基于調整表優化的軌道電路牽引電流干擾防護研究

崔 勇，唐乾坤，楊世武

(1．北京交通大學電子信息工程學院，北京 100044；2．中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

隨著電氣化鐵路不斷向高速度、高密度和重載的方向發展，電氣化鐵路中電力牽引機車的功率和牽引電流不斷增加，牽引電流中各頻段的諧波也在增大。牽引電流及其諧波的增大使得鐵路現場的電磁環境變得更加惡劣，而電氣化鐵路中的鋼軌又是牽引電流和軌道電路的共用傳輸通道，因此，牽引電流會對軌道電路設備造成干擾，進而影響列車的運輸安全[1]。在鐵路現場，曾多次出現牽引電流諧波干擾使得軌道電路接收端電壓波動而產生“閃紅”現象。例如，2014年京九線龍南站X1LQG區段由于牽引電流諧波的干擾，導致軌道電路調整電壓和分路殘壓曲線均劇烈波動，影響了列車的行車安全；2015年朔黃線滄州西站D2G1由于牽引電流諧波對UM71型軌道電路的鄰頻干擾，多次造成了閃“紅光帶”故障。

在干擾的解決措施方面，當前普遍采用的方法是在牽引變電所或電力機車接入濾波器來抑制諧波。文獻[2-3]在對電氣化鐵路電力機車、牽引變壓器中的諧波進行建模分析的基礎上，提出了在機車牽引側加裝單相并聯型有源濾波器來抑制諧波。文獻[4-5]要求鐵路在設計施工時采取合理的措施并加強相關標準的制定。如文獻[4]指出了國標GB/T 14549—93《電能質量公用電網諧波》用于電氣化鐵路存在的問題，對諧波國標修訂及電氣化鐵路諧波標準提出了建議。但是這些措施存在成本高、周期長、在運營線路實施較為困難的缺點，因此難以在短時間內解決鐵路現場的牽引電流干擾。

通信系統常采用提高系統信干比的方法來實現抗干擾的目的，這種方法具有簡單、高效、成本低的優點。軌道電路可以通過調整發送器的發送電平和衰耗器的衰耗系數來提高信干比，但前提是不能違反鐵路信號維護規則技術標準對軌道電路在最不利條件下的分路、調整、機車信號和斷軌檢查的要求[6]。另外，軌道電路區段的電路參數、牽引回流分布會隨著機車在該區段的運動而變化，軌道電路調整表參數的設定和優化還應考慮上述因素的影響，其過程可以通過較為精確的軌道電路數學模型仿真實現。然而目前國內外的有關模型通常只涉及軌道電路本身，很少考慮機車這個動態干擾源在運行過程中對軌道電路的影響[7-8]，因此無法得出干擾源與干擾量值之間的定量關系，抗干擾措施的研究與分析也就無從談起。

本文的研究思路是建立能夠反映機車運動對軌道電路參數影響的動態仿真模型，通過仿真數據與現場實測數據的比較來驗證仿真模型的有效性。利用該仿真模型對軌道電路調整表中的發射電平和衰耗系統進行設定和優化，在滿足《鐵路信號維護規則技術標準》(以下簡稱《維規》)[6]要求的基礎上，實現最佳信干比，達到抗牽引電流干擾的目的。

1 軌道電路受牽引電流干擾理論模型

1.1 軌道電路等效傳輸線四端網理論

軌道電路利用鐵路線路中的一段鋼軌構成電路回路，理想情況下單位長度的兩平行鋼軌中的電阻R0、分布電感L0、分布電容C0和漏導G0均勻一致，軌道電路中的兩鋼軌可近似的視為均勻傳輸線，因此可以使用均勻傳輸線的分析方法進行分析。均勻傳輸線的等效四端網模型[9-10]如圖1所示。

圖1 均勻傳輸線的四端網絡模型

對于正弦激勵源Vs，均勻傳輸線的正弦穩態特解可以表示為

( 1 )

( 2 )

1.2 無絕緣軌道電路動態仿真模型

為便于分析研究，可選取一個區段的軌道電路進行分析。ZPW-2000A無絕緣軌道電路仿真結構[12-14]如圖2所示。

圖2 無絕緣軌道電路仿真模型

圖2是將軌道電路等效為若干個四端網級聯而成的電路，其中：NC為模擬電纜的四端網；NP為變比值為n的匹配變壓器的四端網；N1～N15為15個80 m長的小區段(取區段長度為1 200 m)，每個小區段由80 m鋼軌和一個補償電容組成；NL為分路狀態時包含機車輪對的等效分路電阻的四端網(調整狀態時不存在NL)；NS為接收端衰耗器的四端網。在圖2軌道電路結構基礎上，分別建立軌道電路分路狀態、調整狀態以及受牽引電流干擾的電路等效模型，并進行仿真分析。

1.2.1 分路狀態時無絕緣軌道電路仿真

機車分路狀態下的軌道電路等效模型如圖3所示。

圖3 機車分路狀態下的軌道電路等效模型

圖3中，Vs為發送器輸出電平；F(x)表示從軌道電路發送端電纜到機車分路輪對前方鋼軌所組成的四端網絡，其中x表示分路輪對在軌道上的位置，F(x)隨機車位置的改變而不斷變化；Rf表示機車輪對的等效分路電阻；IR為流過短路輪對的信號電流；T(x)為等效分路點經調諧單元到接收端衰耗器前方的等效四端網，T(x)隨機車位置的改變而不斷變化；ZR為接收器阻抗；Zin為自分路電阻到接收端的視入阻抗。根據四端網理論進行計算[15]，機車在軌道區段運行時機車信號短路電流為

( 3 )

在研究軌道電路接收端殘壓變化時，發送端到機車分路電阻之前的軌面電流信號IRZ可由機車信號感應，為簡化電路，可以將IRZ等效為電流源，此時可以主要考慮等效輪對分路電阻及其之后到接收端的電路即可，簡化后的四端網等效電路如圖4所示。

圖4 接收端殘壓計算模型

圖4中，IRZ為機車輪對前的軌面電流，對于有載四端口網絡T，輸入端口電壓為

U1=Rf(IRZ-I1)=T11U2+T12I2

( 4 )

而對于四端口網絡，其傳輸參數方程利用輸出端口的電量U2和I2來表達輸入端口的電量U1和I1，即為

U1=T11U2+T12I2

( 5 )

I1=T21U2+T22I2

( 6 )

聯立式( 4 )～式( 6 )，消去I1可以得到

RfIRZ-Rf(T21U2+T22I2)=T11U2+T12I2

( 7 )

當軌道電路處于分路狀態時(即有列車占用時)，I2很小，為分析方便，可近似認為I2=0[1， 15]。此時的輸出端口電壓可視為戴維南等效電路中等效電壓源的電壓，接收端殘壓VC的計算公式為

( 8 )

1.2.2 調整狀態時無絕緣軌道電路仿真

對于調整狀態，簡化后的調整狀態等效電路模型如圖5所示。

圖5 調整狀態等效電路

圖5中，Vs為發送器輸出電平；TF、TG和TS分別為發送端到調諧單元的四端網、包含有補償電容的1 200 m軌道四端網、調諧單元到接收端的四端網；ZR為接收器阻抗。此等效電路模型即為有載四端口網絡。其中

( 9 )

式中：NT為等效發送到接收端四端網；Nrc為補償電容四端網；Nx為長度為x時鋼軌的四端網。調整狀態的軌道電路接收端電壓為

(10)

聯立式(10)，可得

(11)

1.2.3 無絕緣軌道電路受擾仿真模型

無絕緣軌道電路受牽引電流諧波干擾的仿真模型如圖6所示。

對比圖2中的模型可知，電力機車受電弓自牽引供電網中接受牽引電流后，牽引電流中的諧波干擾會經電力機車輪對泄放至軌道中，進而由軌道流回到變電所。諧波干擾電流對軌道電路接收端的影響等效模型如圖7所示。

圖7中，IG為干擾諧波電流源，其與軌道電路的不平衡系數有關；Rg為機車輪對至接收端調諧區的等效電阻；ZZ為調諧區至接收器的等效四端網；ZR為接收器等效電阻。計算方法與軌道電路的接收端接收殘壓類似，接收端等效阻抗兩端的諧波干擾電壓為VT′，其計算公式為

圖6 無絕緣軌道電路受牽引電流干擾模型

圖7 諧波電流干擾等效模型

(12)

因此，分路狀態下軌道電路在受到諧波電流干擾時接收端接收的疊加電壓VF為

(13)

1.3 Matlab仿真驗證

參考軌道電路的實際配置，在Matlab仿真計算過程中選取的仿真基本參數為[16]：載頻取1 700 Hz，鋼軌電阻和電感分別取1.749 Ω/km和1 255 μH/km，補償電容取40 μF，補償電容的間距取80 m，軌道長度取1 200 m，模擬電纜長度為10 km，發送電平為三級(140 V)。考慮到鐵路現場中影響軌道電路正常工作的主要因素為道砟電阻、分路電阻和不平衡系數，因此對不同分路電阻下，機車信號接收電壓和軌道電路接收端殘壓與機車位置的關系進行了仿真。

圖8為根據1.2.1中分路狀態時無絕緣軌道電路等效模型得出的機車信號接收電壓與分路點位置關系仿真圖。

圖8 不同分路電阻時機車信號接收電壓與分路點位置關系仿真

仿真結果表明，正常分路時能保證機車正常接收到軌道電路傳輸的移頻信號。在分路不良時，由于分路電阻Rf過大，會使分路阻抗增大，分路電流減小，機車感應到的信號幅值會在減少的分路電流作用下而降低，可能造成部分區段接收電壓小于《維規》規定的要求。

圖9 現場機車信號接收電壓與分路點位置關系

圖9為現場從LKJ截取的某區段機車信號接收電壓數據圖，與圖8對比可知，仿真結果和現場實際的電壓數值及趨勢基本吻合，仿真結果比較符合現場實際。

機車分路電阻也會影響軌道電路的接收端殘壓，因此為研究分路時機車的分路位置與軌道電路的接收端殘壓關系，可根據式(12)進行仿真，仿真結果和截取的現場圖如圖10所示。

圖10 機車分路位置與接收端殘壓關系圖

對比仿真(圖10(a))中機車分路位置與接收端殘壓關系圖和現場截取某區段(圖10(b))微機監測記錄的軌道電路接收電壓曲線可知，在分路不良時，仿真和現場實際采集到的電壓數值及趨勢基本吻合，仿真結果比較符合現場實際。

根據某故障軌道電路區段采集到的1 750 Hz不平衡諧波電流數據，用基于1.2.3中無絕緣軌道電路受擾仿真模型的諧波干擾模型對存在1 750 Hz諧波干擾情況下的軌道電路進行仿真，仿真得出的軌面電壓與現場實測結果見表1。

表1 無絕緣軌道電路1 750 Hz諧波干擾仿真及測試結果

表1結果表明，諧波干擾耦合進入軌道電路接收端電壓隨著不平衡系數的增大而增加，這樣機車分路時諧波干擾信號與移頻信號相疊加后會使接收端殘壓超過《維規》規定的最大值140 mV，導致“閃紅”故障的出現。

另外，表1的仿真結果與實測結果基本一致，驗證了仿真模型的有效性。

2 基于調整表優化方法的抗干擾方案

2.1 軌道電路調整表優化原理和方法

軌道電路的調整表通過調整設定發送器發送電平、衰耗參數、補償電容等可變環節中的電氣參數，以滿足《維規》對軌道電路在最不利條件下的分路、調整、機車信號和斷軌檢查的要求，便于現場的施工維護使用。鐵路現場通常對一條數百公里長的線路使用一張相同的調整表[17-18]，然而，在一條線路上的不同軌道電路區段，軌道電路的一次參數、不平衡系數等由于環境、使用時長等因素而發生改變后會不適應原有的調整表，故需要對新電氣參數(道砟電阻、機車分路電阻等)下的軌道電路進行重新調整。另外，從提高軌道電路抗干擾能力的角度，也需要通過優化軌道電路發送器的發送電平和室內接收端的衰耗器參數，來完善既有軌道電路調整表的不足。

圖11為抗干擾方案原理圖，根據軌道電路區段所處的不同環境，對既有的調整表進行優化。在調整狀態下，優化后的調整表使得軌道電路接收端電壓值在波動的情況下也能高于《維規》規定值，并符合《維規》要求；在分路狀態下，會使軌道中的信號電流與存在的諧波干擾比值(即信干比)提高，機車信號設備在接收到軌道電路中的移頻信號時，受到諧波干擾的影響就會降低，同時，在軌道電路接收端疊加有干擾諧波信號的接收殘壓仍然會滿足《維規》要求。

圖11 抗干擾方案原理圖

軌道電路的發送器電平和衰耗器的衰耗參數有固定的調整范圍，在考慮軌道所處環境的同時對軌道電路調整表進行優化，此外，《維規》規定軌道電路正常工作時需要滿足3個條件，繼電器可靠工作電壓：在調整狀態下，主軌道電路接收器的接收端電壓(軌出電壓)應不小于240 mV，此時軌道繼電器能夠可靠工作；繼電器可靠不工作電壓：在最不利條件下，使用標準分路電阻0.15 Ω在軌道區段的任意點分路時，主軌道接收器接收電壓(軌出電壓)應不大于140 mV，此時軌道電路繼電器可靠不工作；在最不利分路條件下，軌道電路任意處軌面機車信號短路電流應在載頻1 700、2 000、2 300 Hz時不小于0.5 A，而在2 600 Hz時不小于0.45 A。此3個條件以及軌道電路發送器與衰耗參數的取值范圍確定了待優化參數的約束條件為

(14)

在式(14)約束條件下，該優化方法的目標為尋找出在軌道電路所處的不同環境因素、不同的諧波干擾等情況下，更優的發送電平VS和衰耗參數N的組合，使得軌道電路抗諧波干擾能力更強。軌道電路調整表優化流程主要分為以下3個步驟。

步驟1根據調整狀態下的軌道電路仿真模型，輸入軌道電路的基本參數后，篩選出調整狀態接收端電壓符合《維規》要求的發送電平Vs與衰耗參數N的組合C1。

步驟2分路條件下，根據分路狀態軌道電路仿真模型，求出在整個軌道區段每米處機車信號短路電流是否符合《維規》標準，在組合C1中篩選出符合條件的參數組合C2。

步驟3軌道電路牽引電流一定的情況下，考慮不同軌道電路不平衡系數所對應的諧波干擾電流值，根據分路狀態時軌道電路諧波干擾仿真模型，求出機車在整個軌道區段運行時，有諧波干擾存在時接收端殘壓是否符合《維規》要求，在組合C2中篩選出符合條件的參數組合C3。若組合C3為空，說明軌道電路處于此種環境參數與諧波干擾的情況下，調整Vs和N參數均不能滿足《維規》要求；若組合C3不為空，則選取C3中調整狀態接收電壓最高、分路狀態殘壓最低和機車信號短路電流最高的組合C4為最優組合，根據組合C4即可得出優化后的調整表。

軌道電路調整表優化流程如圖12所示。

2.2 軌道電路調整表優化仿真結果與分析

利用Matlab對上述優化方法進行仿真運算，軌道電路的仿真參數參考了漢宜線ZPW-2000A軌道電路調整表給出的軌道電路相關參數(其中的相關參數也與1.3節保持一致)。正常道砟電阻選取為5 Ω·km，不同環境條件下(道砟電阻過低或過高)的道砟電阻分別取為1、10 Ω·km，正常分路時分路電阻為0.15 Ω，分路不良時分路電阻選取為0.5 Ω；諧波干擾信號是根據表1選取的，其中諧波干擾頻率為1 750 Hz，軌道不平衡度分別取為6%、11%、15%和20%。根據以上參數對軌道電路調整表優化方法進行仿真，得出了在不同軌道環境、不同干擾條件下滿足《維規》要求的發送器電平和衰耗參數，根據仿真結果優化出的不同環境與干擾下的調整表見表2、表3。

圖12 軌道電路調整表優化方法流程

表2 考慮軌道環境參數的優化調整表(分路電阻0.15 Ω)

表3 考慮軌道環境參數的優化調整表(分路電阻0.5 Ω)

表2和表3為分路電阻為0.15 Ω和0.5 Ω時，在不同道砟電阻和不平衡系數情況下滿足《維規》要求的發送器電平和衰耗參數的組合(即優化后的調整表)。其中，由表2可知，當道砟電阻及分路電阻相同(例如道砟電阻為5 Ω·km，分路電阻為0.15 Ω)時，軌面諧波干擾電壓會隨軌道不平衡系數的增加而增大，此時若要使得軌道電路滿足《維規》所要求的調整狀態接收端電壓和分路狀態下機車信號電流及殘壓的3個約束條件，發送器發送電平需要隨干擾的增大而升高，衰耗器的衰耗參數則會隨之減小以使得接收端殘壓滿足《維規》要求。此外，對比軌道不平衡度由6%增大到20%可知，隨著不平衡系數的增加，若使得軌道電路滿足《維規》要求，在增大相同發送電平的同時，衰耗參數減小的數值越來越小，即衰耗參數的減小對接收端殘壓的影響越來越大。

當不平衡系數及分路電阻相同時，隨著道砟電阻的增大(由1～10 Ω·km)，發送器的發送電平Vs和衰耗參數N都逐漸減小。這是由于道砟電阻在增大的過程中，軌道道床兩鋼軌間的漏泄電流會逐漸減小，進而使得移頻信號在軌道傳輸過程中的衰耗減小，調整狀態下接收端電壓所需的發送電平也就越小。另外，分路狀態時諧波干擾和殘壓疊加的接收端電壓若要滿足《維規》要求則需要更小的衰耗參數。

當道砟電阻和不平衡系數均相同時，隨著分路電阻的增大(由0.15～0.5 Ω)，發送電平Vs和衰耗參數N不是簡單地增大或者減小，而需要綜合考慮3個因素之間的內在聯系。這是因為分路狀態時，在相同的Vs與N的情況下，分路電阻越高，接收端的殘壓就越高；而當道砟電阻過低時(如1 Ω·km)，由于漏泄電流比較大，為滿足調整狀態時的《維規》要求，需要增大Vs或N，而為了滿足分路狀態時殘壓的要求，又需要減小Vs或N，此時優化后的調整表殘壓仍然較高并且比較接近140 mV的限值。

諧波干擾條件下考慮軌道電路環境影響因素的原調整表[19]與優化后的新調整表仿真結果對比見表4。

表4 諧波干擾條件下原調整表與新調整表結果對比

通過表4的仿真數據結果可以看出，原調整表在道砟電阻過低時(低于1 Ω·km)會由于調整狀態接收端電壓過低而使軌道電路出現閃紅現象；在道砟電阻過高、有干擾和分路電阻過大時，會使分路狀態時接收端殘壓大于0.24 V而出現飛車現象；在不平衡系數增大，即諧波干擾增大時，軌道電路會由于接收端殘壓高于0.14 V而出現閃紅現象。在以上幾種情況下，優化后的調整表均能滿足《維規》要求而使得軌道電路正常工作。

3 結論

本文針對鐵路現場牽引電流對軌道電路干擾的實際情況，展開相關防護措施的研究，主要在以下兩個方面取得進展：

(1)在軌道電路受牽引電流干擾的仿真模型方面，本文基于傳輸線四端網絡，考慮了軌道電路的傳輸阻抗、牽引回流分布等參數會隨著機車在該區段的運動而變化，進而建立了無絕緣軌道電路動態仿真模型。

(2)在軌道電路抗牽引電流干擾的措施方面，本文提出了基于軌道電路調整表的抗干擾措施，根據故障區段具體的軌道電路參數，通過仿真模型，在滿足《維規》各項指標的前提下，得出最優的發射電平和衰耗值，使軌道電路的信干比達到最大，進而實現抗干擾的目的。此方法具有成本低、在運營線路易于實施的優點。

通過本文研究，得出的主要結論有：

(1)軌道電路中的道砟電阻、機車分路電阻和不平衡系數能夠直接影響不平衡牽引電流干擾量值，進而會影響軌道電路正常工作。例如，調整狀態時，道砟電阻在低于1 Ω·km時，會使得調整狀態時軌道電路接收端電壓低于《維規》要求的240 mV；分路狀態時，分路電阻在大于標準分路電阻0.15 Ω時(如1 Ω)時，會影響機車信號接收電流和軌道電路的接收端殘壓，可能會造成“飛車”現象。

(2)對軌道電路調整表的優化仿真結果表明，如果要使不同區段的軌道電路滿足《維規》要求，則需：當不平衡系數及分路電阻一定時，若道砟電阻增大，需將發送電平和衰耗參數都相應地減小；當道砟電阻及分路電阻一定時，若不平衡系數增大，則需將發送電平增大而衰耗參數減小；當道砟電阻和不平衡系數一定時，隨著分路電阻的增大，發送電平和衰耗參數不是簡單地增大或者減小，而需綜合考慮3個因素(道砟電阻、分路電阻和不平衡系數)之間的內在聯系，來對發送電平和衰耗系數進行確定。其中，優化后的調整表可以參考表2、表3。