軌道電路對分相區暫態牽引電流干擾的抑制方法

楊世武，陳炳均，陳海康，崔 勇，唐乾坤

（1.北京交通大學電子信息工程學院，北京 100044；2.中國鐵道科學研究院標準計量研究所，北京 100081；3.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

高速或普速電氣化鐵路中，由于機車負載的非線性，牽引電流成分中除了電網基波頻率外，還存在一系列電網基波頻率整數倍分量，即諧波電流.不同機車類型、機車工作狀態的變化以及在電氣化鐵路的一些特殊區段，諧波比例和電流幅度也隨之變化.特別地，當機車經過包含分相區的區段時，電力機車斷路器斷開和閉合（或受電弓升降弓）過程會產生暫態電流（即機車勵磁涌流），包含有大量直流和諧波成分，是干擾地面信號設備的重要來源[1].分相區沖擊電流可能導致地面軌道電路扼流變壓器磁飽和接收器電壓波動，進而對設備造成干擾，嚴重時會使信號故障甚至設備重啟.同時，車載機車信號所讀取的地面信息中，也會由于混入工頻諧波電流直接影響到對地面信號的解碼，可能造成列車的緊急制動[2-4].

在諧波干擾標準和文獻方面，歐洲鐵路基于機車與地面設備的兼容性，制定了CLC/TS50238-2標準[5]；我國關注地面信號設備的抗擾度性能，2003年，鐵道部制定TB/T3073對鐵路信號設備（軌道電路）的諧波抗擾度給出了限值要求[6]；隨著高速和重載鐵路的迅速發展，機車（包括動車組）類型更加多樣化，2016和2017年，中鐵總分別對軌道電路和機車信號防護牽引電流干擾標準項目立項研究.在信號設備防護研究方面，?upan等[7]根據 IEC 61000-3-6對電力機車在鐵路供電系統中產生的諧波電流進行了評估；Faten等[8]通過對突尼斯某地區的鐵路供電系統建模研究諧波電磁干擾問題，從機車的角度給出了防護措施；Jiao等[9]在2015年提出了一種車載諧波電流測量與管理系統，在測量諧波電流的同時能夠評估諧波電流對軌道電路造成的影響，進而從電磁兼容的角度提出了防護措施；王梓丞等[10]采用FDTD接口方法，分析了列車駛入/出清的瞬間接收端信號存在暫態突變的問題.作者提出了通過諧波實驗分析各次諧波比例的方法，研究信號設備的諧波限值[1].許童羽等[11-13]提出了利用FFT（fast Fourier transformation）分析電網諧波干擾的方法，研究采用了基于漢寧窗的高精度FFT諧波分析方法來提高分析精度；毛廣智和解學書[14]通過對無絕緣軌道電路系統的分析，建立了無絕緣軌道電路主要設備的數學模型，以分析軌道電路諧波干擾.需要指出，軌道電路系統設計時已通過帶通濾波器以及頻譜處理等方式對諧波干擾進行防護；但對于優化軌道電路參數調整策略，通過提高信號干擾比（signal-to-interference ratio，SIR）來抑制諧波干擾方面，國內外還沒有相關文獻[15-18].

1 分相區牽引電流干擾特性分析

1.1 諧波分析方法

為掌握暫態牽引電流干擾特性和機理，首先應對電流成分進行準確分析.分相區諧波電流為脈沖式的非周期信號，由于對采樣數據的時域截斷相當于在頻域與窗函數頻譜進行周期卷積，會形成頻譜泄漏，因此，宜采用加窗FFT的分析方法，減小頻譜分析誤差.標準CLC/TS50238-2[5]中規定：電力機車牽引電流諧波測量中應采用漢寧窗來進行測量.其中漢寧窗函數為

式中：m為從 0 取到M- 1 的自然數，M= 1，2，···.

對于暫態電流的諧波處理方法，可參照上述50238標準要求進行，根據標準要求設計的加窗FFT處理諧波數據流程圖如圖1所示.

圖 1 加窗FFT處理諧波數據流程Fig.1 Flowchart of harmonic data processing by utilizing windowed FFT

通過數據處理，可獲得分相區不同位置時的諧波成分，進而確定諧波分布比例和特性、諧波電流是否超出規定限值，并為抑制措施提供參考依據.

1.2 分相區暫態干擾案例分析

諧波電流對軌道電路形成干擾大小由如下3 個要素決定：（1）牽引電流中諧波比例；（2）軌道區段不平衡度；（3）軌道電路對諧波頻率的視入阻抗.

選取某重載線分相區相鄰區段測試數據作為典型案例（如圖2所示），對諧波電流進行分析.該制式為基于FSK（頻移鍵控，簡稱移頻）調制方式的UM系列軌道電路，載頻為1 700 Hz，發送電平79.2 V（等級5）.在列車通過該軌道區段時，室內監測設備顯示低頻（即調制信號）亂碼，且接收器多次出現紅光帶現象.現場采集記錄鋼軌電流波形，過分相整體波形和暫態波形分別如圖 2（a）、2（b）所示.可見，在通過分相區后機車真空斷路器（vacuum circuit breaker，VCB）合閘瞬間產生持續時間為2 s左右的暫態電流，該波形脈沖曲線形式為尖頂波，最高幅度可以達到穩態電流的8～10倍，波形符合機車變壓器暫態電流特征.

圖 2 列車過分相區鋼軌電流波形與軌面電壓頻譜Fig.2 Waveform of rail current and spectrum of rail surface voltage when a train passes neutral zone

分相區暫態電流是一個周期性非正弦波形，采用前述諧波特性分析方法，對暫態過程鋼軌1 （距離現場采集設備近的鋼軌）電流數據做頻譜分析，匯總其諧波分布比例，僅列出31～40次諧波幅值大小，結果如表1所示.

表1數據表明，在軌道電路信號頻帶內，牽引電流35次諧波即1 750 Hz含量最高，其幅值為295 mA，占總電流比例0.61%.進一步分析諧波1 750 Hz時特性，由暫態過程鋼軌1和鋼軌2（距離現場采集設備遠的鋼軌）電流可求得總電流和軌道電路不平衡度，再由軌面電壓數據，易得1 750 Hz時軌道電路視入阻抗，數據見表2.

表 1 暫態諧波電流及比例Tab.1 Transient harmonic current and its proportion

表 2 諧波1 750 Hz時測試數據Tab.2 Filed test data in the case of 1 750 Hz harmonic

從表2可看出：（1）注意到歐標50238規定帶內各次諧波電流應不大于0.300 A；TB/T 3073諧波1 750 Hz限值為0.249 A，顯然，諧波總電流數據明顯超出上述限值規定.（2）軌道電路在1 750 Hz時存在較大不平衡度（約為 10%）.（3）由于 1 750 Hz諧波非常接近軌道電路工作載頻1 700 Hz，故二者視入阻抗也較為接近.

最后，將暫態電流前后的軌面電壓典型數據進行對比驗證，其頻譜分別如圖2（c）、（d）所示.

由圖2可得暫態電流前后軌面電壓中1 750 Hz頻譜分量數據.其中暫態前軌面電壓為8.3 mV（占11.3%），暫態過程中升為94.9 mV（占23.6%）.

該數據表明，在正常分路時，已存在一定的1 750 Hz諧波干擾電壓；而在暫態電流時刻，1 750 Hz及鄰近1 650 Hz等諧波大幅上升，且諧波干擾已顯著超過移頻信號幅值.顯然，機車過分相區引發的暫態電流，導致1 750 Hz諧波干擾更趨嚴重.

上述分析可知，若諧波干擾影響軌道電路的3個要素均具備，那么分相區軌道電路出現錯誤動作有其必然性.鑒于通過改進分相區設置及機車工作特性減小諧波電流較為困難，一方面，需降低軌道電路傳輸通道的不平衡度；另一方面，應通過優化軌道電路設計提高抗諧波干擾性能，下面重點討論.

2 帶內諧波干擾抑制方法

改善軌道電路防護諧波干擾性能的本質是提高SIR，因此，將SIR作為衡量軌道電路抑制諧波干擾效果的指標.軌道電路結構及抑制諧波干擾方案如圖3所示.N1～N15表示1 200 m軌道區段分為15個80 m小區段（包括補償電容）對應等效四端網，N1～N15隨著機車輪對位置變化而改變；NC、NP分別表示的是10 km模擬電纜和匹配變壓器的等效四端網，NS為可調衰耗器的等效四端網.

圖 3 軌道電路抑制諧波干擾示意Fig.3 Sketch of suppressing harmonic interference to track circuit

2.1 基于FPGA的FIR數字濾波器方案

濾波是抑制傳導性干擾的基本技術.其目的是在保留有用信號的基礎上濾除干擾.即在圖3中衰耗器與接收器之間插入一個具有特定頻率選擇性的濾波器.

2.1.1 濾波器設計指標和仿真方案

不失一般性，以載頻1 700 Hz為例，其調制信號最高頻率為29 Hz.由1 750 Hz頻譜分量數據，濾波器對諧波干擾的插入損耗應 ≥ 20 dB；同時，信號頻帶 1 700 ± 29 Hz（即 1 729 和 1 671 Hz）相對增益（相對于插入損耗）應 ≥ 18 dB.

考慮到諧波1 750 Hz與移頻信號頻帶非常接近，采用模擬濾波器實現非常困難，而數字濾波器更加適合.有限長脈沖響應（finite impulse response，FIR）數字濾波器不僅有良好的線性相頻特性，且具有穩定特性，在鐵路等行業廣泛應用[19-20].因信號頻率與干擾頻率十分接近，要求濾波器有足夠陡峭的過渡帶，低階FIR數字濾波器將達不到需求，而高階FIR數字濾波器將導致數字信號處理過程（digital signal processing，DSP）較長的處理時間.綜合考慮軟件開銷、資源投入后，采用基于FPGA （fieldprogrammable gate array）的FIR數字濾波器進行仿真，有成熟的算法和實現方式.

2.1.2 仿真結果及簡要分析

首先利用MATLAB中FDA （filter design & analysis）Tool生成濾波器所需參數.根據設計指標，帶通濾波器選擇凱澤窗函數設計FIR濾波器，主要參數為：設定衰減指標20 dB （主瓣與第一旁瓣比值）；根據采樣定理，采樣頻率應不小于2 × 1 750 Hz，故確定為5 000 Hz；考慮信號帶寬1 671～1 729 Hz，故截止頻率確定為1 665 Hz和1 735 Hz；計算可得濾波器階數為256階.可見，由于信號頻帶與諧波干擾非常接近，濾波器過渡帶非常陡峭，必須以較高階數作為代價，才能滿足設計指標.

下一步，根據FIR數字濾波器設計原理進行仿真，然后對輸入信號和輸出結果分別做FFT，獲得二者頻譜，最后對比濾波結果.可得輸入和輸出頻譜分別如圖4所示.

數字濾波器對信號和諧波干擾的濾波效果對比如表3所示.結果表明，盡管256階FIR濾波器基本達到預期效果，但在信號頻率1 671 Hz處衰減偏大.為取得更高的SIR，必須設計更高的階數，或者改進窗函數來完成設計.

進一步考慮方案在實際軌道電路工程應用的可行性，存在兩個不利因素：（1）增加濾波器或修改接收器軟件，將改變軌道電路軟硬件結構，從而對可靠性和安全性帶來潛在影響.（2）若采用高階數字濾波器，其處理延時將增加軌道電路系統的響應時間.

圖 4 輸入信號與輸出信號頻譜Fig.4 Spectra of input and output signals

表 3 數字濾波器衰減特性Tab.3 Attenuation characteristics of digital filter

2.2 軌道電路發送器和衰耗器協同優化方案

傳統的軌道電路調整表主要基于軌道電路一次調整的要求進行計算，未考慮信號干擾比因素.在1.2節所述典型案例中，注意到諧波干擾源自牽引電流，屬于電流源[21].在保證軌道電路移頻信號處于正常范圍的前提下，通過優化發送器功率輸出（可調電平為33～176 V）與衰耗器（匝數比為116∶（1～146））衰耗系數，可提高接收器SIR.

2.2.1 軌道電路協同優化模型

軌道電路從發送器到接收器可以等效為多個四端口網絡的級聯形式，利用此模型可以精確分析在不同發送電平、衰耗參數及軌道電路一次參數的條件下，軌道電路接收器電壓大小.四端網對應的傳輸矩陣均為2 × 2矩陣.以四端網N1舉例，根據傳輸線理論，四端網N1輸入/輸出端口的電流/電壓可寫成式（2）的形式.

式中：U和I分別為輸入端電壓和電流；Uout和Iout分別為輸出端電壓和電流；N1ij為四端網N1對應的傳輸矩陣N（x）第i行第j列對應元素，其中，i= 1，2，j= 1，2，x為分路輪對在軌道上的位置，機車位置的改變引起傳輸矩陣不斷變化.

諧波干擾是由于牽引電流由接觸網經電力機車輪對泄放至軌道中，進而由軌道流回到變電所，簡化為干擾電流由機車輪對向軌道兩側進行傳輸.圖3簡化后的軌道電路等效模型如圖5（a）所示.

圖5（a）中：VS為發送器輸出電平；F為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，其對應的傳輸矩陣為F（x）；Rf為機車輪對的等效分路電阻；IR為機車信號接收線圈線圈下方鋼軌信號電流；TZ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，其對應傳輸矩陣為TZ（x）；等效四端網 NS對應的可調匝數為N（1～146）；ZR為接收器阻抗；虛線框內為發送器經軌道電路至接收器級聯而成的四端網，其對應的傳輸矩陣為T（x）；定義ZRZ（x）為分路輪對到接收端的視入阻抗.

軌道電路接收器電壓VT和發送器后視入阻抗Zin分別為

機車在軌道運行時前方機車信號接收電流為

根據鐵路信號維護規則[22]，機車信號接收電流與機車信號電壓符合式（6）的定量關系：

軌道電路中存在的諧波干擾電流等效模型如圖 5（b）所示.圖 5（b）中：IF表示為干擾諧波電流源；Rf為分路電阻；ZZ表示分路輪對至接收端衰耗器前方的等效四端網，對應的傳輸矩陣為ZZ（x）；ZR為接收器等效電阻.

圖 5 軌道電路受擾模型Fig.5 Model of track circuit with interference

諧波干擾取最不利條件，即干擾諧波電流IF最大，傳輸阻抗最小（即機車分路輪對處于接收端位置時），此時有：

聯立式（7），并令I2= 0，根據戴維南等效電路可求得諧波干擾電流對軌道電路接收器影響電壓：

進而可得分路狀態條件下軌道電路受到諧波電流干擾下接收器疊加電壓為

而調整狀態時，即軌道區段無機車分路輪對，將發送器至接收器等效四端網為Tt，對應的傳輸矩陣為Tt（x），調整狀態時發送器后視入阻抗為Ztin，此時接收器電壓為

2.2.2 軌道電路協同優化流程

UM系列軌道電路正常工作時需要滿足3個條件[22]：（1）在調整狀態下，軌道電路接收器電壓（即軌出電壓）≥ 240 mV，軌道電路應可靠工作；（2）在軌道電路最不利條件下，使用標準分路電阻0.15 Ω在軌道區段的任意點分路時，接收器接收電壓（軌出電壓）應 ≤ 140 mV，軌道電路應可靠不工作；（3）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 ≥ 0.500 A，2 600 Hz時 ≥ 0.450 A.此3個條件構成待優化參數的約束條件，如式（10）所示.

優化方案目標為尋找出同時符合上述約束條件的發送電平VS和衰耗器可調匝數N的最優組合.

最優組合判據是：在保證軌道電路可靠工作前提下，調整狀態接收器電壓與經過衰耗器后在接收器上產生干擾電壓所決定的SIR最大值.首先，應注意到干擾類型既可能是本區段處于分路狀態下，也可能是鄰區段干擾到本區段調整（空閑）狀態，考慮到最不利情況，故仿真過程中采用故障注入的方式將干擾以軌面諧波的方式直接加在接收器端；第二，式（10）中，3種約束條件并非完全獨立，受干擾的軌道電路所處狀態可能是調整狀態也可能是分路狀態，且不同的線路參數也會影響最終結果.因此，優化步驟設計如下所示.

步驟1確定當前受干擾狀態是分路狀態或調整狀態.

步驟2在當前狀態條件下，經過3次判斷，找出符合所有約束條件的參數組合.

步驟3針對另一種受干擾狀態，重復步驟1與步驟2.

步驟4將符合兩種受干擾狀態的參數組合交集取出，篩選最優參數組合.

具體步驟流程見圖6.由于受干擾區段不可能同時處于分路狀態和調整狀態，因此進行約束條件判斷時流程圖采用順序結構，且實驗結果表明約束條件3次判斷順序對最終實驗結果無任何影響.

2.2.3 軌道電路協同優化模型仿真結果

圖 6 優化方法流程Fig.6 Flowchart of optimization method

以1.2節所述重載區段案例為例，干擾頻率選為1 750 Hz，軌面諧波干擾電壓取為95 mV，仿真采用以下參數[23]：載頻信號1 700 Hz，軌道電路長度1 200 m，鋼軌電阻1.70 Ω/km，鋼軌電感1 413 μH/km，補償電容46 μF，補償間距為80 m，模擬電纜長度為10 km，道砟電阻率取5 Ω·km.MATLAB仿真結果如圖7所示.

圖 7 優化后可取參數SIR示意Fig.7 SIR using optimized parameters

由圖7（a）可見，在調整狀態下，當發送電平81 V，衰耗器116∶43時，SIR最小值為13.84 dB.當發送電平 176 V，衰耗器 116∶44時，SIR為 19.58 dB；即不同參數組合的SIR存在6 dB差異.圖7（b）為圖7（a）的俯視圖，帶顏色區域即為可取參數組合范圍.

該故障區段調整表發送電平可選等級如表4所示.

表 4 某故障區段發送器電平等級表Tab.4 Transmission voltage levels used in a fault section

結合圖7與表4結果，在干擾電壓不變的前提下，表4中電平等級5未能滿足式（10）約束條件，將導致軌道電路不能可靠工作.因此后文中所選電平等級為1～4級，具體衰耗參數范圍及相應SIR如表5所示.可見，電平等級1～4滿足條件，但對應的SIR值相差近3 dB.

2.2.4 各狀態下優化組合指標及效果

分別取電平等級為1和4、相應衰耗參數最大或最小時的4組數據，考察不同的優化組合對軌道電路調整、分路（含機車信號）狀態的具體影響，并與電平等級為5的數據進行對比.其中，優化后分路狀態接收器信號殘壓取最不利值，并記錄對應的機車信號接收電壓及機車信號電流.具體數據如表6所示.

由圖7以及表6可看出，在滿足約束條件的情況下，不同的發送電平與衰耗參數組合最多將給調整狀態SIR帶來6 dB的顯著差異.

根據仿真結果，對上述重載故障區段發送和接收配置進行優化調整，“閃紅”故障完全消除，已穩定應用超過1年.

表 5 不同電平等級對應衰耗參數Tab.5 Attenuation values for different voltage levels

表 6 不同電平等級下優化組合仿真數據Tab.6 Simulation data of optimization strategy under different voltage levels

3 結 論

首先通過對分相區牽引電流暫態電流的采集數據分析，說明了其諧波成分在具備一定條件下將對軌道電路足以形成干擾.然后以載頻1 700 Hz和諧波1 750 Hz為例，從直接抑制諧波干擾的角度，簡要討論了“基于FPGA的FIR數字濾波器方案”，指出由于信號頻帶與諧波干擾非常接近，必須以較高階數作為代價；同時，除處理延時外，增加濾波器將影響軌道電路可靠性和安全性，因此難以應用于工程實踐.

基于諧波干擾的電流源特征，重點提出并闡述了“軌道電路發送器和衰耗器的協同優化方案”.對軌道電路自身的可調參數進行優化，即通過合理配置發送器的發送電壓和衰耗器衰耗級數來實現，二者的協同優化應同時滿足軌道電路調整、分路和機車信號狀態的約束條件，實現對諧波干擾的抑制效果，具有以下優點：（1）基于對軌道電路的結構參數優化，不需改變原有系統硬件和軟件.（2）協同優化方案不存在數字濾波方案的延時問題.（3）在保證對接收器電壓符合“維規”要求的情況下，明顯提高調整狀態的信干比.（4）在對干擾諧波電壓進行衰減的同時，保證信號電壓基本無衰減.目前，該方案已成功應用于鐵路現場故障區段，對于軌道電路調整和諧波干擾防護顯示了應用價值.

致謝：感謝朔黃鐵路發展有限公司王玉麟工程師對本文所做的貢獻.