ZPW-2000A移频脉冲轨道电路系统研究

任 军鲁恩斌

（1.北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073；2.武汉铁路局电务处，武汉 430071）

ZPW-2000A移频脉冲轨道电路系统研究

任 军1鲁恩斌2

（1.北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073；2.武汉铁路局电务处，武汉 430071）

阐述ZPW-2000A移频脉冲轨道电路的功能、系统构成、主要设备的工作原理。对ZPW-2000A移频脉冲轨道电路传输安全性问题，包括解决分路不良、绝缘破损检查、道岔跳线断线的列车分路检查、断轨检查、站口两端复线间横向连接线的同时设置、“绝缘单破损+列车分路侧扼流单断线”的列车分路等进行分析。

ZPW-2000A；脉冲信号；移频信号；轨道电路；传输安全性

为解决全路既有轨道电路存在的分路不良、断轨断线、绝缘破损、道岔跳线断线等诸多问题，在既有成熟的ZPW-2000A轨道电路和高压脉冲轨道电路基础上，北京全路通信信号研究设计院有限公司于2009年开始研制ZPW-2000A移频脉冲轨道电路系统，系统于2010年6月完成了室内样机的研制工作，并于2010年7月通过了原铁道部专家组的室内审查测试。根据原铁道部安排，系统于2010年9月在武汉局下辛店车站全站开始现场试用。2013年12月，更换为正式定型设备。2014年10月，系统技术（暂行）条件通过了铁路总公司技术评审。

1 ZPW-2000A移频脉冲轨道电路的主要功能

ZPW-2000A移频脉冲轨道电路是吸收国内外站内轨道电路先进技术，在既有成熟运用经验的ZPW-2000A轨道电路基础上，混合高电压多频率不对称脉冲信号和移频信号而构成的一种新型站内轨道电路。系统的最大特点是发送器输出的信号是由移频信号和脉冲信号混合而成。系统具备下列基本功能：

1）调整状态时，实现区段空闲检查。

2）分路状态时，实现区段列车占用检查。

3）实现向车载信号设备信息的传输。

2 ZPW-2000A移频脉冲轨道电路的系统构成

ZPW-2000A移频脉冲轨道电路由室外设备和室内设备2部分组成。室外设备包括电缆、扼流变压器、补偿电容、并联分支钢轨连接线、扼流变压器钢轨引接线及回流电抗器等。室内设备包括发送、接收、电缆长度补偿、发送端冗余切换、接收端信号分离、电平调整及监测设备等。

系统构成如图1所示。站内发送器根据列控中心下发的编码条件，输出相应的脉冲移频信号，先经“1+1”转换、方向电路、防雷模拟网络送至室外电缆，由扼流变压器传输至轨道送端，信号通过钢轨传输至受端后，经扼流变压器传输至衰耗冗余隔离器。衰耗冗余隔离器将移频信号和脉冲信号进行分离后，由站内接收器对脉冲信号和移频信号独立进行解析。移频信号和脉冲信号以“与”的逻辑关系，即任一信号低于门限值以下，轨道继电器处于落下状态。心点

图1 ZPW-2000A移频脉冲轨道电路系统结构框图

3 主要设备工作原理

3.1 站内发送器

站内发送器原理如图2所示。站内发送器由双处理器、CAN通信、编码输入条件、移频信号发生器、移频功率放大电路、DC-DC高压电源、脉冲充放电电路、安全与门电路、移频检测电路、脉冲检测电路、移频脉冲混合输出电路组成。

站内发送器用于产生高精度、高稳定的移频和脉冲混合信号源，可以通过CAN通信总线传输和继电编码两种方式作为低频和载频选择，系统采用“1+1”冗余方式，以提高系统可靠性，主要完成如下功能：

1）实时的数据通信；

2）产生18种低频、8种载频的高精度、高稳定、足够功率的移频信号；

3）产生8种频率的高压脉冲信号；

4）移频信号和脉冲信号的混合输出；

5）系统故障检测并给出报警及“1+1”冗余切换条件；

6）对设备进行自检，故障时通过总线向监测维护主机发出报警信息。

3.2 站内接收器

站内接收器原理如图3所示。站内接收器由双处理器、CAN通信、编码输入条件、AD采样电路、安全与门电路等组成。

站内接收器可接收并处理钢轨回馈的移频信号和脉冲信号。该接收器可以通过CAN总线传输和继电编码两种方式作为移频和脉冲信号的频率选择，可以同时处理两个区段的信号，系统采用双机并联运用冗余，以提高系统可靠性，完成如下功能：

1）对轨道电路移频信号的解调处理；

2）对轨道电路脉冲信号的解调处理；

3）移频信号和脉冲信号的“与”逻辑判断，动作轨道继电器；

4）对设备进行自检，故障时通过总线向监测维护主机发出报警信息。

图2 站内发送器原理框图

图3 站内接收器原理框图

4 ZPW-2000A移频脉冲轨道电路的传输安全性

在传输安全性上，ZPW-2000A移频脉冲轨道电路集中了音频及脉冲轨道电路诸多方面的优势，采用数字信号处理技术，在满足地车移频信息传输的前提下，解决了多年来全路提出的多项轨道电路传输技术安全性问题。

4.1 高压脉冲解决轨道电路分路不良

近些年，全路站内轨道电路分路不良问题表现突出，研究表明分路不良的根本原因是轮轨接触踏面不良导电层导致轮轨接触电阻出现异常，列车占用时不能实现对轨道电路的电气短路，无法完成列车占用检查。我国客运专线普遍采用站内一体化轨道电路，轨面电压按照有效值不小于0.8 V设计，在较长时期不走车的情况下，无法可靠分路。

根据世界各国经验，解决轨道电路分路不良主要是通过提升轨面间电压实现对轮轨间不良导电层击穿的方式解决。ZPW-2000A移频脉冲轨道电路在系统按如下条件进行设计：最低道砟电阻≥2 Ω·km股道、区段最大长度为650 m或道岔区段最大长度为400 m时，轨面脉冲电压≥50 V。该指标满足国际铁路联合会UIC所提出的推荐值，将有效解决轨道电路分路不良问题。

4.2 高压脉冲实现绝缘破损检查

站内一体化轨道电路采用载频交叉排列方式，相邻轨道区段使用不同载频，即使绝缘节破损，也不会出现轨道电路失去分路的问题。因此，绝缘节破损并不危害轨道电路自身的安全性，但从列控系统的角度分析，绝缘节破损后，列控车载设备会接收到入侵区段的车载信号，造成列控车载设备按错误的信息控车。

在ZPW-2000A移频脉冲轨道电路系统中，脉冲信号同样采用极性交叉排列的方式，如图4所示，正常条件U峰头/U峰尾判定头尾比介于预定范围内（1∶2～1∶8），在相邻区段信号侵入后，头尾比为U峰头/U入侵，将超出正常的头尾比范围，从而判定为绝缘破损，打落轨道继电器，完成绝缘破损检查。

图4 绝缘破损信号示意图

4.3 高压脉冲解决道岔跳线断线时的列车分路检查

一体化轨道电路在道岔区段采用并联跳线的方式，跳线间距约20 m。如图5所示，当并联跳线断线时，列车轮对等效在直股上的分路电阻Zf将改变为Zf′=Zf+Zg，Zg为附加钢轨回路阻抗。移频信号频率为1 700～2 600 Hz，钢轨阻抗按照14 Ω/km考虑，20 m钢轨阻抗即为0.28 Ω，而轨道电路分路灵敏度为0.25 Ω。因此跳线断线将严重影响轨道电路的分路性能，甚至失去分路。

图5 一体化轨道电路道岔跳线及断线示意图

低频信号的钢轨阻抗远远小于移频信号，以25 Hz为例，钢轨 阻抗≤0.62 Ω/km，达到0.25 Ω的环路阻抗需要403 m钢轨长度。脉冲信号主要由低频信号构成。因此，采用脉冲能够容忍更大长度钢轨上的连接线缺失而不会导致丧失分路。

4.4 断轨检查

由轨道电路实现断轨检查，这是一个老问题。人们通常相信轨道电路的主要功能是检查列车占用轨道，但是它也能够检查断轨。

如图6所示，当轨道发生物理折断时，ZPW-2000A移频脉冲轨道电路能够确保接收器的输入残压处于门槛值以下。即使存在如图7所示的信号迂回通道，依据对ZPW-2000A移频脉冲轨道电路的计算，只要确保迂回通道长度≥1 500 m，就能实现断轨检查。图7中，若在迂回回路中串入等效于1 500 m钢轨阻抗的回流电抗器，则即使迂回通道的极限长度为0，ZPW-2000A移频脉冲轨道电路也能实现断轨检查。

图6 断轨示意图

4.5 车站两端站口复线间横向连接线的同时设置

复线站口两端不设置横向连接，将造成上下行钢轨之间牵引不平衡系数加大，形成积累的电压差，可能危及到作业人员的人身安全。若设置横向连接，则迂回回路对轨道电路将造成影响。ZPW-2000A移频脉冲轨道电路系统在确保车站两端站口复线间横向连接线的设置距离＞1 500 m的情况下，可在站口两端站口复线间同时设置横向连接线。

图7 断轨失去分路示意图

4.6 “绝缘单破损+列车分路侧扼流单断线”的列车分路

在相敏轨道电路中，采用相邻区段设置为不同极性进行绝缘破损的防护，但是在多年运用中发现，在绝缘破损、扼流引接线单侧断线、相邻区段有车条件下能够通过列车轮对构成同极性信号导致相邻区段接收端错误吸起，如图8所示。

图8 破损+单断线+占车错误吸起电路示意图

在ZPW-2000A移频脉冲轨道电路系统中，两个相邻区段的脉冲信号频率特征各不相同，虽然主串区段可通过该故障模式将脉冲信号极性交叉，但脉冲信号的频率特征不符合被串区段的特征。

5 ZPW-2000A移频脉冲轨道电路的系统可靠性

在系统可靠性上，ZPW-2000A移频脉冲轨道电路特点为：

1）室外仅设置一个无源的扼流变压器箱；

2）电子设备按室内集中设置的原则；

3）站内发送器、接收器均采用一体化单一结构；

4）保持了既有客运专线行之有效的发送“1+1”故障检测自动转换、接收“0.5+0.5”双机并联运用冗余设计；

5）实现发送、接收设备与列控中心控制命令及特性检测故障报警信息的直接实时交互。

6 结束语

ZPW-2000A移频脉冲轨道电路综合了移频轨道电路和高压脉冲轨道电路的优点，将这两种制式轨道电路巧妙的合二为一，构成一种新型的站内轨道电路。ZPW-2000A移频脉冲轨道电路在传输安全性设计、系统可靠性设计、多信息一体化结构设计及系统性能价格比上均处于国际领先地位。

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The paper introduces the main functions, system composition and operational principles of the main devices of ZPW-2000A frequency-shift modulated and impulse track circuit system, and analyzes the transmission safety issues of the system, including loss of shunting, detection of track insulation faults, detection of switch's jumper in a train shunt, broken rail detection, setting a cross-over line for doubletracks at both ends of the station and "single track insulation broken and choke transformer disconnection in the side of train shunt" etc..

ZPW-2000A; impulse signal; frequency shift signal; track circuit; transmission safety

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.03.003

2015-03-10）

北京全路通信信号研究设计院有限公司科技研究课题项目（YK-2010K07）