無絕緣軌道電路鄰區段干擾防護方法的研究

郭紅標， 趙林海,2， 馮 棟， 李 超

(1. 北京交通大學 電子信息工程學院， 北京 100044； 2. 北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室， 北京 100044)

目前，ZPW-2000系列無絕緣軌道電路JTC(Jointless Track Circuit)作為我國列控系統的核心設備，得到了廣泛的應用。相比于機械絕緣軌道電路，JTC通過在其兩端設置相應的調諧區，使其分別對本區段和相鄰區段的軌道電路信號呈現不同的串、并聯諧振關系，以達到控制軌道電路信號傳輸范圍，避免鄰區段干擾發生的目的[1]。所謂鄰區段干擾是指由于調諧區中相應調諧單元發生故障(如斷線)，而使原有的諧振關系被破壞，造成相鄰區段的軌道電路信號能夠越過調諧區而進入本區段。文獻[1]對鄰區段干擾進行了建模，并系統研究了其對列控車載機車信號設備的影響。相應研究結論表明，當對本軌道電路信號呈零阻抗的調諧單元發生斷線時，在某種條件下，其所造成的鄰區段干擾會高于機車信號設備的接收閾值，容易造成對信號的錯誤接收，從而影響列車的安全運行。可見，需要對鄰區段干擾進行防護，故研究相應鄰區段干擾的防護方法具有非常重要的意義。

目前，對JTC調諧區及鄰區段干擾的研究主要集中在鄰區段干擾的建模分析、調諧區故障診斷以及從現場設備維護的角度分析鄰區段干擾產生的原因與處理措施三方面。文獻[1]對鄰區段干擾進行了建模并研究了其對機車信號的影響，文獻[2]基于傳輸線理論對調諧單元的傳輸特性和調諧過程進行了建模和仿真，文獻[3]在對鄰區段干擾建模的基礎上分析了調諧區不同部件故障對鄰區段干擾信號的影響。在調諧區的故障診斷方面，文獻[4]提出了基于神經網絡的軌道電路調諧區故障診斷方法，文獻[5]提出了基于小波神經網絡的調諧區故障診斷方法，文獻[6]則利用不同位置調諧單元斷線對小軌接收電壓的影響不同提供了故障檢測思路。在現場設備維護方面，文獻[7-9]分析了可能導致鄰區段干擾產生的原因并給出了相應的測試及維修思路。由此可見，現有的研究并沒有對JTC鄰區段干擾給出相應的防護措施。

本文利用現有調諧區各調諧單元對相鄰區段軌道電路信號所表現出的不同諧振特性，將本軌道電路區段離發送端最近的補償電容改造為補償電容鄰區段干擾防護器，使其對本軌道區段仍等效為等值的補償電容，又對相鄰軌道電路信號表現為串聯諧振的短路效果，使得鄰區段干擾無法在本區段繼續傳播，以實現對鄰區段干擾的實時防護。仿真實驗表明，本設計可有效阻止鄰區段干擾的傳播，且可在性能上近似替代補償電容，具有較好的兼容性。

1 JTC調諧區的電氣分隔工作原理

1.1 電感與電容所構成的串、并聯諧振電路基本原理

1.1.1 串聯諧振

一個電感L和一個電容C構成串聯電路，見圖1。

圖1 L、C串聯諧振電路

圖1中，ULC(ω,t)為該電路輸入信號，ω和t分別代表ULC(ω,t)的角頻率和時間，ZLC為輸入端視入阻抗，即有[10]

(1)

式中：j為虛數單位，滿足關系j2=-1。令-ω2LC+1=0，則有

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

1.1.2 并聯諧振

基于圖1的電感和電容構造并聯電路，見圖2。

圖2 L、C并聯諧振電路

圖2相應的輸入阻抗ZLC可表示為

(7)

令-ω2LC+1=0，則有

(8)

1.2 JTC調諧區的基本結構與工作原理

圖3 JTC調諧區結構示意

2 補償電容鄰區段干擾防護器設計

2.1 設計思路

圖3中的調諧單元BA2和BA1分別對軌道電路1、2所對應的信號Us1(ω1,t)和Us2(ω2,t)表現為串聯諧振關系，即等效為短路線，使相應信號無法越區傳輸。所謂越區傳輸，即Us1(ω1,t)越過BA2向軌道電路2傳輸和Us2(ω2,t)越過BA1而向軌道電路1傳輸。進一步，由文獻[4]可知，一旦BA1或BA2發生斷線故障，則上述相應的越區防護將失效。由此，可在BA1和BA2靠近調諧區的主軌道一側，再加裝一個同型號的調諧單元，以實現對信號越區傳輸的冗余防護。

同時，考慮到新增加調諧單元會對原有軌道電路造成影響。本文提出將新增的調諧單元進行適當改造，使其成為補償電容鄰區段干擾防護器(以下簡稱防護器)。對于本軌道電路，該防護器的電氣特性與原有的補償電容相同；對于需要防護的相鄰軌道電路，該防護器等效為一個串聯諧振的調諧單元。這樣，既可以防護鄰區段干擾，又沒有對本軌道電路增加額外的不利影響，且可以直接替換現有的補償電容。考慮到鄰區段干擾對機車信號的影響，則防護器可安裝在每個軌道電路離發送端最近的補償電容處，即圖3中軌道電路1的CN處。

2.2 參數設計

目前，為防護鄰區段干擾對軌道電路地面設備的不利影響，相鄰區段軌道電路信號的角頻率采用“頻率交叉”隔段相同的設置方法[12]。設圖3中軌道電路1、2所對應的信號Us1(ω1,t)、Us2(ω2,t)的角頻率ω1、ω2滿足關系

ω1>ω2

(9)

對于軌道電路1中的防護器，其設計過程見圖4。

圖4 軌道電路1的防護器設計示意

根據設計要求，需要滿足兩個條件：一是對于相鄰軌道電路信號的角頻率ω2，其要等效為串聯諧振；二是對本軌道電路信號的角頻率ω1要等效為電容，且其容值要等于該處原有的補償電容值Cv。

為滿足第一個條件，可利用圖1設計一個電感L1f和一個電容C1f串聯的電路，并根據式(2)，使L1f和C1f的取值滿足對ω2串聯諧振條件，即有

(10)

同時，由式(3)和式(9)可知，L1f和C1f所構成的串聯電路對于ω1將等效為一個電感L1ef，且有

(11)

為滿足第二個條件，需在L1f和C1f串聯電路的輸入端再并聯一個電容C1ef，使得該電路的輸入端視入阻抗Z1LC等于該處原有補償電容在ω1下的容抗1/jω1Cv，即有

(12)

由式(12)可知，圖4電路所等效的補償電容容值Cde1f可表示為

(13)

由式(13)可知，為滿足第二條件Cde1f=Cv，C1ef應滿足

(14)

對于軌道電路2中的防護器，其設計過程見圖5。

圖5 軌道電路2的防護器設計示意

同樣，根據設計要求，設計一個電感L2f和一個電容C2f的串聯諧振電路，并使其諧振角頻率等于相鄰軌道電路信號的角頻率ω1，即有

(15)

同時，由式(5)和式(9)可知，由L2f和C2f所構成的串聯電路對于ω2將等效為一個電容C2ef，且有

(16)

則基于式(16)，若C2ef>Cv，則需要在L2f和C2f串聯電路的輸入端再并聯一個電感L2ef，使得該電路的輸入端視入阻抗Z2LC等于該處原有補償電容在ω2下的容抗1/jω2Cv，即有

(17)

由式(17)可知，圖5所示電路，在C2ef>Cv的條件下，其所等效的補償電容容值Cde2f可表示為

(18)

基于式(18)，并由設計條件Cde2f=Cv可知，L2ef應滿足

(19)

對于C2ef≤Cv的情況，需要在L2f和C2f串聯電路的輸入端再并聯一個電容C3ef，則Z2LC可表示為

(20)

由式(20)可知，等效的補償電容容值Cde2f滿足

Cde2f=C2ef+C3ef

(21)

則為滿足第二條件Cde2f=Cv，C3ef應滿足

C3ef=Cv-C2ef

(22)

3 仿真驗證

在此，基于文獻[1]所建立的鄰區段干擾模型，驗證本文所設計的防護器性能。按相應調整表[12]，設置相應的仿真條件。其中，軌道電路1：信號載頻為2 300 Hz、區段長度為990 m、補償電容個數為12；軌道電路2：信號載頻為1 700 Hz、區段長度為990 m、補償電容個數為16。在軌道電路1發送端調諧區BA1斷線的條件下，列車經過時機車信號所接收到的來自軌道電路2的鄰區段干擾分布情況，見圖6。

基于圖6的仿真條件，分別仿真利用圖4所示的防護器電路，將其替換軌道電路1中C12后，對來自軌道電路2鄰區段干擾的防護效果見圖7。由圖7可知，防護器對鄰區段干擾的防護效果較為顯著，其能將接收端與其自身所在位置C12間的鄰區段干擾近似衰減至0。

圖6 由軌道電路1發送端調諧區BA1斷線而使機車信號所接收到的來自軌道電路2的鄰區段干擾示意

圖7 將圖4所示防護器替換軌道電路1的C12后，對來自軌道電路2鄰區段干擾的防護效果示意

4 防護器對列控系統的影響分析

4.1 防護器與補償電容劣化性能的比較

考慮到目前補償電容主要有斷線和容值下降兩種故障模式[13]。并且防護器的斷線效果與同位置補償電容的斷線效果相同，因此本文主要比較防護器中電容的容值下降與原有補償電容容值下降對軌道電路的影響規律。

對于圖4防護器，在鄰區段軌道電路信號角頻率為ω2的條件下，存在C1f和C1ef分別和同時容值下降的情況，根據式(10)～式(14),其影響結果見表1。

表1 圖4中C1f和C1ef容值下降對Cde1f的影響

由表1可知，圖4中只要C1f和C1ef發生容值下降情況，會使最終等效的補償電容容值Cde1f降低，且C1f和C1ef同時發生容值下降時的Cde1f下降程度最大。

對于圖5的防護器，在鄰區段軌道電路信號角頻率為ω1的條件下，存在C2f和C3ef分別和同時容值下降的情況，根據式(15)～式(22),其影響結果見表2。

由表2可知，圖5中只要C2f和C3ef發生容值下降的情況,會使最終等效補償電容容值Cde2f降低，且C2f和C3ef同時發生容值下降時Cde2f下降程度最大。

表2 圖5中C2f和C3ef容值下降對Cde2f的影響

綜合以上分析可知，對于圖4、圖5防護器電路，無論其中哪個電容發生容值下降，其結果都會導致其等效的補償電容容值降低，這與原有補償電容的故障模式和變化規律相同。由此可見，本文所設計的防護器對于其所在的軌道電路區段，可以很好地模擬原有補償電容的電氣特性。

4.2 正常條件下防護器對軌道電路信號傳輸的影響

軌道電路1和軌道電路2都正常條件下，本文防護器和現有電容對調整態軌面電壓和分路態機車信號感應電壓幅值包絡的影響，見圖8、圖9。

圖9 正常條件下防護器和現有電容對分路態機車信號感應電壓幅值包絡的影響

從圖8和圖9可知，在此條件下防護器對各軌道電路自身部分的軌面電壓和機車信號感應電壓的幅值幾乎無影響，僅使軌道電路2經調諧區進入軌道電路1的鄰區段干擾信號有較大衰減，而這正是本文的設計目的。

4.3 BA1斷線條件下防護器對軌道電路信號傳輸的影響

軌道電路1和軌道電路2在調諧單元BA1斷線條件下，防護器和現有電容對調整態軌面電壓和分路態機車信號感應電壓幅值包絡的影響，見圖10、圖11。

圖10 BA1斷線條件下防護器和現有電容對調整態軌面電壓幅值包絡的影響

圖11 BA1斷線條件下防護器和現有電容對分路態機車信號感應電壓幅值包絡的影響

由圖10可知，防護器可大幅衰減因BA1斷線而漏泄到軌道電路1中的鄰區段干擾信號，且在C12之后將其衰減為0，而對所在的軌道電路1自身的信號傳輸則沒有影響，對軌道電路2的信號幅值影響較小。

由圖11可知，防護器在BA1斷線條件下對軌道電路1和軌道電路2自身范圍內的信號傳輸無影響，其僅對由軌道電路2漏泄至軌道電路1的鄰區段干擾信號進行衰減，且同樣在C12之后衰減至0。

4.4 BA2斷線條件下防護器對軌道電路信號傳輸的影響

軌道電路1和軌道電路2在調諧單元BA2斷線條件下防護器和現有電容對調整態軌面電壓和分路態機車信號感應電壓幅值包絡的影響，見圖12、圖13。

圖12 BA2斷線條件下防護器和現有電容對調整態軌面電壓幅值包絡的影響

圖13 BA2斷線條件下防護器和現有電容對分路態機車信號感應電壓幅值包絡的影響

由圖12和圖13可知，在此條件下防護器對各軌道電路信號傳輸的影響與現有補償電容相同，并未產生額外影響。

4.5 防護器對機車信號的影響

由圖9、圖11及圖13可知，防護器對不同條件下軌道電路1和軌道電路2自身范圍內機車信號感應電壓幅值包絡的影響與現有補償電容相同，故其不會改變機車信號設備對此范圍內信號的接收效果。

進一步，考慮到機車信號需要根據所接收的信號載頻不同而向列控系統提供相應的絕緣節信號[14]。基于文獻[15]并由圖9、圖11和圖13可知，機車信號在軌道電路1中接收載頻為f1的信號，其感應電壓幅值總體變化趨勢從軌道電路1的入口端到出口端逐漸升高，最后在BA1處達到最大后迅速衰減。同時，隨著列車的運行，軌道電路2信號的感應電壓幅值逐漸升高并超過機車信號接收閾值。機車信號憑借以上變化認定列車經過一個調諧區，并以此給出相應的絕緣節信號。由以上機理可知，由于防護器對軌道電路2信號的衰減是在軌道電路1信號感應電壓降低之前，故不會改變機車信號所產生的絕緣節信號。

5 結束語

本文利用無絕緣軌道電路的電氣分隔原理，設計了一種鄰區段干擾防護器，并給出相應的電路結構和部件參數計算公式。對于本軌道電路信號，該設備可等效為電容，且其容值和故障變化規律都與現有的補償電容相同；對于相鄰軌道電路區段信號，該設備則表現為串聯諧振，即對鄰區段干擾等效為短路以實現對其的防護。仿真結果表明，本文所設計的鄰區段干擾防護器可直接替代本軌道電路區段中發送端的補償電容進行使用。在軌道電路正常和BA1或BA2斷線下都可以有效阻止鄰區段干擾在本軌道電路區段的傳播，且對機車信號的正常工作無影響，具有良好的實用性和兼容性。