現(xiàn)象。列車占用時跳閃或不顯示紅光帶現(xiàn)象將危及行車安全。

2 牽引回流干擾測量

牽引回流對軌道電路的干擾同牽引變電站和列車有關(guān)。列車采用大電流高電壓的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)器件由直流電機(jī)牽引變?yōu)樽冾l交流牽引，車輛的主干擾頻帶也相應(yīng)提高到了幾千赫茲級。在列車起動、加速、惰行、再生制動和載重變化等工況下，列車的牽引電流會發(fā)生變化，并產(chǎn)生豐富的諧波干擾成分，從而動態(tài)、隨機(jī)地干擾軌道電路的正常工作。如果50 Hz諧波成分的干擾量足夠大，則會引起相敏軌道電路的誤動，進(jìn)而影響城市軌道交通的正常運(yùn)營，甚至危及行車安全。

2.1 軌面與二元二位繼電器軌道線圈側(cè)干擾測量

牽引供電是通過12相或24相脈波整流得到的。在鋼軌軌面測得的干擾脈沖波形、周期及頻譜如圖4所示。當(dāng)列車接近時，在軌道線圈測得的干擾波形(疊加在50 Hz相敏軌道電路上的12相整流干擾)如圖5所示。

圖3 WXJ 50型微電子相敏軌道電路

圖4 軌面干擾脈沖波形及頻譜

圖5 列車接近時二元二位繼電器軌道線圈波形

2.2 列車牽引電流干擾測量

上海軌道交通1、2號線全線全時段實(shí)現(xiàn)了8節(jié)A型車編組列車高密度運(yùn)營，根據(jù)供電專業(yè)提供的數(shù)據(jù)，其牽引回流可達(dá)10 000 A以上。如此高的牽引回流是否會對50 Hz相敏軌道電路產(chǎn)生干擾，需通過不同工況下(包括列車牽引、制動、惰行等)的測量來加以認(rèn)證。測試方法如圖6所示。

圖6 8節(jié)編組列車牽引電流干擾測試方法

2.3 測試結(jié)果分析

在1號線全線實(shí)測單列列車正常空車運(yùn)行時，總牽引回流中含有50 Hz的同頻干擾。其程度為:干擾電流有效值達(dá)到3 A時，持續(xù)時間約為5 s;干擾電流有效值達(dá)到8 A時，持續(xù)約為1 s。不同工況測得2號線8節(jié)編組列車3個受電弓中50 Hz電流總和小于1 A，但有時電流峰值最大可達(dá)到3 A;但大于1 A限定值的電流峰值持續(xù)時間小于200 ms。

1號線二元二位相敏軌道電路的干擾限值為:在頻率(50±3)Hz范圍內(nèi)，干擾電流有效值達(dá)到3 A的持續(xù)時間不得超過300 ms。2號線PF軌道電路的干擾限值為:在頻率(50±5)Hz范圍內(nèi)，干擾電流有效值達(dá)到1 A的持續(xù)時間不得超過200 ms。對照上述干擾限值可知，1號線部分列車的干擾超過信號限制標(biāo)準(zhǔn)，需要給予優(yōu)化，而2號線基本滿足信號供應(yīng)商的技術(shù)要求。

3 獲得最大干擾的最不利條件與優(yōu)化設(shè)計

3.1 獲得最大干擾的最不利條件

50 Hz的同頻干擾可以理解為分路殘壓疊加干擾，當(dāng)分路殘壓疊加達(dá)到一定程度時，就會引起落下的軌道繼電器錯誤吸起并上接點(diǎn)閉合。經(jīng)分析，在發(fā)送端僅有一對輪對分路時，接收端受牽引回流干擾影響最大。此即為獲得最大干擾的最不利條件，如圖7所示。

圖7 最不利干擾列車輪對分路示意圖

3.2 抗干擾優(yōu)化設(shè)計

通過測量、分析，筆者認(rèn)為，通過以下優(yōu)化設(shè)計可有效提高50 Hz相敏軌道電路對直流牽引回流的抗干擾能力。

(1)增大限流電阻。將發(fā)送接收端電阻由2.2 Ω增大到4.4Ω，以抑制直流磁飽和，同時減少信號軌流過的同頻干擾分量。US＆S公司的PF軌道電路將發(fā)送和接收的變壓器設(shè)置在信號機(jī)械室內(nèi)，電纜線阻起到了增大限流電阻的作用。

(2)無岔區(qū)段長度控制在150 m。將1個長無岔區(qū)段切割為1個“1送1受”的無岔區(qū)段和1個“1送2受”的無岔區(qū)段;或?qū)⑵涓臑?送2受方式，在無岔區(qū)段中間設(shè)送電變壓器箱，兩端設(shè)受電變壓器箱，區(qū)段中間不設(shè)絕緣節(jié)，如圖8所示。

圖8 無岔區(qū)段“1送2受”方式

(3)減小長道岔區(qū)段。將長道岔區(qū)段切割為2個無岔區(qū)段和1個“1送2受”的道岔區(qū)段，或1個無岔區(qū)段和1個“1送1受”的道岔區(qū)段，或1個無岔區(qū)段和1個“1送2受”的道岔區(qū)段。

(4)增加安全延時電路。采用安全型時間繼電器，使得軌道復(fù)示繼電器延時吸起。

同時，在維護(hù)時按如下要求對軌道電路進(jìn)行調(diào)整:

(1)控制失調(diào)角。受電端軌道線圈側(cè)回路內(nèi)串接電容進(jìn)行調(diào)相，適當(dāng)配置非標(biāo)電容，準(zhǔn)確調(diào)整相位。

(2)固定送、受電端限流電阻。拆除滑線變阻器調(diào)節(jié)功能，通過調(diào)整變壓器電壓來調(diào)整軌道電路，以避免調(diào)小限流電阻而惡化分路檢查，引起直流磁化電流的增加和干擾增大，導(dǎo)致軌道電路不能正常工作的情況。

(3)控制分路殘壓。調(diào)整二元二位軌道繼電器受端電壓不大于17 V，分路試驗(yàn)殘壓小于3 V。

(4)增大電源屏軌道電路電源容量。因單個軌道電路功率的增大，可能需要增大電源屏容量。

4 結(jié)語

相敏軌道電路基于電壓、相位和持續(xù)時間的多參數(shù)共同作用，有非常大的安全富裕度。所以，通過優(yōu)化設(shè)計，改進(jìn)調(diào)整狀態(tài)，抑制信號軌中牽引回流分量，可以確保直流單軌條50 Hz相敏軌道電路的安全運(yùn)用。

通過測試和分析直流牽引回流對50 Hz相敏軌道電路的影響，在上海軌道交通1號線人民廣場站C4/C10復(fù)合軌道區(qū)段采用了 ALSTOM MICROCHRON延時繼電器(設(shè)定為3 s)的方案，在上海軌道交通10號線停車庫采用了分割軌道電路的方案，保證了相關(guān)區(qū)段軌道電路的穩(wěn)定工作。另外，針對道岔區(qū)段鋼軌漏泄電阻變小及微電子相敏軌道電路出現(xiàn)不穩(wěn)定紅光帶的現(xiàn)象，于2012年采用US＆S公司的PF軌道電路對2號線微電子相敏軌道電路進(jìn)行了全部更換，既解決了軌道電路不穩(wěn)定紅光帶的問題，也保持了2號線全線相敏軌道電路的制式一致性。

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