電化區(qū)段高壓脈沖軌道電路干擾機車信號分析

劉 曦

（中國鐵路上海局集團有限公司合肥電務(wù)段，合肥 230011）

1 概述

目前，國內(nèi)軌道電路普遍采取通過列車碾壓鋼軌產(chǎn)生分路效應(yīng)，達到檢測判定列車占用狀況的方式，而采取此種分路方式存在易受到軌面銹蝕影響，降低軌道電路分路靈敏度的缺陷，高壓脈沖軌道電路是針對這種缺陷研發(fā)的新型軌道電路制式，通過輸出高壓脈沖，產(chǎn)生高壓脈沖信號源，提高軌面瞬間擊穿電壓，解決由于軌面嚴重生銹帶來的分路不良問題，從而改善軌道電路分路靈敏度。高壓脈沖軌道電路多用于行車較少、軌面生銹較嚴重的側(cè)線區(qū)段、牽出線等，用于正線及列車進路軌道區(qū)段的較少。

2020 年7 月3 日22:31，某次列車在京九線某樞紐站場10 道開車后，因機車信號跳紅燈緊急制動停車（頭部壓岔），22:56 退回10 道。通過本起故障處置，分析研究電氣化區(qū)段高壓脈沖軌道電路在部分特定場景下對機車信號產(chǎn)生干擾的情況，并對此提出解決建議。

2 技術(shù)原理

目前，高壓脈沖軌道電路的生產(chǎn)廠家較多，發(fā)生故障的京九線某樞紐站場在既有場和擴建新增場分別采用兩個廠家生產(chǎn)的兩種型號的設(shè)備，但基本原理一致，均由送電端的高壓脈沖發(fā)碼器、受電端的譯碼接收器和二元差動繼電器組成。高壓脈沖發(fā)碼器通過芯片控制向軌面發(fā)送頭部和尾部不對稱的高壓脈沖信號，可根據(jù)軌面銹蝕程度和軌道區(qū)段長度調(diào)整電壓，從而擊穿軌面銹蝕層，對列車占用情況進行檢查；高壓脈沖譯碼器用于接收軌道上傳來的高壓脈沖信號，通過變換，分別把高壓脈沖中的正脈沖和負脈沖輸出給二元差動繼電器，用以識別軌道區(qū)段占用情況。

3 干擾情況分析

3.1 現(xiàn)場實際干擾情況的測試及分析

首先通過機車信號的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，了解掌握干擾源的情況。

對LKJ 數(shù)據(jù)文件分析發(fā)現(xiàn)，列車出站后，22:30:26 在進入高壓脈沖軌道電路區(qū)段745-747DG和通過該區(qū)段附近，機車信號就收到滿足譯碼幅值要求的異常信號，該信號幅度基本穩(wěn)定在124 ～129 mV，但載頻卻在360.1 ～731.9 Hz 間變化，如圖1 所示。

圖1 相對穩(wěn)定的機車信號信息Fig.1 Relatively stable locomotive signal information

22:30:39，地面信號載頻變成49.9 Hz，幅值為109.6 mV，隨后，機車信號譯碼顯示為紅黃燈。22:30:46 后，該信號衰減較大，降到46.2 mV，滿足不了機車信號譯碼幅值條件，機車信號認為無碼，從紅黃燈變?yōu)闊o碼，從而顯示紅燈，觸發(fā)列車緊急制動，如圖2 所示。

圖2 異常變化的機車信號信息Fig.2 Abnormal locomotive signal information

如圖3 所示，現(xiàn)場對該高壓脈沖軌道區(qū)段745-747DG 實測發(fā)現(xiàn)，在745-747DG 的相鄰線路有車通過的情況下，本區(qū)段內(nèi)能測到幅值在180 mA上下，550、650、750、850 Hz 等頻率，類似四信息移頻信號的諧波干擾，其中，850 Hz 的諧波干擾達150 mA，750 Hz 的諧波干擾達110 mA，650 Hz、550 Hz 的諧波干擾達130 mA，同時存在不斷變化的低頻信息，而相鄰區(qū)段諧波干擾僅有20 mA 左右。要點關(guān)閉該區(qū)段電源，測試干擾電流明顯減小，降至10 mA 左右。由此可見，高壓脈沖區(qū)段存在的諧波成分是可能造成機車信號錯誤顯示的關(guān)鍵。

為進一步確認問題，最大限度還原故障發(fā)生場景，在高壓脈沖軌道區(qū)段745-747DG 發(fā)送端設(shè)置儀表測試，觀察經(jīng)由該區(qū)段內(nèi)745#道岔反位時通過列車的干擾情況，發(fā)現(xiàn)機車到達745#道岔前諧波干擾信息較弱，通過745#反位時會有較短時間的干擾電流，在100 mA 以上。

結(jié)合現(xiàn)場情況和軌道電路回流分析，發(fā)現(xiàn)高壓脈沖軌道區(qū)段附近較為特殊，存在干擾的高壓脈沖軌道區(qū)段745-747DG 位于交叉渡線的一側(cè)，兩個相鄰的高壓脈沖軌道區(qū)段與另一側(cè)相鄰軌道電路之間的扼流變壓器中心連接板之間有橫向連接線。在此情況下，當列車占用至743/745#渡線時，受堵流絕緣影響，兩根鋼軌上的牽引回流流向發(fā)生變化，列車運行方向左側(cè)鋼軌的牽引回路經(jīng)由745-747DG送電端方向去往列車后方，列車運行方向右側(cè)鋼軌的牽引回流經(jīng)由743DG 和橫向連接線去往列車后方如圖3 所示，兩根鋼軌的回流不平衡，與高壓脈沖區(qū)段發(fā)生的高壓脈沖疊加影響，745-747DG 軌道區(qū)段內(nèi)諧波成分中與機車信號載頻相同的幅值較大，被機車信號譯碼裝置錯誤譯出信息，從而影響機車信號。

圖3 不平衡牽引電流示意Fig.3 Schematic diagram of unbalanced traction currents

3.2 具體干擾情況的分析

電力牽引區(qū)段的兩根鋼軌，在其他區(qū)段鋼軌承載軌道電路相關(guān)信息的基礎(chǔ)上，同時作為牽引電流回流的主要通道，軌道電路自身的電流成分加上移頻信息和牽引電流25 Hz 疊加在同一鋼軌線路上傳輸，在特定情況下牽引電流因特定因素導致的信息必定影響軌道電路相關(guān)信息的準確性。

雙軌軌道電路在站內(nèi)軌道區(qū)段的分割點會設(shè)置軌端絕緣，為保證電氣化區(qū)段牽引回流的暢通，現(xiàn)在采取的方法是在軌道電路絕緣處的兩端分別設(shè)置一個扼流變壓器，通過軌端絕緣兩邊的扼流變壓器中心連接板連通牽引回流，兩邊鋼軌傳輸?shù)臓恳娏鞣謩e經(jīng)過扼流變壓器上、下線圈。理論上，兩根鋼軌上的牽引電流應(yīng)該相等，對應(yīng)扼流變壓器上、下線圈相同匝數(shù)情況下，兩根鋼軌牽引電流分別經(jīng)過扼流變壓器兩個線圈時，磁通量相同而方向相反，進而相互抵消，從而在扼流變壓器中產(chǎn)生的總磁通量為0，信號線圈上的感應(yīng)電勢也為0，牽引回流就不會產(chǎn)生對軌道電路的影響。而一旦兩根鋼軌上的牽引回流不同，這種平衡就會被打破，進而影響軌道電路的相關(guān)特性。影響情況包括：1） 短時瞬態(tài)的不平衡電流有較強的諧波分量，侵擾造成軌道電路相位發(fā)生位移，引起軌道電路工作失常，觸發(fā)軌道繼電器誤動作，出現(xiàn)瞬間“閃紅”的情況。2） 較強的不平衡電流甚至電流脈沖，對軌道電路相關(guān)設(shè)備造成沖擊，輕者造成斷路器跳起，重者燒損軌道電路相關(guān)設(shè)備，擊穿軌端絕緣。

不平衡牽引電流對軌道電路產(chǎn)生的影響主要與牽引電流的大小、不平衡系數(shù)和軌道電路設(shè)備對牽引電流的輸入阻抗成正比關(guān)系。不平衡系數(shù)不是一個常數(shù)，是可變的，主要取決于兩根鋼軌不平衡牽引電流的大小。而引起牽引電流不平衡的因素主要有：1） 因彎道、絕緣節(jié)設(shè)置位置不對稱等因素造成的軌道電路兩側(cè)鋼軌長度不一致，引起兩側(cè)鋼軌對牽引回流傳輸?shù)淖杩共灰恢拢?） 扼流變壓器上下部兩個線圈的阻抗因工藝或其他因素影響存在差異，使流經(jīng)兩線圈的電流出現(xiàn)差異；3）軌道電路中的各類引接線存在接觸不良或截面積存在差異，造成兩側(cè)鋼軌牽引回流不平衡；4）供電設(shè)備放電不良造成漏電、工務(wù)線路因素造成兩側(cè)鋼軌漏泄并存在差異、其他因素導致的一側(cè)鋼軌導電率不同等引起的牽引電流不平衡。

本案例中導致牽引電流出現(xiàn)不平衡的原因主要是1）引起，因一側(cè)鋼軌的通路受堵流絕緣影響，造成兩側(cè)鋼軌的牽引電流流向發(fā)生差異，兩側(cè)的牽引電流至745-747DG 受電端扼流變壓器所途經(jīng)的鋼軌長度、鋼軌與橫向連接線的截面積不一致，造成呈現(xiàn)的總體阻抗不一致，從而引起牽引電流不平衡。

該站場使用的高壓脈沖軌道電路，為保證軌道電路分路效應(yīng)正常，采用發(fā)送高壓脈沖的方法保證在軌道電路任何一點能夠擊穿鋼軌表面的銹層、油污或其他絕緣物質(zhì)，從而溝通軌道電路回路，有效檢查車列實際占用情況。高壓脈沖的特征：1） 脈沖峰值電壓在鋼軌上可達100 V；2） 脈沖的寬度使軌道電路接收端有滿意的峰值電壓；3）短軌道電路分流時短路電流大于100 A，長軌道電路分流時為20 A 左右。高壓脈沖軌道電路通過送端高壓脈沖發(fā)生器變換生成不對稱高壓脈沖信號，經(jīng)變壓器降壓后發(fā)送至鋼軌，經(jīng)鋼軌傳輸?shù)绞芏耍俳?jīng)變壓器升壓后送至譯碼器，譯碼器將不對稱信號轉(zhuǎn)換為兩個直流信號供差動繼電器工作。其脈沖特征如圖4 所示。

圖4 高壓脈沖波形Fig.4 High-voltage pulse waveform

高壓脈沖軌道電路發(fā)送的脈沖信號，電壓較高，但電流值不高。雖然是非正弦波形，有一定諧波分量，但其諧波分量中高次諧波分量的有效值較低，相比高壓脈沖軌道區(qū)段承載的移頻信號的強度較弱，不構(gòu)成干擾。

在軌道電路中存在不平衡牽引電流的情況下，非正弦波的高壓脈沖會影響50 Hz 的牽引電流，使其產(chǎn)生波形的畸變，從而在50 Hz 工頻電流的基礎(chǔ)上衍生出大量奇次諧波成分，而牽引電流較大，發(fā)生波形畸變后，諧波分量的峰值也相應(yīng)較大。

50 Hz 工頻諧波分量中與四信息機車信號載頻頻率較接近的11 次、13 次、15 次、17 次諧波，分別對應(yīng)機車信號載頻的550、650、750、850 Hz，按照傅里葉變換可以得出相對低的諧波分量一般幅值較高。因此前述高壓脈沖信號中的奇次諧波與50 Hz 工頻牽引電流受畸變影響衍生出的奇次諧波疊加后的幅值，在達到一定數(shù)值后，就會被機車信號設(shè)備感應(yīng)到，并進行解碼。

按照目前裝配的機車信號設(shè)備機車信號靈敏度的要求，電氣化區(qū)段鋼軌短路電流550 Hz 滿足113±17 mA、650 Hz 滿 足90±15 mA、750 Hz滿 足69±10 mA 以 及850 Hz 滿 足50±8 mA 時即可被機車信號設(shè)備接收到。

另外，機車信號設(shè)備接收信息從其他制式轉(zhuǎn)為移頻或者 ZPW-2000 系列時，信號顯示的應(yīng)變時間不大于2 s。本案例中，機車在進入745-747DG 軌道區(qū)段渡線側(cè)時，因剛啟動不久且側(cè)向出站，速度在16 km/h 左右，堵流絕緣距渡線絕緣的距離為4 m，在該范圍內(nèi)走行需1 s 左右，在出現(xiàn)滿足機車信號解碼幅值的載頻信號時，機車信號設(shè)備是能夠接收到并給予解碼的。

綜合上述分析可以看出，造成該案例中機車信號跳變紅燈的原因為：在機車進入745-747DG 軌道區(qū)段時，由于高壓脈沖疊加影響的不平衡牽引電流高次諧波分量達到機車信號能夠感應(yīng)到的移頻信號允許值，觸發(fā)機車信號解碼認為有地面移頻信號。而對于機車信號設(shè)備，從無碼到有信息就解譯成紅燈，從而觸發(fā)機車信號緊急制動。

4 整改情況

對此特殊場景，解決的措施有兩項：一是消除該區(qū)段存在的不平衡牽引電流，從根本上解決不平衡牽引電流受高壓脈沖疊加引起的諧波干擾機車信號問題；二是綜合比較745-747DG 軌道區(qū)段分路不良管理的安全風險與軌道區(qū)段產(chǎn)生機車信號干擾的安全風險，考慮對該區(qū)段換型為25 Hz 相敏軌道電路。

通過對該站場牽引回流情況分析，在不影響回流的情況下，對745-747DG 和743DG 之間的橫向連接線進行拆除，移設(shè)至靠站外側(cè)一處區(qū)段，能夠保證牽引回流暢通的位置。再次在列車通過745#道岔側(cè)向時測試745-747DG 送電端處干擾情況，發(fā)現(xiàn)類似四信息移頻信號的諧波干擾電流已降至

5 mA 左右，對機車信號顯示已不構(gòu)成影響。

為進一步消除高壓脈沖軌道區(qū)段中高壓脈沖信號可能對牽引回流疊加影響存在的機車信號錯誤動作或顯示的安全風險，已聯(lián)系設(shè)計單位對745-747DG 區(qū)段進行改型，該項工作于2020 年12 月完成。

通過上述分析，針對電氣化區(qū)段有列車進路的軌道區(qū)段，在軌道電路的選型上要慎重，防止出現(xiàn)此類高壓脈沖疊加影響的干擾信號造成對機車信號顯示錯誤的情況發(fā)生。