ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路與ZPW-2000A軌道電路的差異性研究

李 恒

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

1 概述

在蘭州西站存車場施工改造過程中，為解決分路不良問題，選用ZPW-2000A·TM 系列移頻脈沖軌道電路。該軌道電路屬于新型站內(nèi)軌道電路產(chǎn)品，于2017 年9 月獲得鐵路產(chǎn)品認(rèn)證（CRCC）證書，應(yīng)用案例少，設(shè)計(jì)資料還不豐富，更不與現(xiàn)有的自動(dòng)閉塞制圖軟件相兼容匹配。現(xiàn)從鐵路信號(hào)設(shè)計(jì)者的角度研究ZPW-2000A·TM 系列移頻脈沖軌道電路（以下簡稱移頻脈沖軌道電路）與既有成熟ZPW-2000A·T 系列軌道電路（以下簡稱ZPW-2000A 軌道電路）的差異，為今后移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

2 移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)的優(yōu)勢

移頻脈沖軌道電路是在既有成熟ZPW-2000A 軌道電路基礎(chǔ)上，結(jié)合不對(duì)稱高壓脈沖軌道電路制式的特點(diǎn)，以高電壓多頻率不對(duì)稱脈沖信號(hào)和移頻信號(hào)兩者的混合信號(hào)為傳輸信號(hào)的一種新型站內(nèi)軌道電路。該新型軌道電路充分發(fā)揮兩種信號(hào)的各自優(yōu)勢：移頻信號(hào)易于機(jī)車發(fā)碼，實(shí)現(xiàn)斷軌檢查；脈沖信號(hào)可以改善分路不良，實(shí)現(xiàn)絕緣破損檢查。針對(duì)ZPW-2000A軌道電路在站內(nèi)應(yīng)用過程中存在的問題，對(duì)移頻脈沖軌道電路的技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行闡述分析。

2.1 解決分路不良

軌道電路分路不良是一個(gè)世界性的難題，銹蝕的、煤渣粉塵污染的軌道區(qū)段易發(fā)生分路不良，目前整治方法主要有鋼軌噴涂、高壓脈沖、3V 化等措施。高壓脈沖軌道電路就是利用高電壓擊穿鋼軌鐵銹等不良導(dǎo)電層，且擊穿后仍保證較大的擊穿電流以維持較低電阻，從而解決軌道電路分路不良。移頻脈沖軌道電路成功運(yùn)用了高壓脈沖軌道電路的技術(shù)特點(diǎn)，將移頻信號(hào)和脈沖信號(hào)疊加后輸出，利用“與”的邏輯關(guān)系進(jìn)行軌道電路“空閑”狀態(tài)判定，任一信號(hào)符合分路狀態(tài)條件時(shí)，均認(rèn)為軌道電路“占用”，從而提高軌道電路可靠性，解決站內(nèi)分路不良。通過試驗(yàn)與分析，ZPW-2000A 移頻脈沖軌道電路可以有效解決分路不良問題，對(duì)比噴涂等其他分路不良整治措施，便于運(yùn)營維護(hù)，更具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢。

2.2 實(shí)現(xiàn)絕緣破損檢查

ZPW-2000A 軌道電路不具備站內(nèi)絕緣破損檢查功能，既有線路必須實(shí)施絕緣破損防護(hù)改造，防止絕緣破損后越區(qū)信號(hào)干擾車載工作。移頻脈沖軌道電路可以利用傳輸信號(hào)中不對(duì)稱脈沖成分的特性，且相鄰軌道區(qū)段滿足極性交叉安裝原則，便可實(shí)現(xiàn)絕緣破損檢查功能。詳細(xì)來說，絕緣破損后，相鄰軌道區(qū)段的傳輸信號(hào)會(huì)侵入本區(qū)段，造成本區(qū)段脈沖信號(hào)的頭尾比關(guān)系發(fā)生變化。以此為依據(jù)，就可以判斷絕緣節(jié)已破損，使破損區(qū)段出現(xiàn)紅光帶，實(shí)現(xiàn)絕緣破損檢查。對(duì)比ZPW-2000A 軌道電路，移頻脈沖軌道電路不再需要絕緣破損改造，減少了工程投資，為絕緣破損防護(hù)提供了新的選擇。

2.3 避免機(jī)械絕緣節(jié)燒損

高速鐵路牽引電流大、站場股道多，為了避免股道處軌道電路構(gòu)成迂回，形成“第三軌”，站內(nèi)側(cè)線一側(cè)機(jī)械絕緣節(jié)處的扼流變壓器中性點(diǎn)需斷開，形成回流切斷點(diǎn)，這種情況俗稱“一頭堵”。當(dāng)列車啟動(dòng)時(shí)，鋼軌中會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的牽引電流。由于存在回流切斷點(diǎn)，牽引電流只能從單側(cè)回流，一旦鋼軌回流不暢，就會(huì)在該機(jī)械絕緣節(jié)兩端形成較大的電位差。在列車輪對(duì)通過該絕緣節(jié)時(shí)，牽引回流會(huì)在短時(shí)間內(nèi)由導(dǎo)通變?yōu)榍袛啵涂赡茉斐衫　⒎烹姡瑖?yán)重時(shí)燒損鋼軌接頭和絕緣節(jié)。ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)目前無法有效解決絕緣燒損問題。針對(duì)這一難題，移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)在側(cè)線股道牽引回流切斷點(diǎn)處，配套使用了回流電抗器，連通了側(cè)線股道回流切斷點(diǎn)兩側(cè)的扼流變壓器中性點(diǎn)，避免“一頭堵”情況。回流電抗器對(duì)50 Hz 牽引電流呈現(xiàn)低阻抗，可以導(dǎo)通牽引電流；對(duì)移頻信號(hào)呈現(xiàn)高阻抗，可以避免越區(qū)迂回。這樣就實(shí)現(xiàn)了側(cè)線股道的雙端回流，在隔離移頻信號(hào)的同時(shí)，平衡機(jī)械絕緣節(jié)兩端電壓，避免切斷點(diǎn)處軌頭、絕緣節(jié)拉弧燒損。

3 移頻脈沖軌道電路與ZPW-2000A軌道電路的系統(tǒng)一致性分析

3.1 系統(tǒng)接口的一致性

與ZPW-2000A 軌道電路相比，移頻脈沖軌道電路的功能更加完善，性能也有所提高。但是鐵路工程設(shè)計(jì)者還希望兩者的系統(tǒng)外部接口盡量一致，設(shè)計(jì)框架相似，室內(nèi)外設(shè)備復(fù)用程度高，這樣才能避免設(shè)備繁多復(fù)雜，便于升級(jí)改造，節(jié)約投資成本。根據(jù)分析比較，移頻脈沖軌道電路與ZPW-2000A軌道電路的系統(tǒng)外部接口標(biāo)準(zhǔn)基本一致。

1) 設(shè)備與列控中心通信接口均按照《高鐵列控中心接口暫行技術(shù)規(guī)范》（TJ/DW172-2015）執(zhí)行，采用CAN 總線控制方式。

2) 移頻信號(hào)基準(zhǔn)載頻均包括1 700 Hz、2 000 Hz、2 300 Hz、2 600 Hz，基準(zhǔn)載頻均派生-1 型載頻和-2 型載頻，均提供18 種低頻調(diào)制信號(hào)；

3) 在供電需求方面，ZPW-2000A 單段軌道電路區(qū)段功耗不超過180 VA，而移頻脈沖單段軌道電路功耗不超過200 VA；

4) 與車載設(shè)備仍有良好的兼容性。疊加高壓脈沖信號(hào)對(duì)機(jī)車信號(hào)車載系統(tǒng)的譯碼無明顯影響，機(jī)車信號(hào)車載系統(tǒng)可以正常工作；

5) 均能驅(qū)動(dòng)JWXC-1700 安全型軌道繼電器，且方向切換電路、停電監(jiān)督電路可以復(fù)用；

6) 軌道電路區(qū)段長度大于或等于300 m 時(shí)，均設(shè)置容值為25 μF 的全密封補(bǔ)償電容，補(bǔ)償電容設(shè)置方式相似。

3.2 系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成的一致性

在系統(tǒng)原理框架和設(shè)備構(gòu)成方面，移頻脈沖軌道電路與ZPW-2000A 軌道電路基本一致。室內(nèi)設(shè)備均包括軌道電路機(jī)柜、接口柜、防雷模擬網(wǎng)絡(luò)組匣、發(fā)送器、接收器、防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤、分線采集器等，室外設(shè)備均包括扼流變壓器、補(bǔ)償電容等。兩者系統(tǒng)原理的主要區(qū)別在于前者的發(fā)送器以移頻和脈沖的混合信號(hào)作為輸出，通過衰耗冗余隔離器實(shí)現(xiàn)兩種信號(hào)的分離過濾，再由接收器分別完成移頻信號(hào)和脈沖信號(hào)的特征處理，根據(jù)“與”的邏輯關(guān)系判斷區(qū)段空閑狀態(tài)。這種新型軌道電路系統(tǒng)還集成簡化了軌旁設(shè)備，使用移頻脈沖扼流變壓器代替原有“帶適配器的扼流變壓器+站內(nèi)匹配變壓器”的組合方式，維護(hù)工作更加簡單。此外，移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)在站內(nèi)牽引回流切斷點(diǎn)處按需使用回流電抗器，用于實(shí)現(xiàn)雙端回流。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的一致性

由于兩者在系統(tǒng)外部接口、設(shè)備構(gòu)成框架上基本一致，移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)可以沿用ZPW-2000A 站內(nèi)軌道電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和應(yīng)用習(xí)慣。在本次設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，兩者間仍存在一些不可忽視的設(shè)計(jì)差異，需在現(xiàn)有自動(dòng)閉塞制圖軟件的圖庫基礎(chǔ)上加以更新。

在室內(nèi)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)如下。

1) 盡管兩者的設(shè)備尺寸、框架接口基本一致，但從合理規(guī)劃，便于維護(hù)，減少故障點(diǎn)干擾的角度考慮，移頻脈沖軌道電路設(shè)備與ZPW-2000A 軌道電路設(shè)備宜獨(dú)立分柜設(shè)置。

2) 為實(shí)現(xiàn)對(duì)軌入混合信號(hào)中高壓脈沖成分的分離監(jiān)測功能，移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)采用了新型ZPW.CEM 型分線采集器。該分線采集器設(shè)備內(nèi)部電路由信號(hào)輸入隔離采集電路、信號(hào)處理電路和CAN 通信電路組成，可對(duì)送、受端防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤電纜側(cè)或設(shè)備側(cè)信號(hào)的電壓、載頻、低頻、峰頭電壓、峰尾電壓、脈沖頻率進(jìn)行采集測量。與ZPW-2000A 軌道電路所采用的ZPW.CE2 型分線采集器不同，ZPW.CEM 型分線采集器的采集點(diǎn)為接口柜零層端子。

3) 在接口柜滿配置軌道區(qū)段數(shù)量方面，移頻脈沖軌道電路比ZPW-2000A 軌道電路有所減少。接口柜用于放置防雷模擬網(wǎng)絡(luò)組匣及分線采集器，每個(gè)移頻脈沖軌道電路的接口柜內(nèi)可放置8 層防雷模擬網(wǎng)絡(luò)組匣；每層防雷模擬網(wǎng)絡(luò)組匣固定配置2 臺(tái)分線采集器和6 臺(tái)防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤；接口柜零層端子D1～D8 為防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤電纜側(cè)信號(hào)連接端子，D9～D16 為防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤設(shè)備側(cè)信號(hào)連接端子。而ZPW-2000A 軌道電路接口柜內(nèi)可放置9層防雷模擬網(wǎng)絡(luò)組匣；除第一層外，每2 層防雷模擬網(wǎng)絡(luò)組匣配置3 臺(tái)分線采集器和12 臺(tái)防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤，接口柜零層D1～D9 端子用于防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤電纜側(cè)信號(hào)連接，D10～D18 端子用于防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤設(shè)備側(cè)信號(hào)連接。兩者接口柜滿配置設(shè)備的數(shù)量差異如表1 所示。

此外，移頻脈沖軌道電路取消了ZPW-2000A軌道電路防雷模擬網(wǎng)絡(luò)組匣背面原有的兩個(gè)3×18柱側(cè)面端子，防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤設(shè)備側(cè)及電纜側(cè)信號(hào)不再經(jīng)過側(cè)面端子板，而是直接接入接口柜零層。

在室外設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)如下。

1) ZPW-2000A 一體化軌道電路的電纜最大設(shè)計(jì)長度應(yīng)不大于10 km。在國內(nèi)客專線上，站內(nèi)軌道電路區(qū)段的電纜長度基本小于2.5 km，所以無需考慮電纜最大傳輸長度的設(shè)計(jì)約束。而移頻脈沖軌道電路單芯電纜最大傳輸距離不大于0.75 km，該指標(biāo)是由軌旁設(shè)備最大容許壓降以及電纜標(biāo)準(zhǔn)環(huán)阻所決定的，不滿足要求時(shí)，可以采用雙芯并聯(lián)的方式降低電纜環(huán)阻，但仍不可大于1.5 km，且并芯后電纜斷芯不易檢查，導(dǎo)致軌面電壓降低，增加產(chǎn)生分路不良的可能。在本次蘭州西站存車場移頻脈沖軌道電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中，由于站型設(shè)置特殊，其電纜設(shè)計(jì)長度有幾處超過了2 km，經(jīng)專業(yè)人員依據(jù)實(shí)際情況仿真計(jì)算后，采用將軌道區(qū)段長度縮短或電纜并聯(lián)三芯的方式，以控制設(shè)備壓降在允許范圍之內(nèi)。

表1 接口柜滿配置設(shè)備數(shù)量差異表Tab.1 Differences between the numbers of devices of an interface cabinet (fully configured)

2) 為了防止絕緣失效后相鄰區(qū)段間串頻干擾，ZPW-2000A 系列軌道電路要求絕緣節(jié)兩側(cè)區(qū)段應(yīng)設(shè)置為不同載頻類型或不同基準(zhǔn)載頻。移頻脈沖軌道電路在滿足上述規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，還要兼顧不對(duì)稱高壓脈沖信號(hào)的特性，在相鄰區(qū)段安裝時(shí)應(yīng)進(jìn)行極性交叉，確保實(shí)現(xiàn)絕緣破損防護(hù)的功能。

4 結(jié)束語

ZPW-2000A 移頻脈沖軌道電路融合了ZPW-2000A 軌道電路和高壓脈沖軌道電路兩者的技術(shù)優(yōu)勢，將移頻信號(hào)和脈沖信號(hào)疊加在一起進(jìn)行傳輸，一次性解決站內(nèi)分路不良、絕緣破損無法檢查、絕緣節(jié)易燒損等難題。同時(shí)，該新型軌道電路系統(tǒng)與原有系統(tǒng)一致性高，維護(hù)習(xí)慣相似，且維護(hù)設(shè)備數(shù)量少，是目前最理想的站內(nèi)軌道電路應(yīng)用方案。