基于四端網模型的軌道電路系統預警閾值研究

張菊

（南京鐵道職業技術學院，江蘇南京，210031）

1 預警指標體系的確立

建立軌道電路安全預警系統的首要任務是選擇能在不同方面反映軌道電路系統性能和狀態的指標體系。通過綜合考慮軌道電路系統特點、隱患分析結論及現場實際應用情況，選取軌出電壓、送端防雷模擬網絡盤電纜側電壓、軌旁濕度和溫度作為軌道電路系統預警的指標。

■1.1 軌出電壓

紅光帶和分路不良是軌道電路最頻發的隱患，綜合考慮軌道電路系統結構特點和系統隱患的發生除了由于軌道繼電器故障和通信錯誤外，最直接反應為軌出電壓（分路殘壓）異常，因此軌道電路系統的軌出電壓是一個十分重要的預警指標。軌出電壓的預警值域如圖1所示，整個電壓范圍被劃分為6個區域。

圖1 軌出電壓預警值域界定

a1表示能使軌道電路區段主軌道繼電器穩定落下的軌出電壓值；b1表示能使主軌道繼電器落下的臨界軌出電壓值；c1表示能使主軌道繼電器吸起的臨界軌出電壓值；d1表示能使主軌道繼電器穩定吸起的軌出電壓值；e1表示調整狀態下的上限臨界值，是指當調整狀態下的軌出電壓超過此閾值后，軌道區段再由調整狀態轉為分路狀態時，標準分路電阻將無法再成功分路，軌道繼電器不能可靠落下，從而造成分路不良故障，因此該區域屬于危險區，應直接給出報警信息。

報警區2（軌出電壓值處于b1-c1之間）有兩種情況，一是當軌道區段有車占用時，由于軌出電壓（分路殘壓）過大而造成了分路不良；二是軌道區段空閑，但是由于軌道電路性能惡化而導致軌道電路反映為占用狀態，即紅光帶。然而，當軌出電壓在調整狀態正常區和分路狀態正常區內時，主軌道繼電器能正確表示軌道區段狀態，但若電壓在正常范圍內發生了異常的波動，表明軌道電路系統已有發生故障的趨勢，或已經發生了故障，所以將軌出電壓的調整狀態正常區和分路狀態正常區定義為預警區。

■1.2 送端防雷模擬網絡盤電纜側電壓

為了更精確、全面地評估軌道電路系統的當前狀態，預警出由于多參數變化而致使軌出電壓無法準確反映系統狀態的情況，還需要選擇其他指標。不同測量點的軌道電路信號能反映不同子系統的狀態，按導致隱患發生原因事件的產生部位，同時考慮數據采集的便利性，選擇微機監測系統能監測的送端防雷模擬網絡盤電纜側電壓反映發送端設備的工作性能及狀態。

發送端設備異常，導致發送端電纜側電壓下降，當對應軌出電壓值下降至b1時，相應的電纜側電壓記為下限臨界值a2，將發生紅光帶；b2和c2記為送端電纜側電壓隨發送功出電壓的正常變化范圍；d2記為電壓上限臨界值，對應軌出電壓值為e1時的電纜側電壓值，將發生分路不良。

■1.3 軌旁濕度、溫度

傳輸通道部分除了設備故障外，傳輸通道性能的好壞還與自然環境有著長期、潛在的關聯，傳輸通道的特性調整狀態時主要反映為道砟電阻和鋼軌阻抗，分路狀態時還與輪軌接觸情況（分路電阻）有關。現場資料顯示，鋼軌生銹嚴重或污染造成絕緣隔離層占分路不良成因的92.7%，全路嚴重“紅光帶”區段的統計，道砟電阻低因素占95%以上。道砟電阻的大小不僅由道床的類型、道砟的厚度和清潔程度、軌枕的材質和數量、道口的數量等決定，還取決于自然氣候的濕度和溫度等因素，通常雨季、夏季濕熱時道砟電阻很低，夏季雨后8-10分鐘達到最低值，而冬季晴天時道砟電阻很高，冰凍時達到最高；分路電阻由輪軸電阻和輪緣與鋼軌軌面的接觸電阻構成，輪軸電阻比輪緣與鋼軌接觸電阻小得多，可忽略不計，所以列車分路電阻實際上是輪緣與鋼軌的接觸電阻，列車分路電阻的大小與進入軌道區段的車軸數、車重、列車速度、輪緣裝配質量和磨耗程度、軌面的潔凈程度（是否生銹、有無撒砂、油污及其他化學絕緣層等）因素有關。然而對于一段軌道電路而言，鋼軌阻抗和軌面情況在一段時間內一般較穩定，因而傳輸通道部分主要考慮道砟電阻的影響，選取影響道砟電阻的濕度、溫度作為反映傳輸通道性能的預警指標。

2 基于四端網模型的預警閾值計算模型

通常將軌道電路等效為均勻分布參數的傳輸線，其傳輸特性可利用傳輸線理論，由相應的四端網來描述。通過對軌道電路系統各組成部分的四端網進行數學建模，得出相應的輸入/輸出關系，獲得軌道電路系統的信號傳輸特性。根據所示的軌道電路系統結構圖，建立的軌道電路系統四端網模型結構如圖2所示，分別為：接收器、衰耗器、接收電纜Ncb、接收端匹配單元NRmat、接收端調諧區NRba、鋼軌線路、發送端調諧區NFba、發送端匹配單元NFmat、發送電纜Ncb和發送器。

圖2 無絕緣軌道電路系統四端網模型結構

衰耗器的輸入變壓器初級線圈數匝數NV1V2=116匝，單匝的電感量為L0，則衰耗器輸入變壓器V1V2間的輸入阻抗為：

其中f為軌道電路信號載頻頻率。

接收電纜與發送電纜均可等效為均勻分布參數的傳輸線，已知電纜長度為dl，電纜傳播常數為 ，電纜的特性阻抗為cdz，則接收電纜、發送電纜四端網cbN表示為：

接收端和發送端匹配單元單元是由匹配變壓器、電感線圈L及隔直電容C組成，匹配變壓器變壓比為1: 1:9n=，由于匹配單元四端網絡，其信號是屬于反向傳輸，而且是非對稱四端網絡，接收端匹配單元四端網NRmat表示為：

發送端匹配單元的輸入輸出與接收端匹配單元相反，因此發送端匹配單元四端網 FmatN表示為：

調諧區由調諧單元、鋼軌線路及空芯線圈組成，其結構如圖3所示。

圖3 調諧區原理及模型結構圖

除了兩端的調諧單元外，lVJ=29m長的鋼軌線路及空心線圈部分的等效四端網Ngsva可表示為：

其中Ng是lVJ2=14.5m鋼軌線路的等效四端網，可等效為均勻分布參數的傳輸線。鋼軌單位長度的電阻為RV，電感為LV， 電容為CV，則鋼軌阻抗和漏泄導納為：

特性阻抗及傳播系數為：

接收端和發送端調諧區等效模型如圖4所示，其中 0pZ為調諧單元BA的極阻抗，0ZZ為零阻抗，SVAZ為空芯線圈SVA阻抗，caZ為鋼包銅引接線阻抗。

圖4 接收端和發送端調諧區等效模型

則調諧區各單元總阻抗：

接收端調諧區的等效四端網RbaN表示為：

發送區調諧區的等效四端網FbaN表示為：

對于鋼軌線路部分的建模分為調整狀態下和分路狀態下分別進行：

（1）調整狀態下的鋼軌線路等效四端網模型

將鋼軌線路劃分為n個以補償間距ncl為單位的基本單元進行分析，則該基本單元由三個四端網絡構成。其中與鋼軌并聯的補償電容阻抗為一個四端網絡 cN，在電容兩側半個補償間距的軌道電路各為一個四端網絡 cgN，且可等效為均勻分布參數的傳輸線。

則此三個四端網絡級聯后的等效四端網絡 TN為：

鋼軌線路全長共n個基本補償單元，則有補償電容的整個鋼軌線路的四端網 nTN為：

（2）分路狀態下的鋼軌線路等效四端網模型

列車輪對的分路可近似等效為一個分路電阻Rf并接在兩根鋼軌之間，分路狀態的鋼軌線路等效四端網模型如圖 5所示。

圖5 分路狀態下的鋼軌線路等效四端網模型

設分路點距離發送端調諧區的距離為x，分路點位于第i個補償單元iT內，分路電阻Rf的四端網fRN表示為：

根據分路點相對于補償電容C的不同位置，iT主要分為如下三種情況：分路電阻分別位于補償電容右側、補償電容處和左側，如圖6所示。

圖6 分路電阻分別位于補償電容右側、補償電容處和左側示意圖

對于以上三種情況，由分路點到發送端軌面的等效四端網RFN分別表示為：

由接收端軌面到分路點的等效四端網RRN分別表示為：

則鋼軌線路的等效四端網 nTN可表示為：

3 預警閾值的確定

針對現場實際應用的某段軌道電路具體情況，根據軌道區段實際參數設置軌道電路模型參數，計算各預警指標預警閾值。

■3.1 軌出電壓

根據ZPW-2000軌道電路系統原理、技術指標及測試過程，軌道電路產品滿足：調整狀態下主軌出電壓不小于240mV，分路狀態下主軌出電壓（分路殘壓）不大于140mV（標準分路電阻Rf=0.15Ω）；根據測試試驗，當主軌出電壓從0逐步增大至210mV時，軌道繼電器吸起，使軌出電壓從300mV逐步減小至低于170mV時，軌道繼電器落下。

所以軌出電壓各閾值設定如下：

e1的值利用軌道電路模型計算得到：選用分路狀態下的軌道電路模型，取標準分路電阻Rf=0.15Ω在最不利分路點（一般為送端或受端）分路時，分路殘壓為170mV時的臨界情況，再結合調整狀態下的軌道電路模型計算對應的調整狀態軌出電壓值，結果為e1=925.4mV。

■3.2 送端防雷模擬網絡盤電纜側電壓

該段軌道電路的發送電平為3級，3級電平的變化范圍為130V~142V，根據軌道電路模型計算得到對應的送端電纜側電壓值b2=74.8V,c2=81.8V；下限值a2和上限值d2分別對應于軌出電壓降低至 b1=170mV和上升至e1=925.4mV時的發送端防雷模擬網絡盤電纜側電壓值，依據模型計算得到a2=21.5V,d2=114.9V。

■3.3 軌旁濕度、溫度

環境因素的影響是一個積累過程，根據《ZPW-2000軌道電路技術條件》對工作環境的要求，選取濕度上限值為95%，溫度上限為70℃；濕度的臨界值選為50%和72%，溫度的臨界值選為18℃。

4 結論

本文針對軌道電路系統的關鍵隱患“分路不良”和“紅光帶”，開展軌道電路系統安全預警研究工作，針對關鍵隱患發生的主要原因及系統自身特點，合理地分析、選擇了系統安全預警的指標體系。基于ZPW-2000A/K型軌道電路的四端網模型，構建了預警閾值的計算模型，最后根據現場實際應用中的一段軌道電路的靜態參數信息調整軌道電路模型，并計算了具體的預警閾值，預警指標計算模型的建立保證了預警系統的普適性，對于構建合理、正確的軌道電路安全預警系統提供了十分重要的保障。