西成客專線路運用狀態干擾防護的實現

陳艷華， 任荔娜

(西安鐵路職業技術學院 電子信息學院, 西安 710014)

0 引言

西成客專線路運用復雜，既要途徑路網交織的關中平原，又需穿越艱險高峻的秦嶺山脈，自西安北站開出，最終到達成都東站，銜接西武高鐵、大西高鐵、成渝高鐵等。隨著直流和交流電氣化鐵道的發展，對檢查線路運用狀態的軌道電路提出了更高的要求，其工作是否穩定可靠是決定列車運行安全的首要因素。由于鋼軌是交流電氣化牽引區段牽引電流的回流線，所以軌道電路中不僅有信號電流流過，而且還有牽引電流流動。因此電氣化區段的軌道電路要求必須能抗牽引電流的干擾。

軌道電路干擾的種類很多，有相當多的干擾是由于將鋼軌作傳輸通路引起的，其中有不少是與軌道饋電線路以及列車等有關[1]。交流電氣化牽引區段軌道電路的干擾，主要是牽引電流基波和它的諧波干擾。產生的原因，既有來自內部的列車分路不良、軌道電路不平衡、絕緣不良等干擾；也有來自外部的雷電涌、電磁干擾、迷流等干擾，牽引電流不平衡引起的干擾尤為突出，高壓脈沖軌道電路可以對此類干擾進行有效防護，且效果顯著。

1 不平衡電流干擾問題

1.電流產生不平衡的原因

當鋼軌斷軌、鋼軌接續線脫落或松動、鋼軌漏泄導納左右不同、接近一條鋼軌平行埋設的長導體、設有與鋼軌平行的架空導體對鋼軌左右軌距離不同時，牽引電流是不平衡的。[2]

此外扼流變壓器兩個牽引線圈阻抗不等時和牽引連接線長短不一致時也會引起不平衡的干擾；單軌條軌道電路由于是在回歸電路鋼軌安裝電阻低的鋼軌接續線，在信號鋼軌安裝電阻高的信號接續線，所以兩根鋼軌的直流電阻也是不平衡的。

2.我國不平衡電流諧波干擾實測舉例

可控硅電力機車在重車爬坡牽引狀態下鋼軌電流的諧波百分比如表1和圖1所示。

對于表1和圖1是可控硅電力機車在重車爬坡牽引狀態下鋼軌電流的諧波，奇次諧波的百分比，可控硅機車略高于引燃管機車；而基波分量卻是前者稍低于后者。在偶次諧波中100 Hz和200 Hz的諧波百分比，可控硅機車比引燃管機車大得多[3，4]。

表1 可控硅電力機車在重車爬坡牽引狀態下鋼軌電流的諧波百分比

圖1 可控硅電力機車在重車爬坡牽引狀態下鋼軌電流的諧波百分比圖

在奇次諧波百分比的分布規律中，可控硅機車，從50～1 150 Hz間，諧波百分比是隨頻率增加而下降；從1 150～1 350 Hz間諧波百分比是隨頻率升高而上升；從1 450～1 850 Hz間，諧波百分比又是隨頻率升高而下降；從1 850 Hz以上，諧波百分比幾乎為零。因此，在諧波百分比的分布規律中，除1 250～1 350 Hz間這個頻段上，諧波百分比出現上升現象外，在其他頻段都是隨頻率升高而下降。

引燃管電力機車牽引電流諧波百分比如表2和圖2所示。

表2 引燃管電力機車牽引電流諧波百分比

圖2 引燃管電力機車牽引電流諧波百分比

從表2和圖2可知，引燃管整流的電力機車，在牽引狀態下牽引電流的波形中，50 Hz及其奇次諧波所占的百分比較大。它的規律是除個別諧波頻率外，一般是隨諧波次數的增高，百分比逐漸下降。但是，所有偶次諧波，它的百分比都很小，同時它也服從諧波次數越高百分比越小的規律。在奇次諧波百分比的分布規律中，引燃管機車從50～1 150 Hz間，諧波百分比是隨頻率升高而下降；從1 250～1 450 Hz間，諧波百分比是隨頻率升高而上升；從1 550～1 850 Hz間，諧波百分比優勢隨頻率上升而下降；從1 850 Hz以上諧波百分比于頻率無關[5，6]。

可見，在軌道電路選擇信號頻率時，要特別注意牽引電流基波及其諧波的干擾，應盡可能遠離較大的干擾，并增設防護環節。高壓脈沖軌道電路，它的特點是不用正弦電流，而是用不對稱脈沖波形的正負兩部分，峰值比例進行選擇的。因此這種軌道電路，它不受可控硅調速機車等產生的干擾電流影響，實踐證明，它不存在干擾的危險。

在交流電氣化區段，由于牽引電流是利用鋼軌作回線，如果兩根鋼軌不平衡，則兩根鋼軌之間會出現較大的干擾電壓，其值如式(1)。

U12= (I1-I2)Z0

(1)

式中I1—第一根鋼軌的牽引電流；I2—第二根鋼軌的牽引電流；Z0—軌道電路接受端輸入阻抗。從上述公式1可以看出，如果軌道電路不平衡，則在兩根鋼軌中的牽引電流不相等，于是在兩根鋼軌間就存在干擾電壓，在交流電化區段，為了降低干擾電壓，軌道電路的平衡問題十分重要。軌道電路的不平衡性，用不平衡系數k0表示[7]，如式(2)。

(2)

式中I0—鋼軌內總牽引電流；ΔI0—兩根鋼軌中牽引電流差值；在軌道電路中，對產生的干擾進行研究，認為單線鐵路的雙軌條軌道電路中的干擾，主要根據鋼軌的縱向不平衡來決定。軌道電路的牽引回流，沿軌條不平衡的流散，是根據其縱向、橫向的不平衡電流來決定。因此，在交流電氣化區段上的軌道電路，必須設法減少其不平衡系數k0值[8]。

3 軌道電路對干擾的防護方法

1.高壓脈沖軌道電路

交流電力牽引區段軌道電路，對干擾的傳統防護方法是：信號電流的供電采用與牽引電流及其基波不同的頻率，它是確保軌道電路可靠工作的主要條件之一。信號電流頻率的選擇還應考慮所用器材在對牽引電流干擾防護方面的技術可能性和保證軌道電路可靠工作，研制能可靠工作的具有頻率選擇性能的適當器材成為關鍵。我國自行研制的移頻軌道電路，在交流電化區段上使用的移頻頻率，均避開了50 Hz的奇次諧波，躲開了干擾大的頻率，使移頻頻率落在偶次諧波上。抑制干擾， 是為了把信號頻率與干擾頻率區分開來，對干擾進行防護。站內高壓脈沖軌道電路結構如圖3所示。

圖3 站內高壓脈沖軌道電路

高壓脈沖軌道電路受電端包括：BE1-M(BE2-M)型扼流變壓器；GM·Y 型譯碼接收器；JCRC 型二元差動閉磁路繼電器；FL 型避雷器等組成。高壓脈沖軌道電路送電端包括：GM·F-25(50)型高壓脈沖發碼器；BE1-M(BE2-M)型扼流變壓器；供電電源25 Hz(或50 Hz)220 伏；FL 型避雷器等組成。在交流電化區段，高壓脈沖軌道電路采用了二元差動閉磁路繼電器進行防護，不用正弦電流，而是運用不對稱脈沖的正負峰值比例進行選擇。當牽引干擾電流進入二元差動閉磁路繼電器時，它能減小二元差動閉磁路繼電器的機械力，使繼電器失磁落下。而且能在線路空閑時，將信號轉為禁止顯示關閉。

2.高壓脈沖軌道電路與高壓脈沖軌道電路相鄰時

當兩個高壓脈沖軌道電路相鄰時，采用極性交叉來防護，如圖4所示。

圖4 軌道電路極性交叉

其防護原理是：因為接收端的譯碼器是有極性的，它只能接收本區段軌道上發送來的高壓脈沖才能工作，因此，當絕緣破損時，相鄰軌道電路的不對稱脈沖信息就干擾該區段的譯碼器，但它的脈沖極性正好與該區段的脈沖相反。這時，譯碼器的輸出電壓，正好使軌道繼電器的線圈電壓發生變化，繼電器將失磁，從而起到絕緣破損防護的目的。高壓脈沖軌道電路，站內正線相鄰軌道區段均應設計為極性交叉，但對非正線上，若為雙送電端的相鄰軌道區段，允許不作極性交叉，從技術角度和節省投資看，為了提高軌道電路設備的可靠性、經濟性，應盡量多采用雙送電端或雙受電端方式為好[11]。

3.高壓脈沖軌道電路與交流計數電碼化軌道電路相鄰時

當高壓脈沖軌道電路與交流計數電碼化軌道電路相鄰時，在鋼軌絕緣節破損時，信號侵入高壓脈沖軌道電路的接收端，當信號幅值較低時，一般不影響高壓脈沖軌道電路的基本功能。當其幅值較大時，則接收端的繼電器趨向失磁，高壓脈沖軌道電路有可靠防護性能。由于高壓脈沖信號為每秒鐘三次，與交流計數電碼信號的間隔不一致，所以在高壓脈沖軌道電路與交流計數電碼相鄰絕緣破損時，交流計數電碼軌道電路一般還是有防護性能[12]。

4.高壓脈沖軌道電路與25 Hz，50 Hz相敏軌道電路或高頻無絕緣軌道電路相鄰時

由于25 Hz、50 Hz或高頻無絕緣軌道電路，在鋼軌上傳送的信息為連續而對稱的正弦波，由二元差動軌道繼電器的工作原理可知，高壓脈沖軌道電路是有良好的防護性能。另外，由于不對稱脈沖的占空比極小，所以當相鄰鋼軌絕緣節破損時，對25 Hz，50 Hz或無絕緣軌道繼電器，即使有不對稱脈沖的瞬時沖擊而干擾，但是軌道繼電器由于電磁及機械的慣性，它是不會誤動的。由此可見，當上述兩種軌道電路相鄰時，相互間互不干擾，都能獨立保持著自己制式的各項功能。

4 總結

車輪踏面的接觸電阻，十分復雜，車輪的輪對是否使兩條鋼軌有效的分路，直接決定軌道電路的工作是否安全。為了得到安全可靠的分路，必須給這種銹軌、撒砂、油污、氧化層等所造成的不良接觸，通以相當大的電流。氧化層在低電壓范圍時，薄膜電阻較高，但在電壓升高時電阻逐漸下降，再升高電壓時，電阻急劇下降，高壓脈沖軌道電路，對于軌面接觸面薄膜，加100伏以上的脈沖可以擊穿，從而降低列車分路電阻，進一步保證分路安全[13]。

高壓脈沖軌道電路的電壓脈沖特性很好地解決了軌道電路分路不良問題，后來才逐漸完善用于直流、交流電化區段和車站和區間。它之所以能有強有力的生命力，是因為它比較全面的滿足了軌道電路在運用中涉及到的復雜問題。高壓脈沖軌道電路可以運用高電壓、大電流的特性，去擊穿鋼軌生銹、污染等線路的特殊問題，而后者連續性的或用電源直接供電者，就不能運用高電壓、大電流的特性，去滿足線路的特殊要求，因為若用如此大的電能是沒有實用價值的。無論是脈沖波形選擇還是脈沖的形狀，這種高壓脈沖的接收器可以對某些事故防護，效果顯著。因此高壓脈沖軌道電路在鐵路客運專線中具有極高的應用價值，也適用于站場裝卸貨物會造成道床污染的專用線建設。