無絕緣諧振式軌道電路系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

楊建華 林衛(wèi)永 鐘朱婷 溫業(yè)中

（通號萬全信號設(shè)備有限公司，杭州 310000）

無絕緣諧振式軌道電路系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

楊建華 林衛(wèi)永 鐘朱婷 溫業(yè)中

（通號萬全信號設(shè)備有限公司，杭州 310000）

根據(jù)現(xiàn)代有軌電車信號控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，提供一種用于有軌電車鐵路線路占用與空閑檢查的方案。結(jié)合工程需要重點(diǎn)分析無絕緣諧振式軌道電路系統(tǒng)的原理和實(shí)施方案，可供現(xiàn)代有軌電車檢查列車位置并保證列車運(yùn)行安全提供設(shè)計參考。

現(xiàn)代有軌電車；信號系統(tǒng)；軌道電路

1 概述

由于現(xiàn)代有軌電車具有工程造價低、建設(shè)周期短、運(yùn)營組織靈活、乘坐舒適快捷、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)，在越來越多的城市興起。現(xiàn)代有軌電車采用的是司機(jī)目視駕駛且無專有路權(quán)，怎樣保證電車的行車安全成為信號系統(tǒng)的重要目標(biāo)。在信號系統(tǒng)控制設(shè)備中，軌道電路是保證行車安全的重要基礎(chǔ)設(shè)備，用于檢查鐵路線路是否有車。由于我國有軌電車信號控制系統(tǒng)研究起步較晚，有軌電車專用軌道電路系統(tǒng)主要由國外企業(yè)提供。無絕緣諧振式軌道電路產(chǎn)品的開發(fā)，為有軌電車信號控制系統(tǒng)，提供了更適合我國有軌電車鐵路線路占用與空閑檢查的基礎(chǔ)設(shè)備。

為提高有軌電車在正線或車輛段道岔聯(lián)鎖區(qū)域的行車安全，在道岔的接近區(qū)段和道岔區(qū)段設(shè)置無絕緣諧振式軌道電路設(shè)備，并把軌道電路發(fā)送采集板置于軌旁控制箱內(nèi)，用于軌道區(qū)段空閑與占用檢查。無論是有軌電車列車還是軌道車，只要有輪對進(jìn)入軌道區(qū)段，就可以檢測到有車進(jìn)入本區(qū)段，并記錄和顯示有車占用。當(dāng)列車全部輪對出清本區(qū)段，立即將進(jìn)路狀態(tài)改為空閑狀態(tài)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

無絕緣諧振式軌道電路設(shè)備主要由處理器、發(fā)送器、接收器、匹配單元、電容、電纜和短接線等組成。利用鋼軌的電感特性與匹配電容構(gòu)成一個諧振式回路。軌道電路板集成發(fā)送器和接收器于一體，且發(fā)送器和接收器的CPU都采用二取二結(jié)構(gòu)。軌道電路板采用6U板卡設(shè)計，安裝在軌旁控制箱內(nèi)19寸6U機(jī)架式機(jī)箱內(nèi)部，板卡前面板開孔印字外露所有功能指示燈，板卡后面均留有外接線端子，用于所有外設(shè)的輸入和輸出連接。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無絕緣軌道電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)原理

3.1 系統(tǒng)原理說明

無絕緣諧振式軌道電路是將一定長度的鋼軌兩端用短路線短路，中間安裝諧振電容，在兩端適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b發(fā)送器和接收器構(gòu)成一個閉合回路。利用鋼軌對高頻信號呈現(xiàn)電感特性，并配合適當(dāng)?shù)碾娙萜鳂?gòu)成諧振電路。在發(fā)送器中發(fā)送一定頻率的信號，接收端可以順利地接收到這個信號。

在無車進(jìn)入該軌道區(qū)段時，發(fā)送器通過電纜和調(diào)諧匹配單元將一定功率的FSK信號送入軌道電路一端，在軌道電路的另一端通過調(diào)諧匹配單元和電纜將經(jīng)過一定衰耗的FSK信號傳送到接收器。接收器經(jīng)過分析計算，確認(rèn)接收信息達(dá)到門限值，接收器將結(jié)果傳送給處理器模塊，處理器模塊確認(rèn)本區(qū)段狀態(tài)為空閑并記錄；反之，當(dāng)有列車進(jìn)入軌道電路區(qū)段時，由于列車輪對的短路作用，使鋼軌軌面上的諧振回路不在諧振點(diǎn)，導(dǎo)致接收器接收信息在門限值以下，處理器模塊接收并判定本區(qū)段為占用狀態(tài)。

3.2 主要技術(shù)指標(biāo)

軌道電路板工作電壓范圍：DC20～26 V，功率≤12 W；軌道區(qū)段控制長度：3～100 m；系統(tǒng)應(yīng)變時間：＜0.3 s；分路靈敏度：＞0.15 Ω；系統(tǒng)工作頻率：20～30 kHz；系統(tǒng)調(diào)制低頻數(shù)量：16;調(diào)制方式：FSK移頻鍵控調(diào)制；可靠性MTBF=100 000 h；誤碼率：＜10-9；發(fā)送功率：5 W；軟件、硬件設(shè)計符合故障-安全要求。

4 系統(tǒng)接口

軌道電路板采用DC24 V/2 A供電。軌道電路板向軌旁控制器提供軌道電路占用和空閑表示接口，占用和空閑表示通過GJ繼電器接點(diǎn)方式把軌道狀態(tài)發(fā)送至軌旁控制器的I/O模塊，接口采用2個端子實(shí)現(xiàn)，接點(diǎn)閉合表示軌道空閑，接點(diǎn)斷開表示軌道占用。接口也可采用CAN總線方式，將軌道狀態(tài)上傳至軌旁控制器，應(yīng)變速度更快。軌道電路板與鋼軌的接口采用四線制，X1X2用于發(fā)送器發(fā)送FSK信號到鋼軌軌面，X3X4用于接收器接收來自軌面的FSK信號。系統(tǒng)接口如圖2、3、4所示。

圖2 軌道電路板與軌旁控制器電源接口連接示意圖

圖3 軌道電路板與軌旁控制器通信接口連接示意圖

圖4 軌道電路板與鋼軌連接示意圖

5 系統(tǒng)各模塊功能

5.1 設(shè)備硬件功能說明

發(fā)送器：發(fā)送模塊通過電纜和匹配單元，將一定功率的FSK信號送入軌道電路一端。

接收器：在軌道電路的另一端，通過匹配單元和電纜，將經(jīng)過一定衰耗的FSK信號送到接收模塊。

短路線：在軌道區(qū)段的兩頭用短路線連接，可以阻止軌道電路電流信息流出本區(qū)段，還可以均衡兩條鋼軌的牽引回流電流。

二是構(gòu)建符合現(xiàn)代企業(yè)制度要求的人才選用機(jī)制。繼續(xù)深化崗位競聘制度，以公開招聘、競爭上崗、組織選拔等多種方式，建立科學(xué)的人才選用機(jī)制，破除論資排輩等不良現(xiàn)象，為畢業(yè)生脫穎而出、施展才華創(chuàng)造寬廣的舞臺。同時，加大專業(yè)技術(shù)職務(wù)評聘分開的力度，提高引進(jìn)畢業(yè)生職稱評審的比例，把技術(shù)水平高、專業(yè)能力強(qiáng)的優(yōu)秀畢業(yè)生，選聘到關(guān)鍵技術(shù)崗位，拓寬知人識人渠道。

軌道電路板的功能如下：

當(dāng)區(qū)段無車時，接收模塊經(jīng)過分析計算確認(rèn)接收到了達(dá)到門限值的正確信息，接收模塊將結(jié)果傳送給處理模塊，處理器模塊確認(rèn)本區(qū)段狀態(tài)為空閑并記錄。

當(dāng)有車進(jìn)入本區(qū)段時，由于輪對短路發(fā)送端與接收端的通路，接收端的信號會低于要求的門限，接收器經(jīng)過分析將結(jié)果傳送給處理模塊，處理器模塊確認(rèn)本區(qū)段狀態(tài)為占用并記錄。

軌道電路的功能劃分：軌道電路板硬件功能單元可分為雙處理器電路、開關(guān)電源電路、功率放大電路、發(fā)送監(jiān)測電路、接收采集電路、對外接口電路、參數(shù)調(diào)整電路和故障記錄電路，共8個子模塊。如表1所示。

表1 各功能模塊說明

5.2 設(shè)備軟件功能說明

軌道電路板軟件整體分為初始化模塊、指示燈模塊、信號輸出模塊、檢測模塊、信號采集模塊、狀態(tài)輸出模塊、參數(shù)調(diào)整模塊及故障記錄模塊，共8大功能模塊。

軌道電路板上電后，程序?qū)⒊跏蓟瘏?shù)，然后對系統(tǒng)輸出信號進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)檢測；在各項(xiàng)參數(shù)滿足正常工作條件后，系統(tǒng)再對系統(tǒng)輸入信號進(jìn)行各參數(shù)檢測，經(jīng)過邏輯計算和分析，最后執(zhí)行相應(yīng)命令的操作。如表2及圖5所示。

6 系統(tǒng)應(yīng)用舉例

無絕緣軌道電路系統(tǒng)主要用于軌道線路區(qū)域的空閑、占用檢查，以保證列車在線路上的運(yùn)行安全。在辦理行車進(jìn)路進(jìn)行道岔位置轉(zhuǎn)換時，需要檢查道岔區(qū)域無車，并在轉(zhuǎn)換過程中不允許有車進(jìn)入。如果有車進(jìn)入道岔區(qū)域，沒有轉(zhuǎn)換的道岔不允許被轉(zhuǎn)換，已經(jīng)轉(zhuǎn)換的道岔要繼續(xù)轉(zhuǎn)換到底。道岔全部

表2 模塊功能和處理流程

圖5 軌道電路板程序處理流程圖

轉(zhuǎn)換到了進(jìn)路要求的位置并鎖閉，防護(hù)該進(jìn)路的信號機(jī)才可以開放。為了保證列車行車安全，在道岔的尖軌前要設(shè)置一定長度的軌道電路稱為保護(hù)區(qū)段（BHG）。當(dāng)列車在道岔轉(zhuǎn)換期間進(jìn)入該區(qū)段，利用列車在保護(hù)區(qū)段運(yùn)行時間使道岔轉(zhuǎn)換到底。

圖6是由一個對向道岔控制直行或左轉(zhuǎn)線路的應(yīng)用。在道岔區(qū)域設(shè)置四段無絕緣軌道電路，分別是接近軌JJG、保護(hù)軌BHG、道岔定位軌DCG、道岔反位軌FCG。保護(hù)進(jìn)路的信號機(jī)設(shè)在保護(hù)軌前方。列車進(jìn)入接近軌時，下傳道岔轉(zhuǎn)換命令；當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)換到規(guī)定位置并開放信號，列車可以越過信號機(jī)進(jìn)入道岔區(qū)域，列車壓入保護(hù)軌時，信號機(jī)關(guān)閉；當(dāng)列車依次壓入并出清JJG、BHG、DCG（FCG）后進(jìn)路解鎖、道岔解鎖，又可以重新接收進(jìn)路命令。

圖6 無絕緣軌道電路道岔區(qū)域安裝示意圖

如果是背向道岔，情況類似，只是接近軌和信號機(jī)要設(shè)置在另外一個方向，保護(hù)軌和離去軌互換。

7 系統(tǒng)安裝

7.1 無絕緣諧振式軌道電路設(shè)備的安裝

無絕緣諧振式軌道電路安裝要求，兩個相鄰區(qū)段要間隔4 m，鋼筋網(wǎng)離軌道電路應(yīng)20 cm以上，相鄰區(qū)段分別使用高頻（27 kHz附近的頻率）和低頻（22 kHz附近的頻率），連接電纜長度一般不超過200 m。圖7所示為無絕緣軌道電路室外安裝示意。

圖7 無絕緣軌道電路室外安裝示意圖

7.2 無絕緣諧振式軌道電路設(shè)備的調(diào)試

通過查表可得到電容的容值，在設(shè)備安裝完畢后，將軌道電路板設(shè)置為調(diào)試狀態(tài)。軌道電路板的人機(jī)對話窗口可顯示出諧振頻率、發(fā)送電壓、接收電壓。如果參數(shù)與設(shè)計要求誤差較大，可更換電容或調(diào)整發(fā)送電壓值至滿足要求。調(diào)試結(jié)束后，將軌道電路板設(shè)置為工作狀態(tài)，原始數(shù)據(jù)將被寫入記錄單元。當(dāng)軌道電路改造或更換處理器板時，需用特殊手段重新進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)。

系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)后，軌道電路的空閑與占用等信息，通過繼電器接點(diǎn)和CAN總線通信口，傳送給軌旁控制器及其他周邊設(shè)備。

7.3 鋼軌短路線安裝、諧振電容安裝、接收及發(fā)送匹配盒安裝

鋼軌短路線設(shè)置位置應(yīng)符合設(shè)計要求，將鋼軌短路線的塞釘敲入鉆好的孔眼中，必須確保塞釘完全進(jìn)入鋼軌內(nèi)部。

兩邊引出35 mm2的導(dǎo)線，導(dǎo)線頭部已經(jīng)安裝好塞釘，將兩邊的塞釘按安裝短路線的方式安裝到軌道中。敲好塞釘后用萬用表測量接觸電阻，確保接觸電阻小于10 mΩ。安裝完畢后，用泥土覆蓋好諧振電容，確保電容不應(yīng)振動移位。

匹配盒具有兩種規(guī)格，分別為發(fā)送匹配盒和接收匹配盒，發(fā)送匹配盒安裝靠近軌旁控制箱，接收匹配盒遠(yuǎn)離軌旁控制箱。按同樣的方式將匹配盒的塞釘敲入鋼軌內(nèi)側(cè)。敲好塞釘后，用萬用表測量接觸電阻，確保接觸電阻小于10 mΩ。安裝完畢后，用泥土覆蓋好匹配盒，不應(yīng)振動移位。

匹配盒的中部位置具有一個防水連接器，該連接器為2芯插座，將從軌旁控制箱內(nèi)引出的發(fā)送端連接到2芯插座，并用力旋緊連接器固定螺母，確保端子防水塵。同樣接收端也從軌旁控制箱引出連接到接收匹配盒的連接器端子上。如圖8所示。

圖8 短路線、匹配電容、接收及發(fā)送匹配盒安裝示意圖

8 結(jié)論

無絕緣諧振式軌道電路，是有軌電車信號控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，對保證列車運(yùn)行安全有著十分重要的作用。這個產(chǎn)品借鑒國外產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合我國運(yùn)行特點(diǎn)和需求，有著比較廣泛的使用空間。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強(qiáng)、安全性好、安裝維護(hù)方便、性能價格比高等特點(diǎn)。

[1]中華人民共和國建設(shè)部.GB50157-2003地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2]北京鐵路局.ZPW-2000A型無絕緣移頻自動閉塞原理與維護(hù)[Z].2005.

[3]北京城建設(shè)計研究總院有限公司.北京市現(xiàn)代有軌電車技術(shù)[Z].2010.

[4]鄒仕順.現(xiàn)代有軌電車的信號控制技術(shù)[J].北京：鐵路通信信號，2014，50（4）：8-11.

According to the characteristics of signal control systems for modern trams, the paper puts forward a scheme for occupancy and clear detection of trams railway lines. Combined with engineering needs, it analyzes the principles and implementation scheme of the non-insulated resonant track circuit system for locating the modern trams and ensuring tram safe operation.

modern trams; signal system; track circuit

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.06.019

2016-08-22）