自動調壓型不對稱高壓脈沖軌道電路研究

張海旭

（西安思源科創軌道交通技術開發有限公司，西安 710054）

軌道電路能夠有效檢查線路的占用情況，同時可向車載設備發送行車許可信息，是聯鎖以及列車運行控制系統的重要組成部分[1]。目前國內電氣化鐵路站內軌道電路絕大多數采用97型25 Hz相敏軌道電路，但此制式的軌道電路設計軌面電壓小于1 V，列車運行頻次較低的區段鋼軌容易生銹，從而引起軌道電路分路不良。分路不良會造成遺留白光帶、區段閃紅、列車占用丟失等嚴重影響行車安全的問題。同時也給現場工作人員帶來大量額外工作，車、工、電務人員需要每月聯合進行分路不良專項檢查，電務人員需要進行登記管理、定期測試；工務人員需要進行鋼軌打磨，費時費力卻不能有效解決問題。

不對稱高壓脈沖軌道電路采用脈沖信號擊穿銹層，是目前解決分路不良最主要的技術手段。通過不同的電壓等級，不同的扼流變壓器的變比，在軌面傳輸不同幅值的脈沖信號，可以有效擊穿不同厚度的銹層、鋼軌污染物來解決軌道電路的分路不良問題[2]。但現場鋼軌生銹程度不同，如何高效的調整全靠電務人員的經驗，并且由于列車運行圖的不斷更新，每個區段的列車運行頻率在不斷變化。調整電壓過低可能導致分路不良問題無法徹底解決，調整電壓過高會造成能耗增大，因此，分路不良當屬于動態管理的范疇。選擇固定的扼流變壓器變比，并自動采集分路情況，對發碼器電壓進行自動調整，將更有利于分路不良問題的有效解決，并且在無人值守站大力發展的現狀之下，為電務人員的管理及維護帶來便利。

本文以BGM型不對稱高壓脈沖軌道電路為例，利用麥克斯韋電磁場方程組，建立軌道電路的傳輸線方程，并建立帶調諧器的高壓脈沖扼流變壓器四端網絡模型，形成軌道電路的傳輸模型，利用Simulink軟件建立BGM型不對稱高壓脈沖軌道電路的仿真模型，對仿真結果與實際測試結果進行對比，論證仿真模型的可用性。分析不同的扼流變壓器變比對軌面電壓、軌道電路的調整及分路的影響，得到扼流變壓器變比的最優方案。并通過二元差動繼電器輸入頭尾部電壓的實時監測，依據設定的電壓區間進行相應的數據處理，對送電端發碼器脈沖電壓實現自動調整，在保證可靠分路的前提下，進行最優化的能耗控制，實現軌道電路的動態管理。

1 軌道電路模型建立

1.1 不對稱高壓脈沖軌道電路系統概述

不對稱高壓脈沖軌道電路由脈沖發送設備、扼流變壓器、鋼軌傳輸線、電纜傳輸線路、譯碼器以及二元差動繼電器組成，其系統結構如圖1所示[3]。

圖1 不對稱高壓脈沖軌道電路系統結構圖Fig.1 Structure diagram of asymmetrical high-voltage pulse track circuit

送電端高壓脈沖發碼器可以實現300 V、400 V、500 V電壓調整，扼流變壓器初次級變比可以從1：3.5～1：10.5共計8個檔位，配套發碼器用以實現不同軌面條件下恰當的軌面電壓調整[4]。

1.2 軌道線路模型建立

基于傳輸線理論的鋼軌線路模型如圖2所示，采用均勻分布參數模型對傳輸模型進行定量分析。在傳輸線路取無窮小長度的傳輸線dz，i(z,t)為流入dz段的鋼軌電流，i(z+dz,t)為流出dz段的鋼軌電流，u(z,t)、u(z+dz,t)分別為dz段前后的軌面電壓。

圖2 鋼軌線路模型Fig.2 Model of track circuit

利用麥克斯韋電磁場方程組推導軌道電路的傳輸線方程：

首先假定傳輸線無耗且無漏泄，即R0=0,G0=0。麥克斯韋第二定律為

其中，E為電場強度矢量，B為磁感應強度矢量。相應的積分形式為：

其 中，S是 由L閉 合 起 來 的 面 積，如 圖2所示，在鋼軌線元取一個矩形的積分回路（a→b→c→d），那么橫向長度即為dz；由于在回路平面上電力線處與導線垂直，對b→c和d→a路徑，Edl=E(dl)cos90°=0，故有：

另一方面，如果用φ表示單位長傳輸線環鏈的磁通，則有：

然而，磁通應等于磁感應強度B在面S上的積分：

故有：

這樣，由麥克斯韋第二定律的積分形式，得：

軌道電路傳輸線方程的另一種形式，可以由電流與電荷之間的關系直接得出。在dz內，如電荷改變流出的電流就不等于流入的電流；電流在減少，減少量等于電量隨時間的增加率，即：

此即為軌道電路在不考慮鋼軌阻抗及道床漏泄情況下的傳輸線方程；如圖2所示，設單位長度鋼軌阻抗為R0，單位長度道床導納為G0,在線元dz內電壓損耗和電流漏泄分別為R0i和G0u,因此得到在均勻分布下的軌道電路傳輸線方程：

用阻抗及導納的形式進行表示，得：

令阻抗Z=R0+jωL0,導納Y=G0+jωC0,他們分別稱為傳輸線單位長度的串聯阻抗和并聯導納。

方程兩邊對z微分，并將公式（13）帶入得：

可求得通解：

在已知軌道電路送電端電壓、電流的前提下，通過雙曲正余弦函數表示為[5]：

用矩陣形式表示為：

則有：

即為軌道電路鋼軌傳輸線四端網絡參數矩陣。

1.3 扼流變壓器模型建立

對不對稱高壓脈沖軌道電路中帶調諧器的扼流變壓器進行參數分析，等效電路如圖3所示。R1、R2為扼流變壓器初次級線圈的直流電阻，即為銅損；R3為調諧器中電感線圈的直流電阻；L1、C1分別為調諧器的電感和電容；Y為勵磁導納，即變壓器的鐵損；T2為初次級變比為1：3.5的理想型變壓器[6]。

圖3 扼流變壓器四端網絡模型Fig.3 Four-terminal network model of choke transformer

對各設備建立等效的四端網絡，將各四端網絡串聯后構成系統模型，由此得出帶調諧器的不對稱高壓脈沖軌道電路扼流變壓器的四端網絡模型參數NBGM：

求得：

采用50Hz頻率的信號，對不帶調諧器的型號為BE2·M2-1000A的扼流變壓器進行測試，得R1=0.015 Ω、R2=0.148 Ω、R3=1.68 Ω、L1=0.2H、C1=50 μF,并通過計算得Y1=0.024 Ω-1，當扼流變壓器牽引側與信號側變比為3.5：1時，求得：

不同變比扼流變壓器的四端網絡參數如表1所示。

表1 不同扼流變壓器變比下的四端網絡參數Tab 1. Four-terminal network parameters under different choke transformer ratios

1.4 軌道電路整體傳輸線模型建立

以1 000 m長度的軌道區段為例，取扼流變壓器的變比為3.5:1，送受電端電纜電阻均為50 Ω，則不對稱高壓脈沖軌道電路的傳輸網絡為

利用Matlab對不對稱高壓脈沖軌道電路進行仿真，取受電端牽引側阻抗為200 Ω，得到在扼流變壓器不同變比下的軌面電壓衰減曲線，如圖4所示。

圖4 軌面電壓衰減曲線Fig.4 Attenuation curve of rail surface voltage

不對稱高壓脈沖的極限長度為0.9 km，送電端以300 V電壓為例，圖4反應了在不同的扼流變壓器變比下，以送電端為坐標零點的軌面電壓變化曲線，由圖可知，當扼流變壓器在較小變比下，軌面將擁有較高的脈沖電壓用以擊穿銹層，但衰減較大，并且電源功率消耗較大；在較大變比下，軌面電壓較低，對于軌面生銹嚴重的區段，將無法保證分路不良的有效解決。因此對于免調整的不對稱高壓脈沖軌道電路，一般選擇5.5:1的扼流變壓器變比，只對于很少走車的牽出線、安全線均采用3.5:1的變比。

2 自動調壓裝置的設計思路

根據不對稱高壓脈沖軌道電路的技術要求，二元差動繼電器的可靠吸起條件為頭部電壓不小于27 V,尾部電壓不小于19 V，由于該繼電器的返還系數為0.5，因此要求軌道電路分路時繼電器頭部電壓不大于13.5 V，尾部電壓不大于9.5 V，將分路殘壓劃分為四個電壓等級，來判定軌道電路的分路效果，如表2所示。

表2 軌道電路分路效果劃分標準Tab.2 Classification standard for shunting effect of track circuit

通過分路狀態下的受電端二元差動繼電器輸入頭尾部電壓數據采集，建立基于模糊PID算法的自動調壓控制模型[7-8]，系統如圖5所示，以道床環境條件（環境溫度、濕度），不平衡牽引電流的諧波干擾影響等為影響因子，完成自動調壓型移頻脈沖軌道電路的硬件開發，并對系統的安全性及適用性進行驗證。

圖5 自動調壓型高壓脈沖和軌道電路系統框圖Fig.5 System block diagram of high-voltage pulse track circuit with automatic voltage regulation

系統邏輯處理流程如圖6所示，y0為給定值；yt為實際測量值；e和Δe分別為輸入和輸入偏差變化率；Xe和XΔe分別為輸入和輸入偏差變化率的量化因子。

接收端采集分路電壓信息，特殊分析處理后形成穩定電壓Uf，依據表2的劃分標準確定區段的分路等級，對于Ⅲ、Ⅳ級軌道區段，賦予相應的權值驅動模塊提升脈沖電壓，直到分路電壓進入Ⅱ區域為止，而對于Ⅱ級軌道區段，電壓保持不變；當采集處理過的分路電壓處于Ⅰ級區域時，充分分析外界因素對軌道電路分路造成改變的各種可能性，若是朝著更有利于分路的方向發展，將采用一定權值驅動模塊降低脈沖電壓，分路電壓進入Ⅱ區后維持。若分析朝著更不利于分路的方向發展可能性更大，則保持脈沖電壓不變。

圖6 自動調壓系統邏輯處理流程圖Fig.6 Logic processing flow chart of automatic voltage regulation system

采用PLC程序語言進行軟件開發，將量化因子置入PLC中，利用A/D模塊對輸入電壓進行采集，經過數據量化處理及模糊控制得到模糊的輸出電壓，再經過D/A模塊執行對發送器的控制。PLC編程因芯片型號不同而不同，但是可按照上述原理進行控制。

3 結束語

本文利用麥克斯韋方程組，建立軌道電路的鋼軌傳輸線方程，并且定量分析了不同扼流變壓器變比下對軌面電壓以及傳輸損耗的影響，為自動調壓型不對稱脈沖軌道電路扼流變壓器變比的選擇提供理論依據。并且實現了送電端發碼器脈沖電壓的自動調整，保證在不同的鋼軌環境及列車頻次的前提下實現軌道電路的可靠分路，在高速鐵路大力發展，無人值守站逐漸普及的現狀下具有較大的研究價值，數據上傳信號集中監測，實現軌道電路動態管理，在保證軌道電路可靠運行的前提下降低管理壓力。