ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)研究

任 軍魯恩斌

（1.北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073；2.武漢鐵路局電務(wù)處，武漢 430071）

ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)研究

任 軍1魯恩斌2

（1.北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073；2.武漢鐵路局電務(wù)處，武漢 430071）

闡述ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路的功能、系統(tǒng)構(gòu)成、主要設(shè)備的工作原理。對ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路傳輸安全性問題，包括解決分路不良、絕緣破損檢查、道岔跳線斷線的列車分路檢查、斷軌檢查、站口兩端復(fù)線間橫向連接線的同時設(shè)置、“絕緣單破損+列車分路側(cè)扼流單斷線”的列車分路等進(jìn)行分析。

ZPW-2000A；脈沖信號；移頻信號；軌道電路；傳輸安全性

為解決全路既有軌道電路存在的分路不良、斷軌斷線、絕緣破損、道岔跳線斷線等諸多問題，在既有成熟的ZPW-2000A軌道電路和高壓脈沖軌道電路基礎(chǔ)上，北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司于2009年開始研制ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)，系統(tǒng)于2010年6月完成了室內(nèi)樣機(jī)的研制工作，并于2010年7月通過了原鐵道部專家組的室內(nèi)審查測試。根據(jù)原鐵道部安排，系統(tǒng)于2010年9月在武漢局下辛店車站全站開始現(xiàn)場試用。2013年12月，更換為正式定型設(shè)備。2014年10月，系統(tǒng)技術(shù)（暫行）條件通過了鐵路總公司技術(shù)評審。

1 ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路的主要功能

ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路是吸收國內(nèi)外站內(nèi)軌道電路先進(jìn)技術(shù)，在既有成熟運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)的ZPW-2000A軌道電路基礎(chǔ)上，混合高電壓多頻率不對稱脈沖信號和移頻信號而構(gòu)成的一種新型站內(nèi)軌道電路。系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是發(fā)送器輸出的信號是由移頻信號和脈沖信號混合而成。系統(tǒng)具備下列基本功能：

1）調(diào)整狀態(tài)時，實(shí)現(xiàn)區(qū)段空閑檢查。

2）分路狀態(tài)時，實(shí)現(xiàn)區(qū)段列車占用檢查。

3）實(shí)現(xiàn)向車載信號設(shè)備信息的傳輸。

2 ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路的系統(tǒng)構(gòu)成

ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路由室外設(shè)備和室內(nèi)設(shè)備2部分組成。室外設(shè)備包括電纜、扼流變壓器、補(bǔ)償電容、并聯(lián)分支鋼軌連接線、扼流變壓器鋼軌引接線及回流電抗器等。室內(nèi)設(shè)備包括發(fā)送、接收、電纜長度補(bǔ)償、發(fā)送端冗余切換、接收端信號分離、電平調(diào)整及監(jiān)測設(shè)備等。

系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。站內(nèi)發(fā)送器根據(jù)列控中心下發(fā)的編碼條件，輸出相應(yīng)的脈沖移頻信號，先經(jīng)“1+1”轉(zhuǎn)換、方向電路、防雷模擬網(wǎng)絡(luò)送至室外電纜，由扼流變壓器傳輸至軌道送端，信號通過鋼軌傳輸至受端后，經(jīng)扼流變壓器傳輸至衰耗冗余隔離器。衰耗冗余隔離器將移頻信號和脈沖信號進(jìn)行分離后，由站內(nèi)接收器對脈沖信號和移頻信號獨(dú)立進(jìn)行解析。移頻信號和脈沖信號以“與”的邏輯關(guān)系，即任一信號低于門限值以下，軌道繼電器處于落下狀態(tài)。心點(diǎn)

圖1 ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 主要設(shè)備工作原理

3.1 站內(nèi)發(fā)送器

站內(nèi)發(fā)送器原理如圖2所示。站內(nèi)發(fā)送器由雙處理器、CAN通信、編碼輸入條件、移頻信號發(fā)生器、移頻功率放大電路、DC-DC高壓電源、脈沖充放電電路、安全與門電路、移頻檢測電路、脈沖檢測電路、移頻脈沖混合輸出電路組成。

站內(nèi)發(fā)送器用于產(chǎn)生高精度、高穩(wěn)定的移頻和脈沖混合信號源，可以通過CAN通信總線傳輸和繼電編碼兩種方式作為低頻和載頻選擇，系統(tǒng)采用“1+1”冗余方式，以提高系統(tǒng)可靠性，主要完成如下功能：

1）實(shí)時的數(shù)據(jù)通信；

2）產(chǎn)生18種低頻、8種載頻的高精度、高穩(wěn)定、足夠功率的移頻信號；

3）產(chǎn)生8種頻率的高壓脈沖信號；

4）移頻信號和脈沖信號的混合輸出；

5）系統(tǒng)故障檢測并給出報警及“1+1”冗余切換條件；

6）對設(shè)備進(jìn)行自檢，故障時通過總線向監(jiān)測維護(hù)主機(jī)發(fā)出報警信息。

3.2 站內(nèi)接收器

站內(nèi)接收器原理如圖3所示。站內(nèi)接收器由雙處理器、CAN通信、編碼輸入條件、AD采樣電路、安全與門電路等組成。

站內(nèi)接收器可接收并處理鋼軌回饋的移頻信號和脈沖信號。該接收器可以通過CAN總線傳輸和繼電編碼兩種方式作為移頻和脈沖信號的頻率選擇，可以同時處理兩個區(qū)段的信號，系統(tǒng)采用雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)用冗余，以提高系統(tǒng)可靠性，完成如下功能：

1）對軌道電路移頻信號的解調(diào)處理；

2）對軌道電路脈沖信號的解調(diào)處理；

3）移頻信號和脈沖信號的“與”邏輯判斷，動作軌道繼電器；

4）對設(shè)備進(jìn)行自檢，故障時通過總線向監(jiān)測維護(hù)主機(jī)發(fā)出報警信息。

圖2 站內(nèi)發(fā)送器原理框圖

圖3 站內(nèi)接收器原理框圖

4 ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路的傳輸安全性

在傳輸安全性上，ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路集中了音頻及脈沖軌道電路諸多方面的優(yōu)勢，采用數(shù)字信號處理技術(shù)，在滿足地車移頻信息傳輸?shù)那疤嵯拢鉀Q了多年來全路提出的多項軌道電路傳輸技術(shù)安全性問題。

4.1 高壓脈沖解決軌道電路分路不良

近些年，全路站內(nèi)軌道電路分路不良問題表現(xiàn)突出，研究表明分路不良的根本原因是輪軌接觸踏面不良導(dǎo)電層導(dǎo)致輪軌接觸電阻出現(xiàn)異常，列車占用時不能實(shí)現(xiàn)對軌道電路的電氣短路，無法完成列車占用檢查。我國客運(yùn)專線普遍采用站內(nèi)一體化軌道電路，軌面電壓按照有效值不小于0.8 V設(shè)計，在較長時期不走車的情況下，無法可靠分路。

根據(jù)世界各國經(jīng)驗(yàn)，解決軌道電路分路不良主要是通過提升軌面間電壓實(shí)現(xiàn)對輪軌間不良導(dǎo)電層擊穿的方式解決。ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路在系統(tǒng)按如下條件進(jìn)行設(shè)計：最低道砟電阻≥2 Ω·km股道、區(qū)段最大長度為650 m或道岔區(qū)段最大長度為400 m時，軌面脈沖電壓≥50 V。該指標(biāo)滿足國際鐵路聯(lián)合會UIC所提出的推薦值，將有效解決軌道電路分路不良問題。

4.2 高壓脈沖實(shí)現(xiàn)絕緣破損檢查

站內(nèi)一體化軌道電路采用載頻交叉排列方式，相鄰軌道區(qū)段使用不同載頻，即使絕緣節(jié)破損，也不會出現(xiàn)軌道電路失去分路的問題。因此，絕緣節(jié)破損并不危害軌道電路自身的安全性，但從列控系統(tǒng)的角度分析，絕緣節(jié)破損后，列控車載設(shè)備會接收到入侵區(qū)段的車載信號，造成列控車載設(shè)備按錯誤的信息控車。

在ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)中，脈沖信號同樣采用極性交叉排列的方式，如圖4所示，正常條件U峰頭/U峰尾判定頭尾比介于預(yù)定范圍內(nèi)（1∶2～1∶8），在相鄰區(qū)段信號侵入后，頭尾比為U峰頭/U入侵，將超出正常的頭尾比范圍，從而判定為絕緣破損，打落軌道繼電器，完成絕緣破損檢查。

圖4 絕緣破損信號示意圖

4.3 高壓脈沖解決道岔跳線斷線時的列車分路檢查

一體化軌道電路在道岔區(qū)段采用并聯(lián)跳線的方式，跳線間距約20 m。如圖5所示，當(dāng)并聯(lián)跳線斷線時，列車輪對等效在直股上的分路電阻Zf將改變?yōu)閆f′=Zf+Zg，Zg為附加鋼軌回路阻抗。移頻信號頻率為1 700～2 600 Hz，鋼軌阻抗按照14 Ω/km考慮，20 m鋼軌阻抗即為0.28 Ω，而軌道電路分路靈敏度為0.25 Ω。因此跳線斷線將嚴(yán)重影響軌道電路的分路性能，甚至失去分路。

圖5 一體化軌道電路道岔跳線及斷線示意圖

低頻信號的鋼軌阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于移頻信號，以25 Hz為例，鋼軌 阻抗≤0.62 Ω/km，達(dá)到0.25 Ω的環(huán)路阻抗需要403 m鋼軌長度。脈沖信號主要由低頻信號構(gòu)成。因此，采用脈沖能夠容忍更大長度鋼軌上的連接線缺失而不會導(dǎo)致喪失分路。

4.4 斷軌檢查

由軌道電路實(shí)現(xiàn)斷軌檢查，這是一個老問題。人們通常相信軌道電路的主要功能是檢查列車占用軌道，但是它也能夠檢查斷軌。

如圖6所示，當(dāng)軌道發(fā)生物理折斷時，ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路能夠確保接收器的輸入殘壓處于門檻值以下。即使存在如圖7所示的信號迂回通道，依據(jù)對ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路的計算，只要確保迂回通道長度≥1 500 m，就能實(shí)現(xiàn)斷軌檢查。圖7中，若在迂回回路中串入等效于1 500 m鋼軌阻抗的回流電抗器，則即使迂回通道的極限長度為0，ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路也能實(shí)現(xiàn)斷軌檢查。

圖6 斷軌示意圖

4.5 車站兩端站口復(fù)線間橫向連接線的同時設(shè)置

復(fù)線站口兩端不設(shè)置橫向連接，將造成上下行鋼軌之間牽引不平衡系數(shù)加大，形成積累的電壓差，可能危及到作業(yè)人員的人身安全。若設(shè)置橫向連接，則迂回回路對軌道電路將造成影響。ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)在確保車站兩端站口復(fù)線間橫向連接線的設(shè)置距離＞1 500 m的情況下，可在站口兩端站口復(fù)線間同時設(shè)置橫向連接線。

圖7 斷軌失去分路示意圖

4.6 “絕緣單破損+列車分路側(cè)扼流單斷線”的列車分路

在相敏軌道電路中，采用相鄰區(qū)段設(shè)置為不同極性進(jìn)行絕緣破損的防護(hù)，但是在多年運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)，在絕緣破損、扼流引接線單側(cè)斷線、相鄰區(qū)段有車條件下能夠通過列車輪對構(gòu)成同極性信號導(dǎo)致相鄰區(qū)段接收端錯誤吸起，如圖8所示。

圖8 破損+單斷線+占車錯誤吸起電路示意圖

在ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)中，兩個相鄰區(qū)段的脈沖信號頻率特征各不相同，雖然主串區(qū)段可通過該故障模式將脈沖信號極性交叉，但脈沖信號的頻率特征不符合被串區(qū)段的特征。

5 ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路的系統(tǒng)可靠性

在系統(tǒng)可靠性上，ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路特點(diǎn)為：

1）室外僅設(shè)置一個無源的扼流變壓器箱；

2）電子設(shè)備按室內(nèi)集中設(shè)置的原則；

3）站內(nèi)發(fā)送器、接收器均采用一體化單一結(jié)構(gòu)；

4）保持了既有客運(yùn)專線行之有效的發(fā)送“1+1”故障檢測自動轉(zhuǎn)換、接收“0.5+0.5”雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)用冗余設(shè)計；

5）實(shí)現(xiàn)發(fā)送、接收設(shè)備與列控中心控制命令及特性檢測故障報警信息的直接實(shí)時交互。

6 結(jié)束語

ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路綜合了移頻軌道電路和高壓脈沖軌道電路的優(yōu)點(diǎn)，將這兩種制式軌道電路巧妙的合二為一，構(gòu)成一種新型的站內(nèi)軌道電路。ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路在傳輸安全性設(shè)計、系統(tǒng)可靠性設(shè)計、多信息一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計及系統(tǒng)性能價格比上均處于國際領(lǐng)先地位。

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The paper introduces the main functions, system composition and operational principles of the main devices of ZPW-2000A frequency-shift modulated and impulse track circuit system, and analyzes the transmission safety issues of the system, including loss of shunting, detection of track insulation faults, detection of switch's jumper in a train shunt, broken rail detection, setting a cross-over line for doubletracks at both ends of the station and "single track insulation broken and choke transformer disconnection in the side of train shunt" etc..

ZPW-2000A; impulse signal; frequency shift signal; track circuit; transmission safety

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.03.003

2015-03-10）

北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司科技研究課題項目（YK-2010K07）