大秦重載鐵路計軸與軌道電路共纜傳輸方案研究

李鵬斐，李雋鵬

大秦鐵路隨著運行時間的推移，線路開始老化，污染日益嚴重，經常會出現道床漏泄電阻過低導致的“紅光帶”故障［1］。現場工區雖然對電壓降低區段進行了針對性調整，但仍有個別區段發送器、接收器電壓已調至極限，而軌道電路漏泄電流超標導致的“紅光帶”依然出現［2］。為此，太原局集團公司發揮主體作用，聯合協作單位，從優化計軸疊加軌道電路角度出發，提出計軸與軌道電路共纜共芯的傳輸方案。2022年6月—2023年10月期間在大秦線袁樹林站，采用計軸共纜疊加軌道電路的設備始終穩定運行，解決“紅光帶”問題效果明顯。

1 背景介紹

2006年，原鐵道部發布446號文《計軸加軌道電路解決自動閉塞“紅光帶”方案的指導意見》，提出利用計軸設備解決軌道電路漏泄“紅光帶”問題，明確了計軸加軌道電路的應用技術要求和運用維護要求，并對計軸加軌道電路進行舉例設計，提出計軸施工工藝要求等。同年8月4日，在大秦線撫寧北—后營站間自動閉塞區段進行了功能驗證試驗，試驗結果、系統性能均達到了預期要求［3］。但由于該方案需施工鋪設計軸電纜，并不適用日均開行重車77.9列的大秦線路，因此該方案并未在大秦線推廣應用［4-6］。

作為重載線路，大秦線長年進行煤炭運輸，漏泄“紅光帶”問題非常嚴重。目前的解決方法是先調高軌道電路電壓，確保區段空閑時接收器主軌道接收信號值大于240 mV，同時由電務人員進行實時盯控，當問題區段道床環境滿足要求時，再及時將接收器電平調整至初始狀態，防止出現軌道電路分路不良。該方法不但需要耗費大量的人力，還存在一定的安全風險［7-8］。為此，2021年太原局集團公司提出在446號文指導意見的基礎上，從避免鋪設電纜的角度，實施計軸與軌道電路的共纜共芯傳輸方案，以解決大秦線路軌道電路漏泄“紅光帶”問題。

2 方案設計

計軸與軌道電路共纜結構示意見圖1。在不改變既有軌道電路，只斷開軌道電路室內外電纜傳輸通道的情況下，將計軸室內外設備串接至軌道電路數字電纜兩端，達到計軸與軌道電路共纜傳輸的目的。即利用既有軌道電路傳輸通道，實現計軸的室內外設備通信。

2.1 計軸設備結構

計軸設備分為感知層、計算層和判決層［9］。

1）感知層由室外傳感器及信號處理模塊組成，以檢測點為單位，布置在閉塞分區的出入端，能夠感知探測區段內是否有車輪，并且能夠識別車輪駛入方向，輸出表征狀態和方向的時序信號。

2）計算層包括計軸信息調制模塊和計軸通信模塊，同樣以檢測點為單位，接收感知層輸出的時序信號，判斷識別出車輪數，并將軸數信息轉換為數字信號輸出；同時也接收判決層輸入的軸數清零命令，判斷該命令有效后，將記錄的軸數清零。

3）判決層主要是計軸主機，以區段為單位，根據區段配置讀取本區段所有檢測點的狀態，綜合判斷駛入本區段的車輪數和駛離本區段的車輪數。當駛入與駛離本區段的車輪總數相同時，判決層認為區段無車占用，給出空閑輸出；當駛入不等于駛離車輪總數時，判決層認為區段有車，給出占用輸出。

在軌道電路小軌道調諧區中間左右側軌道分別放置計軸傳感器，由雙系計軸主機同時接收區段兩側軸數信息，并進行區段狀態判斷，并行輸出驅動信號，共同控制計軸GJ。

2.2 室內外隔離設計

隔離裝置設計示意見圖2，可實現計軸信號、電源信號及軌道電路信號的疊加與隔離。在軌道電路信號輸入端串接電感L1與L2，防止高頻計軸信號進入軌道電路系統，同時不影響低頻的軌道電路信號正常傳輸［10］。通過隔直電容實現直流電源信號與其他交流信號的隔離。為提高隔離裝置可用性，防止由于電容失效導致直流信號進入軌道電路系統損壞相關設備，將C1與C2并聯后串接至軌道電路信號傳輸線路中，這樣當其中一個電容失效后，另外一個電容仍能保證隔離裝置正常工作。

圖2 隔離裝置設計示意

L3、C3、L4、C4構成的并聯諧振電路既可阻擋軌道電路信號進入計軸，還可為計軸信號耦合到疊加信號輸出端提供傳輸通道。

2.3 斷軌檢查設計

當軌道電路發生漏泄“紅光帶”時，由計軸實現區段狀態檢查。在保留計軸設備通用功能的基礎上，增加斷軌檢查功能［11-13］。以圖3疊加系統為例，計軸設備斷軌檢查步驟如下。

圖3 疊加系統示意

Step 1通過位于計軸室外柜中的8位撥碼開關，配置本區段頻率、電氣/機械絕緣節、計軸點入/出信息等。例如11010010代表本區段頻率為1 700 Hz，電氣絕緣節、計軸傳感器計入點與列車運行方向一致。

Step 2計軸室外設備將采集到的軌道電路移頻信號及撥碼開關配置狀態轉發至室內解調設備，由解調設備對撥碼開關配置進行解析，識別有用的軌道電路信息，并將相關信息及撥碼開關配置情況轉發至計軸主機。計軸解調設備1負責解析室外柜1撥碼開關配置，將軌道電路設備PT2中2 300 Hz、1 700 Hz信號電流信息轉發至計軸主機1；計軸解調設備2負責解析室外柜2的撥碼開關配置，將軌道電路設備PT3和PT4設備中1 700 Hz電流信息轉發至計軸主機1，并將PT4中2 300 Hz電流信息轉發至計軸主機2。

Step 3計軸主機根據配置信息判斷接收的軌道電路信號，從而確定列車運行方向。計軸主機1對PT3和PT2中1 700 Hz電流進行比較，若PT3中1 700 Hz電流大，則確定列車運行方向為由計軸傳感器1至計軸傳感器2；否則，列車為反向運行。

Step 4計軸主機判斷主軌道及小軌道是否斷軌。計軸主機1將PT2中1 700 Hz電流與預設的閾值進行比較，若小于閾值，則判定主軌道斷軌并進行報警；若大于閾值，則說明鋼軌狀態良好。計軸主機1將PT4設備中1 700 Hz電流與預設的閾值進行比較，若小于閾值，則判定小軌道斷軌并進行報警；若大于閾值，則說明鋼軌狀態良好。

Step 5依次循環上述步驟。

3 工程改造

計軸共纜疊加軌道電路方案實施時，計軸按照既有工程實施相關要求執行；運轉室控制臺按照計軸加軌道電路自動閉塞結合電路設計。共纜疊加涉及的工程改造分為室內和室外。室內改造主要有軌道電路接口柜、移頻柜；室外改造有軌道電路調諧匹配單元。

3.1 接口柜改造

接口柜改造的目的是將既有軌道電路信號引入計軸設備內部，與計軸信號實現共纜疊加后，通過既有軌道電路傳輸通道輸出。改造步驟如下。

Step 1確定目標區段模擬網絡電纜側發送信號、接收信號的線纜位置，將線纜從端子上拔出，移到本架組匣側面空端子處。

Step 2將該目標區段模擬網絡電纜側發送信號、接收信號引入計軸設備內部。

Step 3將計軸設備輸出的共纜信號引入本架組匣側面空端子處，與目標區段模擬網絡電纜側發送信號、接收信號線纜連接，實現疊加信號輸出。

3.2 移頻柜改造

移頻柜改造的目的是實現計軸GJ與軌道電路GJ并行輸出，驅動總GJ。當軌道電路發生漏泄“紅光帶”問題時，由計軸實現區段的占用空閑檢查［14］。

以圖4疊加系統GJ結合電路為例，假如C區段為漏泄區段，CGGGJ為C區段軌道電路繼電器，CGJGJ為C區段計軸繼電器，CGZGJ為C區段總軌道電路繼電器，QHJ為切換繼電器，QZJ為區間正方向繼電器，QFJ為區間反方向繼電器，BG?ZGJ為C區段前一區段總軌道電路繼電器，DG?ZGJ為C區段后一區段總軌道電路繼電器。

圖4 疊加系統GJ結合電路

當CG軌道電路發生漏泄“紅光帶”問題時，通過QHJ將計軸GJ接入。為提升CGZGJ信號輸出的可用性，如圖4虛線框內電路所示，根據列車運行方向，將前一區段總GJ狀態引入，這樣只有在前一區段空閑時，才會將CGJGJ狀態輸出，用于驅動CGZGJ。

改造步驟如下。

Step 1在繼電器組合架新增3個JWXC-1700型繼電器，作為CGGGJ、CGJGJ、QHJ，將原CG軌道電路繼電器作為CGZGJ。

Step 2確定原CGGGJ驅動信號端子位置，拔出端子上接線移到本移頻柜零層空端子處。

Step 3將原CGGGJ驅動信號通過線纜與新增的CG軌道電路繼電器電源端子連接，用于驅動CGGGJ。

Step 4將CGJGJ驅動信號通過線纜與新增的CG計軸繼電器電源端子連接，用于驅動CGJGJ。

Step 5通過電纜將CGZGJ驅動信號引入原CGGGJ驅動信號端子上。

Step 6按照圖4完成結合電路相關信號的連接。

3.3 室外調諧匹配單元改造

室外調諧匹配單元改造的目的是將室內發送的計軸與軌道電路疊加信號進行隔離，將計軸信號送入計軸室外設備，將軌道電路信號送入軌道電路室外設備。以圖5為例，改造步驟如下。

圖5 室外調諧匹配單元改造示意

Step 1將原室外調諧匹配單元設備E1、E2端子上的接線斷開，把從軌道電路電纜送來的信號引入計軸室外柜端子1、2上。

Step 2將計軸室外柜端子3、4上的信號通過電纜接入既有軌道電路室外調諧匹配單元E1、E2端子上。

4 技術要求

當道床漏泄電阻超標，軌道電路出現“紅光帶”時，經電務與工務共同確認無斷軌安全隱患，車站值班員確認區段無車后，根據調度命令采用人工導入方式，實現計軸加軌道電路檢查區段狀態。

在計軸疊加軌道電路方式下，區間軌道區段空閑、占用檢查由計軸設備完成，軌道電路只進行機車信號傳輸，其信息傳遞及燈光轉移關系，應滿足自動閉塞和機車信號的主要技術條件，并保證車站辦理列車進路、閉塞的辦法和手續不變；機車信號的顯示方式和內容不變［15-16］。

在軌道電路方式下，計軸設備應保持正常工作狀態，但其輸出條件不加入信號控制。因外界干擾或其他原因造成計軸軌道區段呈占用狀態時，為恢復其正常狀態，推薦采用預復零方式。軌道電路GJ和計軸GJ輸出狀態不一致時應予報警，并納入微機監測。計軸設備的接地電阻值室內應不大于l Ω，室外不大于4 Ω。特殊地段可根據需要采用浮地方式［17］。

5 測試與驗證

5.1 實驗室測試

使用真實軌道電路電纜，依托現場環境，在實驗室搭建計軸與軌道電路共纜傳輸技術實施方案，對疊加系統的功能與性能進行測試，測試環境見圖6。

圖6 實驗室測試環境

5.1.1 計軸測試

1） 計軸啟動時間為25 s，滿足設計要求。

2） 計軸復零、預復零功能、趟車復零功能滿足預期要求。

3） 計軸GJ反應時間小于1 s，滿足設計要求。

4） 計軸反向過車功能正常。

5） 計軸遠供電源衰減為5%，滿足指標要求。

6） 軌道電路功出、軌入短路不影響計軸功能及性能。

7） 計軸傳輸通道斷開后，再次建立連接時間為15 s，滿足設計要求。

8） 區段占用后計軸通道故障，區段空閑后計軸通道恢復正常，計軸狀態滿足預期要求。

9） 計軸傳輸通道通信質量滿足預期要求。

10） 計軸操作盤雙系統GJ狀態不一致報警功能正常。

11） 模擬軌道電路“紅光帶”故障，操作盤切入計軸功能正常。

12） 操作盤切入、切出計軸功能正常。

13） 操作盤區段狀態指示燈狀態符合要求。

5.1.2 軌道電路測試

1） 軌道電路在調整狀態下，疊加斷電/上電狀態的計軸設備，軌道電路功出電壓/電流、設備側電壓/電流、防雷側電壓/電流、電纜室內側電壓/電流、電纜室外側電壓/電流及BPLN鋼軌側電壓/電流變化范圍均小于3%，滿足設計要求；測試距發送端50～500 m間每隔50 m的軌面電壓變化范圍小于2%，滿足設計要求。

2） 軌道電路在分路狀態下，疊加斷電/上電狀態的計軸設備，距接收端0～500 m間每隔50 m進行分路，功出電流變化范圍小于2%，滿足設計要求；設備側電壓/電流、防雷側電壓/電流、電纜室內側電壓/電流、電纜室外側電壓/電流及BPLN鋼軌側電壓/電流變化范圍均小于3%，滿足設計要求。

3） 計軸對軌道電路分路狀態、調整狀態下的軌入、軌出、發送模網電纜側、接收模網電纜側、發送端BPLN鋼軌側信號頻譜、接收端BPLN鋼軌側信號頻譜無影響。

4） 在1 000～5 000 Hz頻率范圍內，計軸對軌道電路傳輸通道阻抗影響小于1%，滿足設計要求。

5） 計軸對分路狀態下的軌道電路功出、軌出信號波形無影響。

6） 共纜通道中關鍵隔離元器件開路、短路故障后，對軌道電路無影響，或軌道電路導向安全側。

7） 計軸信號短路、開路對軌道電路系統無影響。

5.2 現場測試

在大秦線某試驗站開展現場試驗，現場基本信息為：區段長度617 m，載頻2 300 Hz，發送電平10，接收電平146，發送端及接收端電纜補償長度9.5 km，實際電纜長度0.5 km，補償電容容值46 μF。

測試不同軌道電路狀態疊加不同狀態計軸時，軌道電路系統關鍵節點電氣參數，論證共纜傳輸對疊加系統傳輸性能的影響。經現場試驗得出如下結論。

1） 在調整狀態下，疊加不同狀態計軸對軌道電路發送電源電壓、接收電源電壓、功出電壓無影響；對設備側電壓、防雷側電壓、電纜側電壓、軌入電壓、軌出電壓、GJ電壓影響均小于1%，滿足預期要求。

2） 在送端分路、受端分路狀態下，疊加不同狀態計軸對軌道電路發送電源電壓、接收電源電壓、功出電壓無影響；對設備側電壓、防雷側電壓、電纜側電壓、軌入電壓、軌出電壓、GJ電壓影響均小于2%，滿足預期要求。

3） 現場模擬過車試驗表明，共纜疊加設置的計軸系統可在軌道電路系統非正常工作情況下，有效檢測鋼軌占用和空閑狀態。

6 結論

計軸共纜疊加軌道電路設備應用于道床漏泄引發軌道電路“紅光帶”區段，可避免重新鋪設計軸電纜，從而可節省電纜費用及鋪設電纜所需建筑安裝費。以大秦、北同蒲等線路為例，全線因漏泄導致的“紅光帶”區段大約1 000個，若采用計軸共纜疊加軌道電纜設備，以整治一個區段使用3 km電纜為例，鋪設電纜所需費用估計約需12萬元，則保守估計整治所有漏泄區段可節省約上億元電纜及施工費用。

大秦線計軸共纜疊加軌道電路的創新應用，可有效解決道床漏泄引發的“紅光帶”問題。不僅為大秦線運量保障奠定了堅實的技術基礎，也為其他重載鐵路技術改進起到了示范作用。實踐表明，堅持技術創新與實際問題相結合是提升鐵路技術水平、保障鐵路安全運營的正確選擇。隨著計軸共纜疊加軌道電路設備的推廣應用，大秦線道床漏泄導致軌道電路“紅光帶”問題有望徹底解決。