无绝缘轨道电路邻区段干扰防护方法的研究

郭红标， 赵林海,2， 冯 栋， 李 超

(1. 北京交通大学 电子信息工程学院， 北京 100044； 2. 北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室， 北京 100044)

目前，ZPW-2000系列无绝缘轨道电路JTC(Jointless Track Circuit)作为我国列控系统的核心设备，得到了广泛的应用。相比于机械绝缘轨道电路，JTC通过在其两端设置相应的调谐区，使其分别对本区段和相邻区段的轨道电路信号呈现不同的串、并联谐振关系，以达到控制轨道电路信号传输范围，避免邻区段干扰发生的目的[1]。所谓邻区段干扰是指由于调谐区中相应调谐单元发生故障(如断线)，而使原有的谐振关系被破坏，造成相邻区段的轨道电路信号能够越过调谐区而进入本区段。文献[1]对邻区段干扰进行了建模，并系统研究了其对列控车载机车信号设备的影响。相应研究结论表明，当对本轨道电路信号呈零阻抗的调谐单元发生断线时，在某种条件下，其所造成的邻区段干扰会高于机车信号设备的接收阈值，容易造成对信号的错误接收，从而影响列车的安全运行。可见，需要对邻区段干扰进行防护，故研究相应邻区段干扰的防护方法具有非常重要的意义。

目前，对JTC调谐区及邻区段干扰的研究主要集中在邻区段干扰的建模分析、调谐区故障诊断以及从现场设备维护的角度分析邻区段干扰产生的原因与处理措施三方面。文献[1]对邻区段干扰进行了建模并研究了其对机车信号的影响，文献[2]基于传输线理论对调谐单元的传输特性和调谐过程进行了建模和仿真，文献[3]在对邻区段干扰建模的基础上分析了调谐区不同部件故障对邻区段干扰信号的影响。在调谐区的故障诊断方面，文献[4]提出了基于神经网络的轨道电路调谐区故障诊断方法，文献[5]提出了基于小波神经网络的调谐区故障诊断方法，文献[6]则利用不同位置调谐单元断线对小轨接收电压的影响不同提供了故障检测思路。在现场设备维护方面，文献[7-9]分析了可能导致邻区段干扰产生的原因并给出了相应的测试及维修思路。由此可见，现有的研究并没有对JTC邻区段干扰给出相应的防护措施。

本文利用现有调谐区各调谐单元对相邻区段轨道电路信号所表现出的不同谐振特性，将本轨道电路区段离发送端最近的补偿电容改造为补偿电容邻区段干扰防护器，使其对本轨道区段仍等效为等值的补偿电容，又对相邻轨道电路信号表现为串联谐振的短路效果，使得邻区段干扰无法在本区段继续传播，以实现对邻区段干扰的实时防护。仿真实验表明，本设计可有效阻止邻区段干扰的传播，且可在性能上近似替代补偿电容，具有较好的兼容性。

1 JTC调谐区的电气分隔工作原理

1.1 电感与电容所构成的串、并联谐振电路基本原理

1.1.1 串联谐振

一个电感L和一个电容C构成串联电路，见图1。

图1 L、C串联谐振电路

图1中，ULC(ω,t)为该电路输入信号，ω和t分别代表ULC(ω,t)的角频率和时间，ZLC为输入端视入阻抗，即有[10]

(1)

式中：j为虚数单位，满足关系j2=-1。令-ω2LC+1=0，则有

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

1.1.2 并联谐振

基于图1的电感和电容构造并联电路，见图2。

图2 L、C并联谐振电路

图2相应的输入阻抗ZLC可表示为

(7)

令-ω2LC+1=0，则有

(8)

1.2 JTC调谐区的基本结构与工作原理

图3 JTC调谐区结构示意

2 补偿电容邻区段干扰防护器设计

2.1 设计思路

图3中的调谐单元BA2和BA1分别对轨道电路1、2所对应的信号Us1(ω1,t)和Us2(ω2,t)表现为串联谐振关系，即等效为短路线，使相应信号无法越区传输。所谓越区传输，即Us1(ω1,t)越过BA2向轨道电路2传输和Us2(ω2,t)越过BA1而向轨道电路1传输。进一步，由文献[4]可知，一旦BA1或BA2发生断线故障，则上述相应的越区防护将失效。由此，可在BA1和BA2靠近调谐区的主轨道一侧，再加装一个同型号的调谐单元，以实现对信号越区传输的冗余防护。

同时，考虑到新增加调谐单元会对原有轨道电路造成影响。本文提出将新增的调谐单元进行适当改造，使其成为补偿电容邻区段干扰防护器(以下简称防护器)。对于本轨道电路，该防护器的电气特性与原有的补偿电容相同；对于需要防护的相邻轨道电路，该防护器等效为一个串联谐振的调谐单元。这样，既可以防护邻区段干扰，又没有对本轨道电路增加额外的不利影响，且可以直接替换现有的补偿电容。考虑到邻区段干扰对机车信号的影响，则防护器可安装在每个轨道电路离发送端最近的补偿电容处，即图3中轨道电路1的CN处。

2.2 参数设计

目前，为防护邻区段干扰对轨道电路地面设备的不利影响，相邻区段轨道电路信号的角频率采用“频率交叉”隔段相同的设置方法[12]。设图3中轨道电路1、2所对应的信号Us1(ω1,t)、Us2(ω2,t)的角频率ω1、ω2满足关系

ω1>ω2

(9)

对于轨道电路1中的防护器，其设计过程见图4。

图4 轨道电路1的防护器设计示意

根据设计要求，需要满足两个条件：一是对于相邻轨道电路信号的角频率ω2，其要等效为串联谐振；二是对本轨道电路信号的角频率ω1要等效为电容，且其容值要等于该处原有的补偿电容值Cv。

为满足第一个条件，可利用图1设计一个电感L1f和一个电容C1f串联的电路，并根据式(2)，使L1f和C1f的取值满足对ω2串联谐振条件，即有

(10)

同时，由式(3)和式(9)可知，L1f和C1f所构成的串联电路对于ω1将等效为一个电感L1ef，且有

(11)

为满足第二个条件，需在L1f和C1f串联电路的输入端再并联一个电容C1ef，使得该电路的输入端视入阻抗Z1LC等于该处原有补偿电容在ω1下的容抗1/jω1Cv，即有

(12)

由式(12)可知，图4电路所等效的补偿电容容值Cde1f可表示为

(13)

由式(13)可知，为满足第二条件Cde1f=Cv，C1ef应满足

(14)

对于轨道电路2中的防护器，其设计过程见图5。

图5 轨道电路2的防护器设计示意

同样，根据设计要求，设计一个电感L2f和一个电容C2f的串联谐振电路，并使其谐振角频率等于相邻轨道电路信号的角频率ω1，即有

(15)

同时，由式(5)和式(9)可知，由L2f和C2f所构成的串联电路对于ω2将等效为一个电容C2ef，且有

(16)

则基于式(16)，若C2ef>Cv，则需要在L2f和C2f串联电路的输入端再并联一个电感L2ef，使得该电路的输入端视入阻抗Z2LC等于该处原有补偿电容在ω2下的容抗1/jω2Cv，即有

(17)

由式(17)可知，图5所示电路，在C2ef>Cv的条件下，其所等效的补偿电容容值Cde2f可表示为

(18)

基于式(18)，并由设计条件Cde2f=Cv可知，L2ef应满足

(19)

对于C2ef≤Cv的情况，需要在L2f和C2f串联电路的输入端再并联一个电容C3ef，则Z2LC可表示为

(20)

由式(20)可知，等效的补偿电容容值Cde2f满足

Cde2f=C2ef+C3ef

(21)

则为满足第二条件Cde2f=Cv，C3ef应满足

C3ef=Cv-C2ef

(22)

3 仿真验证

在此，基于文献[1]所建立的邻区段干扰模型，验证本文所设计的防护器性能。按相应调整表[12]，设置相应的仿真条件。其中，轨道电路1：信号载频为2 300 Hz、区段长度为990 m、补偿电容个数为12；轨道电路2：信号载频为1 700 Hz、区段长度为990 m、补偿电容个数为16。在轨道电路1发送端调谐区BA1断线的条件下，列车经过时机车信号所接收到的来自轨道电路2的邻区段干扰分布情况，见图6。

基于图6的仿真条件，分别仿真利用图4所示的防护器电路，将其替换轨道电路1中C12后，对来自轨道电路2邻区段干扰的防护效果见图7。由图7可知，防护器对邻区段干扰的防护效果较为显著，其能将接收端与其自身所在位置C12间的邻区段干扰近似衰减至0。

图6 由轨道电路1发送端调谐区BA1断线而使机车信号所接收到的来自轨道电路2的邻区段干扰示意

图7 将图4所示防护器替换轨道电路1的C12后，对来自轨道电路2邻区段干扰的防护效果示意

4 防护器对列控系统的影响分析

4.1 防护器与补偿电容劣化性能的比较

考虑到目前补偿电容主要有断线和容值下降两种故障模式[13]。并且防护器的断线效果与同位置补偿电容的断线效果相同，因此本文主要比较防护器中电容的容值下降与原有补偿电容容值下降对轨道电路的影响规律。

对于图4防护器，在邻区段轨道电路信号角频率为ω2的条件下，存在C1f和C1ef分别和同时容值下降的情况，根据式(10)～式(14),其影响结果见表1。

表1 图4中C1f和C1ef容值下降对Cde1f的影响

由表1可知，图4中只要C1f和C1ef发生容值下降情况，会使最终等效的补偿电容容值Cde1f降低，且C1f和C1ef同时发生容值下降时的Cde1f下降程度最大。

对于图5的防护器，在邻区段轨道电路信号角频率为ω1的条件下，存在C2f和C3ef分别和同时容值下降的情况，根据式(15)～式(22),其影响结果见表2。

由表2可知，图5中只要C2f和C3ef发生容值下降的情况,会使最终等效补偿电容容值Cde2f降低，且C2f和C3ef同时发生容值下降时Cde2f下降程度最大。

表2 图5中C2f和C3ef容值下降对Cde2f的影响

综合以上分析可知，对于图4、图5防护器电路，无论其中哪个电容发生容值下降，其结果都会导致其等效的补偿电容容值降低，这与原有补偿电容的故障模式和变化规律相同。由此可见，本文所设计的防护器对于其所在的轨道电路区段，可以很好地模拟原有补偿电容的电气特性。

4.2 正常条件下防护器对轨道电路信号传输的影响

轨道电路1和轨道电路2都正常条件下，本文防护器和现有电容对调整态轨面电压和分路态机车信号感应电压幅值包络的影响，见图8、图9。

图9 正常条件下防护器和现有电容对分路态机车信号感应电压幅值包络的影响

从图8和图9可知，在此条件下防护器对各轨道电路自身部分的轨面电压和机车信号感应电压的幅值几乎无影响，仅使轨道电路2经调谐区进入轨道电路1的邻区段干扰信号有较大衰减，而这正是本文的设计目的。

4.3 BA1断线条件下防护器对轨道电路信号传输的影响

轨道电路1和轨道电路2在调谐单元BA1断线条件下，防护器和现有电容对调整态轨面电压和分路态机车信号感应电压幅值包络的影响，见图10、图11。

图10 BA1断线条件下防护器和现有电容对调整态轨面电压幅值包络的影响

图11 BA1断线条件下防护器和现有电容对分路态机车信号感应电压幅值包络的影响

由图10可知，防护器可大幅衰减因BA1断线而漏泄到轨道电路1中的邻区段干扰信号，且在C12之后将其衰减为0，而对所在的轨道电路1自身的信号传输则没有影响，对轨道电路2的信号幅值影响较小。

由图11可知，防护器在BA1断线条件下对轨道电路1和轨道电路2自身范围内的信号传输无影响，其仅对由轨道电路2漏泄至轨道电路1的邻区段干扰信号进行衰减，且同样在C12之后衰减至0。

4.4 BA2断线条件下防护器对轨道电路信号传输的影响

轨道电路1和轨道电路2在调谐单元BA2断线条件下防护器和现有电容对调整态轨面电压和分路态机车信号感应电压幅值包络的影响，见图12、图13。

图12 BA2断线条件下防护器和现有电容对调整态轨面电压幅值包络的影响

图13 BA2断线条件下防护器和现有电容对分路态机车信号感应电压幅值包络的影响

由图12和图13可知，在此条件下防护器对各轨道电路信号传输的影响与现有补偿电容相同，并未产生额外影响。

4.5 防护器对机车信号的影响

由图9、图11及图13可知，防护器对不同条件下轨道电路1和轨道电路2自身范围内机车信号感应电压幅值包络的影响与现有补偿电容相同，故其不会改变机车信号设备对此范围内信号的接收效果。

进一步，考虑到机车信号需要根据所接收的信号载频不同而向列控系统提供相应的绝缘节信号[14]。基于文献[15]并由图9、图11和图13可知，机车信号在轨道电路1中接收载频为f1的信号，其感应电压幅值总体变化趋势从轨道电路1的入口端到出口端逐渐升高，最后在BA1处达到最大后迅速衰减。同时，随着列车的运行，轨道电路2信号的感应电压幅值逐渐升高并超过机车信号接收阈值。机车信号凭借以上变化认定列车经过一个调谐区，并以此给出相应的绝缘节信号。由以上机理可知，由于防护器对轨道电路2信号的衰减是在轨道电路1信号感应电压降低之前，故不会改变机车信号所产生的绝缘节信号。

5 结束语

本文利用无绝缘轨道电路的电气分隔原理，设计了一种邻区段干扰防护器，并给出相应的电路结构和部件参数计算公式。对于本轨道电路信号，该设备可等效为电容，且其容值和故障变化规律都与现有的补偿电容相同；对于相邻轨道电路区段信号，该设备则表现为串联谐振，即对邻区段干扰等效为短路以实现对其的防护。仿真结果表明，本文所设计的邻区段干扰防护器可直接替代本轨道电路区段中发送端的补偿电容进行使用。在轨道电路正常和BA1或BA2断线下都可以有效阻止邻区段干扰在本轨道电路区段的传播，且对机车信号的正常工作无影响，具有良好的实用性和兼容性。