有軌電車專用軌道電路（ITCM-100型）工程應用研究

楊崢嶺，楊建華，劉 堯，張 楠，楊 普

（通號萬全信號設備有限公司，杭州 310000）

有軌電車快速發展，對快速、高效有了明顯的需求。現代有軌電車采用專用路權的線路也越來越多，運行控制系統的穩定性和安全等級要求越來越高。正線岔區列車占用檢測在有軌電車運行控制系統中，一直是個關鍵難點。目前國內外已開通的有軌電車運行控制系統中，正線岔區占用檢測大多采用計軸、信標、環線等設備，軌道電路設備使用極少。通號萬全信號設備有限公司自主產品ITCM-100型智能軌道電路填補了國內有軌電車專用軌道電路的空白。該軌道電路設備應用在天水有軌電車示范線（一期）正線，上線到運營使用已一年時間，其性能穩定、故障率低、維護方便，大大減少了運營維保工作量。下面從設備原理、產品橫向對比、工程應用等方面進行分析。

1 設備原理

ITCM-100型軌道電路采用諧振式技術檢測占壓，利用鋼軌作為電感，中間設置可調節電容，對于列車跳車識別、分路不良等因素均不影響列車占壓識別，具有很高的可靠性。該產品已通過最高安全等級SIL4評估認證，符合“故障-安全”的原則。

ITCM-100型智能軌道電路系統由軌旁設備及軌面設備兩部分組成。軌旁設備主要由隔離變壓器、開關電源及智能軌道模塊組成，其核心設備智能軌道模塊采用二取二結構，負責軌面信號的發送與接收并將軌道區段狀態（占壓或空閑）通過安全繼電器上報聯鎖系統；軌面設備主要由短接線、發送盒、接收盒和電容組成。軌旁設備和軌面設備系統連接原理，如圖1所示。

圖1 軌旁設備和軌面設備系統連接原理Fig.1 Connection between trackside equipment and rail surface equipment

軌面設備系統如圖2所示。將軌道電路兩端用120 mm2銅線短路，構成一個封閉回路。中間加裝一個電容，電容的容量是與其并聯的鋼軌電感（有軌電車鋼軌電感為1.3 μH/m）組成一個諧振于20～30 kHz的諧振回路，頻率按公式（1）計算。

圖2 ITCM-100型智能軌道電路系統示意Fig.2 ITCM-100 intelligent track circuit system

公式（1）中，f——諧振頻率；L——鋼軌感抗；C——電容值。

ITCM-100型智能軌道電路諧振式采用較高的頻率20～30 kHz（ZPW-2000發送電壓頻率的10倍），以增大鋼軌感抗，提高傳輸電壓（發送電壓范圍20～65 V）；采用并聯諧振的工作模式，以增加電流，提升傳輸距離；采用頻譜分析的方法，以檢測接收頻率，提高抗干擾性。以下對軌道電路幾種工作場景進行分析。

調整狀態（無車壓入的工作狀態）：發送模塊產生一個與軌道電路諧振頻率相同的正弦波電壓信號通過電纜、匹配盒內的限流電感和匹配變壓器送到發送一側的鋼軌軌面；經鋼軌傳送到接收端的匹配盒；再經接收匹配盒內的變壓器、電纜傳送到接收模塊；接收模塊分析接收到的信號幅度、頻率成分，判斷是否為發送端送來的正常信號。如果通過判斷可以證明沒有列車進入該區段，控制軌道繼電器（GJ）吸起并通過通信系統/繼電器接點向區域控制器發出該區段空閑信息。

分路狀態（有車進入的狀態）：當有車進入該區段（發送盒和接收盒之間）時，鋼軌被輪對短路，發送盒發出的信號大部分經輪對回流。同時由于鋼軌的電感量改變，使得諧振頻率發生變化，回路不再與信號頻率諧振，這樣回路的阻抗也大大提高。接收端得到的信號電壓大大降低。接收端通過判斷（有效信號幅值已低于門限），GJ落下并通過通信系統/繼電器接點向區域控制器發出該區段有車信息。這時發送模塊的負載可能變得很小，（輪對壓在發送匹配盒附近）電流會變大，有限流電感的存在可以將這個電流控制在安全范圍內。

防止列車跳動：列車進入區段后車輪由于列車震動可能會瞬間離開鋼軌，造成列車還在區段內便有列車出清的反應。為此系統在硬件和軟件中采取以下措施解決上述問題：軌道繼電器采用緩吸措施，也就是列車出清后不立即吸起而是延長一段時間，在延長的時間內不再有列車占用信息，則控制繼電器吸起。否則不吸起。同樣送出的空閑信息也延時發出。若有多個軌道電路組成的軌道區段還要經區域控制器經過邏輯判斷決定該區段是否出清。

2 主流產品橫向對比

目前有軌電車空閑檢查的設備主要有3種：計軸式軌道電路、信標讀卡器和感應環線。這些設備在有軌電車系統中的應用都有一些不足。

計軸式軌道電路存在需要記住歷史數據的缺點，如果出現斷電將無法準確判斷列車實際位置。另外運營部門大多不允許鋸護輪軌，設備只能安裝在鋼軌外側。考慮到彎道影響還必須裝雙套，設備的靈敏度和可靠性都有所下降。

信標讀卡器是在地面安裝信標在車上安裝讀卡器，在車通過信標時車載設備讀出列車位置并通過區域通信將信息傳送給地面控制設備。設備比較復雜，如果通信故障對行車控制來講是危險的。所以其可靠性和安全性不夠理想。

感應環線是在線路鋼軌內側加裝感應線圈并連接發送接收設備，車上安裝車載設備與天線。可以完成車地雙向通信，采用全雙工通信模式。車載設備可以得到定位信息和地面信號信息，地面設備可以得到機車類型和車次信息。由于車輛和地面均有設備且相互通信，任意單點設備故障都將無法正確得到區段空閑信息。

有軌電車專用諧振式軌道電路可以較好克服上述設備存在的不足，空閑檢查性能對比如表1所示。

表1 空閑檢查設備性能對比Tab.1 Comparison of the performance of equipment for detecting clear sections

通過對比發現有軌電車專用軌道電路使用不擔心設備停電，設備結構相對簡單，可靠性和安全性都比較好。使用場景也較廣泛，主要用于城市交通路口，檢查道岔區域和進路前方有無列車，作為道岔轉換開放信號的必要條件。

對于一組道岔來說要有預告區段、接近區段、岔心區段、定位區段、反位區段和定位離去區段、反位離去區段。對于一個道岔控制區有多組道岔，根據相互關系可以從邏輯上合并檢查。

軌道電路也可用于區間列車的運行間隔控制，成本比衛星定位系統高一些，但可靠性也高很多。

3 工程應用

在工程設計時，一個聯鎖邏輯區段（A-B區段）由2個軌道電路（A軌道電路、B軌道電路）組成，如圖3所示。聯鎖邏輯運算時，當有一個軌道電路占用（A或B）時，該邏輯區段（A-B區段）就顯示占用狀態，若另外一個軌道電路未占用，則聯鎖邏輯區段不能出清。只有按照進路方向順序占壓并出清軌道電路，該聯鎖區段才會顯示出清，進路才會解鎖，保證行車安全性。

圖3 邏輯區段與軌道區段設置舉例Fig.3 Example of logic section and track section

在工程安裝方面，軌面設備主要通過連接線方式連接鋼軌。導線與鋼軌有兩種連接方式：塞釘式和焊接式。

1）塞釘式：將導線預先焊接在塞釘的預留孔內。在現場鋼軌上打孔，然后將塞釘鉚接在孔上。優點：現場安裝設備較簡單；缺點：對鋼軌的機械強度有一定影響，同時在前期試驗中發現接觸電阻比較大且施工難度也較大。

2）焊接式：將導線預先焊接在安裝板的預留孔內。在現場用電焊機將安裝板焊接在鋼軌上。缺點：需要現場焊接；優點：對鋼軌的機械強度基本沒有影響，接觸電阻小。

在軌道區段內不能有其他專業的設備，特別是不能有牽引電流的均流線（或叫回流線）。

不同長度的軌道區段設備安裝位置不同，電容安裝在中間位置，兩端為發送盒和接收盒。以發送盒的安裝位置為例，如表2所示。

表2 不同長度的軌道區段設備安裝位置Tab.2 Installation positions of equipment in track sections of diあerent lengths

不同長度的軌道區段電容的選配,匹配的諧振頻率在20～30 kHz之間選擇。為了防止電流越區傳輸造成非安全影響，相鄰區段的中心頻率（諧振頻率）采用高低間隔配置。22.5 kHz附近為低頻、27.5 kHz附近為高頻。同樣長度的軌道區段設置為高低頻時電容會有一定變化。不同長度的軌道區段電容選配如表3所示。

軌道電路機籠固定在區域控制箱內，盡量靠近區域控制器機籠。依次插裝電源板和各個軌道電路板。按照配線圖接入電纜線、通信線和繼電器接點線。發送輸出電壓分4檔：33 V、44 V、55 V、66 V, 現場根據區段長度靈活調整。傳輸電纜采用L-2Y2YCY兩芯屏蔽專用電纜，接頭要做防水處理，單根電纜長度一般不超過200 m。

表3 電容選配Tab.3 Capacitance selection

當調整軌道電路時，只需要在軌道電路板卡上進行操作（如圖4所示），分為自動和手動兩種模式。自動模式只需要調整智能軌道模塊就可以實現自動搜索頻率和記錄電壓，系統根據現場道床環境和軌道電路電氣特性自動選擇最佳的頻率和電壓。智能軌道模塊包括發送端顯示屏（下）、接收端顯示屏（上）及8個按鈕。發送顯示屏顯示發送電壓、發送電流、發送頻率；接收顯示器顯示接收頻率、接收電壓、接收門限、軌道繼電器狀態；發送顯示器、接收顯示器下面各有4個按鈕：上升、下降、確認、手動/自動。當需要小范圍調整時，可使用手動模式對頻率和電壓進行設置。顯示屏直觀顯示實時電壓，為后期故障處理和維護維修提高了效率。

圖4 軌道電路板卡Fig.4 Track circuit board

實際工程應用中，現場使用環境復雜，比如：道床全覆蓋水泥砼罩層導致道床電阻不穩定，超級電容列車瞬間充電1 500 A大電流沖擊等，面對這些不利因素，ITCM-100型智能軌道電路實際使用狀態良好，系統運行穩定。

4 結論

通過本次工程應用，驗證了ITCM-100型智能軌道電路系統完全滿足有軌電車復雜線路的使用。其具有結構簡單、可靠性強、安全性好、安裝維護方便、性價比高、使用靈活等特點，后期可廣泛運用于有軌電車工程項目。