机车车辆与轨道电路的兼容性标准分析与探讨

黄　金

(中国铁道科学研究院　机车车辆研究所， 北京 100081)



机车车辆与轨道电路的兼容性标准分析与探讨

黄金

(中国铁道科学研究院机车车辆研究所， 北京 100081)

机车车辆与轨道电路作为铁路系统的两大主要部分，其工作兼容性水平关系到运输安全及设备的维护。国际标准CLC/TS 50238-2规定了机车车辆产生的干扰电流的限值要求以及测试方法，我国仅对该标准进行了转标。然而该标准在欧洲属于待修改草稿标准，其权威性和合理性仍未得到证实，尤其是对于我国机车车辆和轨道电路兼容性测试和评判指标的适用性仍未可知，在进行转标过程中也未对适用性进行考虑。因此本文就该标准进行分析，结合某型动车组的轨道电路兼容性测试对该标准的适用性和可操作性进行论述。

机车车辆; 轨道电路; 兼容性

随着越来越多客运专线的建设运营和大功率机车车辆的应用，列车运营密度和速度不断提高，对系统安全性和稳定性的要求也越来越高。机车车辆与轨道电路作为庞大铁路系统的两大重要组成部分，其工作兼容性受到人们的关注。

轨道电路是利用钢轨作为导体传递信息的电路系统，其可以反映轨道区段是否空闲与是否完整，有时还向机车传递信息，与机车车辆牵引回流共用一个通道，两者共用相同的电磁环境，兼容性关系复杂。两者均有相应的电磁兼容标准，机车车辆遵循GB/T 24338.3《轨道交通 电磁兼容 第3-1部分 机车车辆 列车和整车》，轨道电路遵循GB/T 24338.5-2009《轨道交通 电磁兼容 第4部分：信号和通信设备的发射与抗扰》。两个系统在投入运用时均应通过这两个国家标准规定的电磁兼容检测。但是标准中并未对两者之间的传导兼容性进行规定。国际标准CLC/TS 50238-2规定了机车车辆产生的干扰电流的限值要求以及测试方法，然而该标准在欧洲属于待修改草稿标准，其权威性和合理性仍未得到证实，尤其是对于我国机车车辆和轨道电路兼容性测试和评判指标的适用性仍未可知，因此本文就该标准进行分析，结合某型动车组的轨道电路兼容性测试对该标准的适用性和可操作性进行分析。

1　国内装备现状

1.1轨道电路

我国轨道电路按用途主要可分为站内、区间、驼峰和道口轨道电路4种[1]。

(1)站内轨道电路。适用于站内的有480 Hz、25 Hz等制式。站内轨道电路还可分为无岔区段、有岔区段和股道3种。

(2)区间轨道电路。适用于区间(包括电码化)的有交流计数、移频、ZPW2000和UM71等制式。

(3)驼峰轨道电路。适用于驼峰下分路道岔区段的有可用于非电化区段的JWXC-2.3型交流闭路式轨道电路，和可用于电化区段的JWXC-2.3型直流闭路式轨道电路。

(4)道口轨道电路。适用于铁路与公路的平交道口接近报警或离去解除报警用。适用于道口报警的主要有DK/SW、DK/Y3道口控制器和道口计轴装置等。

重点讨论的轨道电路为ZPW-2000A系列轨道电路，该轨道电路引自法国UM71系列，经适应性改造及国产化后投入我国各主要干线使用。ZPW-2000A轨道电路在设计中为避开电气化区段牵引电流谐波对轨面信号的干扰，选用了4个较高的载频信号： 1.7，2，2.3，2.6 kHz，频偏为±11 Hz，同时共有从1.03 Hz开始按1.1 Hz等差数列递增至29 Hz的18种低频信息。因此其在钢轨中传递的移频信号由载频、频偏和低频调制信号三者构成，示意图如图1所示。

1.2机车车辆

经过引进消化吸收创新，我国机车车辆装备水平有了大幅提高，交流传动机车、动车组已逐渐取代直流传动机车成为主流。相对直流传动，交流传动存在许多优势，如网侧功率因数的提高和谐波含量的降低。交流传动技术由于网侧采用了四象限脉冲整流器技术，其网侧功率因数可接近1，同时网侧谐波含量大幅降低。但随之而来的是谐波分布也发生了变化，直流机车基本不含有高次谐波，而交流传动机车/动车组由于网侧脉冲整流器多重化，均采用了载波移相技术，存在较为明显的高次谐波。高次谐波分布与开关频率和载波移相的牵引绕组个数有关。图2为某型动车组典型网侧电流谐波分布图。

图1　钢轨中传递的移频信号示意图

图2　动车组典型网侧电流谐波分布图

1.3轨道电路与机车车辆的兼容性

一般来说，机车车辆牵引系统和轨道电路之间存在3种耦合关系：静电耦合、传导耦合和电磁耦合，与之相对应也会产生3种干扰，大多数兼容性问题也从这3个方面展开研究。机车车辆与轨道电路之间的传导耦合关系存在两种形式：不平衡电流和谐波电流。牵引电流回流通过一段钢轨及大地流回变电所，两根钢轨分流了牵引电流回流，当钢轨连续线接触不良时，两根钢轨中的回流就会产生不平衡电流。TB/T 3206《ZPW 2000轨道电路技术条件》中规定：轨道电路所适用的交流电力牵引区段，牵引电流不应大于2 000 A、钢轨电流不平衡系数不应大于10%。然而标准中对于牵引回流的谐波干扰并未提及[2]。TB/T 3073-2003《铁道信号电气设备电磁兼容性试验及其限值》提出了轨道电路应满足的谐波限值，但该标准已废除，且该标准中限值以直流传动电力机车为参考提出，在目前交流传动机车及动车组广泛应用的情况下，谐波分布规律和限值也已不再适用。CLC/TS 50238-2《轨道交通 机车车辆与列车检测系统的兼容性 第2部分：与轨道电路的兼容性》则明确了高频谐波的一些测试方法和评判标准。

2　CLC/TS 50238-2标准

2.1标准介绍

CLC/TS 50238-2标准由欧洲电工标准化委员会提出，标准性质为草案待修改。其作为轨道电路和机车车辆兼容性标准，提出了测试方法和对高频信号干扰的评判标准。作为EN 50238系列标准的有效补充，指导使用。EN 50238系列标准作为欧洲轨道机车车辆和列车检测系统兼容性标准，目前共包括3个主要部分：第1部分 总则；第2部分 与轨道电路的兼容性；第3部分：与计轴器的兼容性。第1部分总则作为通用原则，作为独立标准与2003年发布，由于缺少具体操作方式和评判，因此实施性较差，由此提出了第2部分和第3部分作为系列标准的补充。第2部分和第3部分标准于2010年发布，目前仍为草案形式。

CLC/TS 50238-2标准中主要涉及的轨道电路形式见表1。从表1中可以看出，仅UM71型轨道电路适用于我国轨道电路。

表1　CLC/TS 50238-2标准中涉及的轨道电路形式

引用标准包括CLC/TR 50507《轨道交通-欧洲铁路既有轨道电路干扰限值》，其性质为研究报告，具有很强的针对性。我国目前并没有相应的轨道电路电磁兼容标准，因此如若转成国标，可参考数据仅有ZPW-2000 无绝缘轨道电路(交流牵引系统)、UM71无绝缘轨道电路(交流牵引系统)、FTGS46/FTGS917 无绝缘轨道电路(直流牵引系统)、FS2500 轨道电路(直流牵引系统)。

2.2CLC/TS 50238-2标准测试及评估方法

2.2.1测试系统

标准中描述的测量和评估方法用于对列车影响单元在整条线路的回流进行分析。标准中所提到的影响单元包括各类牵引子系统，如单台机车，多动力单元动车组。测试参量可以是整列列车牵引总网流，也可以是单台牵引变压器原边电流(回流)，对于测试单台牵引变压器原边电流的情况，标准中给出了相应的累加原则及累加系数。测试系统结构框图如图3所示。测试系统应带有抗混叠滤波器，采集系统A/D转换分辨率应不低于16位，电流测量的采样频率高于 48 kHz。

图3　兼容性测试框图

2.2.2列车工况及测试地点要求

CLC/TS 50238-2标准对于列车运行工况进行了详细的规定，涵盖了机车车辆在运用过程中可能遇到的正常运行工况和故障运行工况，如牵引、制动、恒速、过分相、部分动力运行、空转滑行工况。速度级需从0变化至列车允许的最高速度。另外，为了区分背景谐波水平，标准中还规定了静态工况的测量，包括列车静置，无辅助用电工况(受电弓降下)、列车静置，有辅助供电工况(受电弓升起，辅机起动)。多种工况设置保证了对机车车辆和轨道电路兼容性评估的完整性。

为真实模拟机车车辆运用环境，标准对于线路的谐振频率和供电网络进行了相应要求，测量应尽量靠近所处变电所并远离其他变电所(距离20 km以上)。

2.2.3UM71、ZPW2000数据处理及评估

重点对UM71、ZPW2000轨道电路与机车车辆兼容性测试数据的处理及评判指标进行介绍。对采集到的网流(原边电流)进行FFT分析，参数定义如下：

(a) 1 s 的汉宁窗；

(b) 80%的最小重叠；

(c) 16 kHz 的最低采样频率。

工作频段内的谐波干扰要求见表2所示。由于UM72、ZPW2000轨道电路存在频偏(±11 Hz)，考虑到谐波能量的延展性，考核±45 Hz范围内的频偏。对频率超出规定的1 500～3000 Hz工作带宽范围内的电流限值为3 A。

表2　工作频段内的谐波干扰要求

3　CLC/TS 50238-2标准对于国内轨道机车车辆及轨道电路的适用性

正如前面介绍，CLC/TS 50238-2全面的对机车车辆及轨道电路兼容性提出了测试及评估要求。其提出基础是大量现场试验和应用经验。同时有一系列的标准进行支撑，然而这些标准大多是基于欧洲标准体系，所涉及内容及要求在国内存在不适用性。通过分析CLC/TS 50238-2标准，结合国内轨道机车车辆/轨道电路的运用情况及国内标准(国家标准、行业标准)，针对CLC/TS 50238-2标准在面向国内铁路系统的不适用或不可用，总结以下几点：

(1) 我国应用的轨道电路种类与CLC/TS 50238-2标准中的轨道电路有差异，对交流干线铁路来说，仅UM71、ZPW2000轨道电路适用。对于考评两个系统的兼容性存在不完善项。

(2) CLC/TS 50238-2标准中的谐波限值是基于欧洲铁路系统提出的，数据获取的试验条件与国内不同，如供电臂长度、参数、供电制式、机车车辆种类及类型等，参照该标准限值对国内机车车辆和轨道电路的兼容性进行评判存在不严肃性。

(3) 试验条件不允许。CLC/TS 50238-2标准中要求测量应尽量靠近所处变电所并远离其他变电所(距离20 km以上)，然而迫于国内牵引供电臂长度(约30 km)及列车加速特性(动车组加速至350 km/h约30 km)，起动加速至最高速度后保持恒速运行工况无法在同一供电臂下完成。

4　结束语

介绍了欧洲关于机车车辆和轨道电路兼容性问题的标准CLC/TS 50238-2，结合国内铁路系统的现状进行了标准适用性和实用性分析。分析结论认为该标准在国内使用时需进行适应性修改，如试验工况，试验要求等。由于无法判定标准评判指标对于国内机车车辆和轨道电路的适用性，作为涉及安全性评估的项目，需要严肃对待。该标准即使转标为国标，也不应作为强制性或推荐性标准，建议作为指导性技术文件。在此情况下，出口欧洲车辆应严格遵循该标准要求，但如机车车辆国内自用或出口类似国内供电参数、轨道电路参数的国家和地区，该标准仅可作为参考指导使用。

[1]DD CLC/TS 50238-2，轨道交通机车车辆与列车检测系统的兼容性第2部分：与轨道电路的兼容性 [S]. British：CENELEC，2010.

[2]TB/T 3206-2008 ZPW 2000轨道电路技术条件[S].

Analysis and Discussion on the Standard of Compatibility between Rolling Stock and Track Circuit

HUANGJin

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

As the two main parts of the railway system, the level of compatibility between Rolling stock and track circuit related to transportation safety and maintenance of equipment. International standard "CLC / TS 50238-2 provides for rolling stock produced interference current limit requirements and test methods, and was transferred to a GB standard. However, the standard in the European belongs to "Draft for development" standard to be modified, its authority and rationality has not been confirmed. The applicability of compatibility testing and evaluation indicators is unclear in our country, nor considered during the standard transfer process. Therefore, this article analyze the CLC standard, and discussed the applicability and operability combined with a certain EMU track circuit compatibility test.

rolling stock; track circuit; compatibility

1008-7842 (2016) 04-0127-04

男，助理研究员(

2015-12-18)

U260

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.32