配置BES型扼流適配變壓器的道岔區段軌道電路調整表仿真計算

劉 倡，楊世武，崔 勇，呂佳奇

（1.北京交通大學 電子信息工程學院,北京 100044；2.通號城市軌道交通技術有限公司 研究開發中心,北京 100070）

我國普速鐵路站內以97型25 Hz相敏軌道電路為主要制式,多采用BE 型扼流變壓器。而隨著鐵路高速、重載的發展,牽引電流和牽引功率也相應增大,鋼軌中不平衡牽引電流干擾危害增加,當干擾達到一定程度時,將會影響軌道電路正常工作,進而給鐵路運營帶來安全隱患。為有效改善不平衡牽引電流脈沖干擾信號設備的問題,在大秦線2萬t重載大電流牽引擴能改造以及客運專線中應用了抗干擾性能優異的適用于ZPW—2000A 軌道電路的BES 型扼流適配變壓器（簡稱扼流適配器）,解決了其適應大牽引電流干擾問題［1］。此外,隨著普速鐵路的提速和電氣化改造,在牽引電流干擾嚴重的區段,特別是干擾大的道岔區段,也廣泛采用適用于25 Hz 相敏軌道電路的扼流適配器替換原BE型扼流變壓器［2］。在更換扼流適配器時,無須更改軌道電路本身的系統架構和各信號設備的參數指標,只需更改線路的調整表。采用扼流適配器的調整方法一般參考原有調整表,但由于器材傳輸特性有差異,且扼流適配器有調整相位功能,因此目前的調整方法難以適應實際設備更換及運營維護的需求。

另一方面,鐵路道岔區段的軌道電路采用1 送多受的設置,實現對不同鋼軌線路分支的列車占用檢查、傳遞行車信息的作用,常見類型有1 送2 受與1送3受。而既有的文獻主要是針對1送1受型軌道電路：齊華基于1 送1 受結構對25 Hz 相敏軌道電路進行了仿真計算［3］；張永賢等通過建模仿真,分析計算了ZPW—2000A 型軌道電路［4］；喬志超等基于矢量匹配法建立不對稱高壓脈沖軌道電路的寬頻仿真計算模型［5］；韋強等通過“兩次短路法”完成軌道電路一次參數的測量［6］；田銘興等通過二端口網絡理論建模,分析了無絕緣軌道電路斷軌狀態的傳輸矩陣參數及接收端轉移阻抗等［7］；趙林海等基于傳輸線理論提出機車信號感應電壓幅值包絡仿真模型,并給出基于遺傳算法的無絕緣軌道電路故障綜合診斷方法［8］。孟景輝等分析了不同載頻的區間軌道電路檢測數據散點圖,并采用線性擬合方法分析了區間軌道電路傳輸特性[9]；祝林嘯等針對新型數字編碼軌道電路傳輸的窄帶多音調頻信號,提出利用FIR 高通數字濾波器進行多音調頻信號數字解調的方法[10]。而對于1 送2 受型軌道電路,相關研究則接近空白。

文獻［11］提出了1 送2 受型軌道電路傳輸參數計算思路,其核心思想是遇道岔分歧處將其他分支連同受端折合成阻抗并聯在1 送1 受等效電路上（列車分路時,等效阻抗并聯在列車分路的支路上）,進而采用均勻傳輸線方程法進行各級電壓、電流等參數推算,但并未在文中給出具體計算公式和方法。故本文基于該思想,搭建典型站內單開道岔區段1送2受型25 Hz相敏軌道電路的仿真計算模型,該模型綜合考慮鋼軌阻抗、道砟電阻等參數對軌道電路的影響不同,通過計算帶BE 型扼流變壓器時軌道電路調整及分路狀態參數來驗證該模型的準確性；再拓展應用于帶扼流適配器的情況,采用該模型完成軌道電路關鍵參數的仿真計算,得到道岔區段帶扼流適配器時1送2受軌道電路調整表,該調整表可用于實際軌道線路中扼流適配器的更換及維護。

1 軌道電路系統構成與仿真計算模型的搭建

對于97 型25 Hz 相敏軌道電路,其道岔區段1送2 受型軌道電路系統由傳輸電纜、送電端扼流變壓器、送電端電源變壓器、鋼軌線路、受電端扼流變壓器（正線及側線）、受電端中繼變壓器、防護盒、交流二元二位繼電器等設備組成,如圖1所示［12］。圖中：括號內的字母為對應器件的英文名稱；GJZ220和GJF220為送電端電源的2個端子；GJ為軌道繼電器；JJZ220和JJG110為GJ的1束局部電源。

圖1 道岔區段1送2受型25 Hz 相敏軌道電路系統構成

根據圖1,假設機車在正線運行,且分路點在正線接收端至道岔分支處鋼軌,可將側線分支連同其受端折合成等效阻抗并聯在電路上,其它單元模塊進行四端網結構等效［13］,由此搭建的軌道電路仿真計算模型如圖2所示。

圖2中：為供電變壓器二次測電壓；Rx為限流電阻；和分別為送電端扼流變壓器信號線圈的電壓和電流；為送電端扼流變壓器四端網絡系數；和分別為軌道電路始端電壓和電流；Zg1,Rd1和L1分別為送電端至道岔分支處軌道區段的鋼軌阻抗、道砟電阻、距離參數,其中L1為送電端至道岔分支處鋼軌長度；和分別為正線軌道電路終端電壓和電流；Zj2為側線受電端等效阻抗；Zg(L2-x),Rd(L2-x),(L2-x)分別為道岔分支處至機車分路點軌道區段的鋼軌阻抗、道砟電阻、距離參數,其中L2為道岔分支處至正線接收端鋼軌長度；x為機車分路點至正線受電端鋼軌長度；Rf為機車分路電阻；Zgx,Rdx,x為機車分路點至正線受電端軌道區段的鋼軌阻抗、道砟電阻、距離參數；,為正線受電端扼流變壓器四端網絡系數；Ry為正線受電端扼流變壓器與軌道電壓器間的連接電阻；為正線受電端中繼變壓器四端網絡系數；和分別為正線受電端扼流變壓器信號線圈的電壓和電流；Rl為連接中繼變圧器與軌道繼電器電纜等效電阻。

圖2 1送2受型25Hz 相敏軌道電路仿真計算模型

通過圖2中各模塊四端網系數可計算得出電路模型中各支路電壓、電流,并采用四端網級聯的方式（即各模塊四端網系數矩陣相乘）,完成該軌道電路系統仿真從受電端到送電端的推算。另外,對并聯及串聯在電路中的阻抗（分別以Zj2和Rx為例）,其四端網系數矩陣[Aj2Bj2Cj2Dj2]和[AxBxCxDx]與其阻抗的換算關系為

2 帶BE時仿真計算及分析驗證

2.1 軌道四端網絡系數計算

在普速鐵路,站內多采用雙塞釘式鋼軌接續線,25 Hz 相敏軌道電路的鋼軌阻抗為0.62∠42° Ω · km-1［14］。道砟電阻的取值,根據《鐵路信號維護規則技術標準Ⅰ》［14］的規定,在軌道電路調整狀態計算時取最小值0.6 Ω · km,在分路狀態計算時取無窮大值∞。在1送2受情況下,由于道岔分支的存在,需將軌道區段分成3段,即①送電端至道岔分支處,②道岔分支處至正線受電端,③道岔分支處至側線受電端,且3 段軌道的長度L1,L2,L3均取為0.2 km。

以軌道區段①為例,根據傳輸線方程法［15-17］,求得傳播常數γ1和特性阻抗ZK1分別為

故四端網絡系數為

2.2 軌道電路調整狀態參數計算

以軌道線圈電流零度相角為基準,從正線受電端開始向前推算,此時道砟電阻取最小值。已知軌道繼電器GJ工作電壓為15∠70° V,且不考慮相位條件時,當其端電壓高于15 V,GJ 吸起,當其端電壓低于8.6 V,GJ落下［11］。

軌道繼電器至中繼變壓器間傳輸電纜的電阻Rl=100 Ω,扼流變壓器至軌道變壓器間連接線的電阻Ry=0.3 Ω,限流電阻Rx=4.7 Ω。中繼變壓器選用BG25-130/25 型,扼流變壓器選用BE—400/25 型。對系數為A˙,B˙,C˙,D˙的通用四端網絡,可通過式（6）所示的傳輸方程,完成二次側到一次側電壓及電流的推算。

考慮此時交流二元二位繼電器失調角β=-14.35°,調整狀態部分參數計算結果見表1。

表1 調整狀態部分參數計算結果

2.3 軌道電路分路狀態參數計算

為確保鐵路信號系統正常運行,1 送2 受軌道區段采用將全部支路的軌道繼電器前接點串聯的方式來控制軌道復示繼電器的動作,且須保證每次分路檢查至少有1個軌道繼電器可靠落下。以列車在道岔分支處正線鋼軌分路情況為例,列車分路電阻Rf=0.06 Ω。此時道砟電阻取最大值。假設列車分路點距正線接收端線路長度為xkm,故整個系統的軌道區段被分為x,(L2-x),L1km共3 段。以x從0開始以dx=0.025 km為步長遞增為例展開計算。考慮到列車分路時必須滿足軌道繼電器可靠釋放的條件,即其可靠釋放值為工作值的44%,故此時正線鋼軌終端電壓及電流分別為0.19∠73.93° V、0.36∠41.33° A。

分路時需將受電端到送電端完整軌道區段分3 段處理：分路點至正線受電端、道岔分支處至分路點、送電端至道岔分支處。

考慮失調角β=6.94°,不同列車分路點下分路狀態參數計算結果見表2。

2.4 計算結果驗證

將上述計算結果與《鐵路信號維護規則》［14］對比驗證可知,提出的帶BE 型扼流變壓器的軌道電路仿真計算模型符合1 送2 受型軌道電路電氣特性,滿足97型25 Hz相敏軌道電路調整表要求。分路狀態時,接收端殘壓最小值大于7.4 V,可保證軌道繼電器可靠落下；最不利地點分路靈敏度不小于0.06 Ω,可保證軌道電路可靠分路；各分路點電壓余量均大于8.0,說明軌道電路能夠正常工作。由此可知,該模型符合現場實際情況,可用于道岔區段1送2受型25 Hz相敏軌道電路的仿真計算。將該模型中的扼流變壓器四端網絡替換為扼流適配器四端網絡,便可將該模型拓展應用到帶BES 的軌道電路區段。

表2 分路狀態部分參數計算結果

3 帶扼流適配器時仿真計算及關鍵參數特性

3.1 扼流適配器四端網系數測量計算

為解決電氣化干擾［18-20］引起的25 Hz 系列軌道電路脈沖干擾導致誤動問題,扼流適配器采用大氣隙的鐵芯,且在信號側并聯適配器。一方面,采用串聯諧振與并聯諧振的電路特點,實現對50 Hz工頻干擾的濾除,避免其進入信號設備；另一方面提高了對25 Hz 信號的傳輸阻抗［21］。顯然,其傳輸特性與普通扼流變壓器也存在差異。

扼流適配器電路如圖3所示。主要包括：自耦變壓器；Rm與Lm并聯構成的等效勵磁阻抗電路；理想變比變壓器（變比為n）；二次側等效電路這4 個電路模塊［22-23］；漏阻抗ZL。其中二次測等效電路中：L3為次級線圈勵磁感抗；L2,C1,C2,R構成諧振電路,實現適配器功能。

圖3 扼流適配器電路

現基于BES2型扼流適配變壓器展開具體參數計算。通過實測可得到扼流適配器一次側（信號側）開路阻抗Z1∞、短路阻抗Z10,以及二次側（鋼軌側）開路阻抗Z2∞、短路阻抗Z20,其值與扼流適配器四端網絡系數換算關系如式（7）所示,根據式（7）即可反推扼流適配器四端網絡系數。

以扼流適配器變比為26 為例,根據式（7）可反推得到發送端四端網絡系數為=3.914 1∠-9.9°,=5.343 0∠17.1°,=0.192 0∠-17.1°,=0.517 6∠9.9°。計算接收端系數時,可認為電流反向,即變壓器一次側與二次側交換,故式（7）中Z1∞,Z10,Z2∞應分別用Z2∞,Z20,Z1∞替換,再反推得到接收端四端網絡系數為=0.405 7∠9.286 9°,=1.631 7∠11.486 9°,C˙besh=0.150 5∠-17.713 1°,=3.067 6∠-10.513 1°。

3.2 調整表計算

根據圖2所示模型,選取鋼軌傳輸阻抗0.62∠42°Ω · km-1,道砟電阻0.6 Ω · km,受電端軌道變壓器與扼流適配變壓器之間的電纜電阻為RS,限流電阻為Rx（含扼流適配器至供電變壓器之間電纜的電阻）,軌道長度L1,L2,L3≤200 m,其他基本線路參數沿用帶BE 時的情況。仿真計算得出軌道電路調整表見表3。表中：Ujmin與Ujmax分別為軌道繼電器最小與最大端電壓,即交流二元二位繼電器軌道線圈上電壓的計算分別對應道砟電阻為最小值及最大值的2種情況［24］；Ucan為機車分路時軌道電路接收端殘壓,即標準分路電阻在軌面分路時軌道繼電器端電壓［25］。

表3 帶扼流適配器軌道電路調整表

Ucan值可由圖4所示模型與式（8）計算,圖4中：四端網絡系數Acan,Bcan,Ccan,Dcan為分路電阻后級至軌道繼電器GJ 前級的等效四端網絡矩陣的乘積；Uf為分路電阻Rf兩端電壓；Ican為GJ前級輸入電流。

圖4 分路殘壓計算模型

經計算,本例中軌道電路分路殘壓值均不超過7.4 V,符合標準規定的97 型軌道電路接收端殘壓值不應大于7.4 V。故得到的調整表可應用于帶扼流適配器時1送2受型軌道電路。

3.3 分路靈敏度計算及分析

分路靈敏度是軌道電路中引起分路效應時的最大分路電阻值,記為βlm,其用阻值的形式表示［26］,即

式中：與分別為分路狀態與調整狀態時發送端供電變壓器電壓。

為保證軌道電路可靠分路,要求線路分路最不利點的分路靈敏度不小于0.06 Ω。為此,選取分路步長為25 m,遍歷分路點,采用上述模型和式（9）,仿真計算不同分路點距接收端距離時的分路靈敏度,結果如圖5所示。由圖可知,軌道各處分路靈敏度均大于0.06 Ω,符合軌道電路可靠分路的要求。

圖5 不同列車分路點下的分路靈敏度

觀察圖5中曲線的變化趨勢,顯然曲線在道岔分支處出現轉折,說明道岔分支處是該線路條件下分路最不利點。該結果與文獻［11］中無受電分支情況下1 送2 受型軌道電路區段分路最不利點在岔尖處的結果相符,但與傳統1 送1 受型軌道電路區段分路最不利點在接收端或發送端不符。其主要原因在于：道岔設置尖軌及轍叉等結構,存在有害空間,易出現“擠岔”、“四開”等故障［27］；岔區采用道岔跳線和道岔絕緣的設置實現1 送2 受型軌道電路基本功能；通過接續線的設置實現道岔各組成單元間軌縫的電氣連接,岔尖處跳線與軌縫設置則更為復雜,列車分路時鋼軌中電流存在多條支路；道岔尖有害空間處各鋼軌支路并未實際連通,而是利用跳線的設置構成電流通路,而列車分路是依靠輪對接觸鋼軌表面實現,從而導致列車不易有效分路。綜上所述,道岔岔尖是1 送2 受型軌道電路區段中最易導致分路不良的機械環節。

3.4 軌道繼電器工作電壓余量比

軌道繼電器工作電壓余量比K的計算公式為

式中：UFmin為最小分路電壓；UB為調整電壓,即按軌道繼電器工作電壓為15 V 時計算出的供電電壓值［11］。

為確保列車分路時軌道繼電器可靠落下,要求供電電壓滿足列車在分路最不利點的電壓余量比不小于8.0。為此,采用上述模型和式（10）,仿真計算各分路點的電壓余量比。結果表明,該線路條件下最小電壓余量比均大于8.0,可判定各分路點電壓余量比均滿足軌道繼電器可靠工作的要求。

3.5 不同道砟電阻時調整表計算

軌道電路調整表的配置是根據各條線路固定參數來計算的。然而,軌道電路的實際工作環境會隨著自然環境條件的變化相應發生改變。尤其是道砟電阻作為軌道電路的一次參數,其變化特性十分復雜。道砟電阻的等效值與多種因素有關,在實際鐵路現場中,由于道砟材料、道砟層的厚度和清潔度、軌枕的材質和數量、路基和土壤的導電率、氣候等的變化［28］,導致不同線路的道碴電阻不同。故針對不同線路條件,選取不同的道砟電阻Rd［29］,采用上述模型,仿真計算不同道砟電阻時軌道電路調整表,結果見表4,表中分路殘壓Ucan為其計算結果的最大值。

表4 不同道碴電阻情況時的調整表

由表4可知：計算結果滿足調整和分路狀態標準要求；隨著道砟電阻的增大,軌道電路正常工作所需發送電平減小,軌道繼電器最大端電壓下降,軌道繼電器最小端電壓增加,分路殘壓下降。顯然,道砟電阻的增大,使得軌道電路可允許發送電平適度降低,且更有利于列車分路。

4 結 論

（1）提出了一種應用于站內道岔區段1 送2 受型軌道電路的仿真計算模型,并基于現場實測的帶BE 型扼流變壓器的軌道電路一次傳輸參數,對軌道電路調整和分路狀態下發送電壓和電流的模擬計算,結果反映了1 送2 受型軌道電路的工作特性,符合現有調整表要求,從而驗證了該模型的正確性和有效性。將該模型中的扼流變壓器四端網絡替換為扼流適配器四端網絡,便可將該模型拓展應用到帶BES的軌道電路區段。

（2）結合扼流適配器傳輸特性,實際測量并計算了其四端網絡系數；采用拓展的模型仿真計算,得到帶扼流適配器軌道電路在1 送2 受區段的調整表；同時計算分析該軌道電路區段的分路靈敏度和電壓余量比可知,分路最不利點的分路靈敏度滿足不小于0.06 Ω的要求,且道岔岔尖是1 送2 受型軌道電路區段中最易導致分路不良的機械環節；最小電壓余量比均大于8.0,故各分路點電壓余量比均滿足軌道繼電器可靠工作的要求。

（3）采用該拓展模型仿真計算得到不同道砟電阻時的調整表。道砟電阻的增大,使得軌道電路可允許發送電平適度降低,且更有利于列車分路。

（4）該模型可用于實際線路更換扼流適配器后軌道電路調整表的編制,以及軌道電路維護及優化時調整表的計算。同時,該模型也可拓展應用于三開、復式交分等道岔區段以及ZPW—2000A 型等其他制式軌道電路調整表的計算。