基于调整表优化的轨道电路牵引电流干扰防护研究

崔 勇，唐乾坤，杨世武

(1．北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044；2．中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031)

随着电气化铁路不断向高速度、高密度和重载的方向发展，电气化铁路中电力牵引机车的功率和牵引电流不断增加，牵引电流中各频段的谐波也在增大。牵引电流及其谐波的增大使得铁路现场的电磁环境变得更加恶劣，而电气化铁路中的钢轨又是牵引电流和轨道电路的共用传输通道，因此，牵引电流会对轨道电路设备造成干扰，进而影响列车的运输安全[1]。在铁路现场，曾多次出现牵引电流谐波干扰使得轨道电路接收端电压波动而产生“闪红”现象。例如，2014年京九线龙南站X1LQG区段由于牵引电流谐波的干扰，导致轨道电路调整电压和分路残压曲线均剧烈波动，影响了列车的行车安全；2015年朔黄线沧州西站D2G1由于牵引电流谐波对UM71型轨道电路的邻频干扰，多次造成了闪“红光带”故障。

在干扰的解决措施方面，当前普遍采用的方法是在牵引变电所或电力机车接入滤波器来抑制谐波。文献[2-3]在对电气化铁路电力机车、牵引变压器中的谐波进行建模分析的基础上，提出了在机车牵引侧加装单相并联型有源滤波器来抑制谐波。文献[4-5]要求铁路在设计施工时采取合理的措施并加强相关标准的制定。如文献[4]指出了国标GB/T 14549—93《电能质量公用电网谐波》用于电气化铁路存在的问题，对谐波国标修订及电气化铁路谐波标准提出了建议。但是这些措施存在成本高、周期长、在运营线路实施较为困难的缺点，因此难以在短时间内解决铁路现场的牵引电流干扰。

通信系统常采用提高系统信干比的方法来实现抗干扰的目的，这种方法具有简单、高效、成本低的优点。轨道电路可以通过调整发送器的发送电平和衰耗器的衰耗系数来提高信干比，但前提是不能违反铁路信号维护规则技术标准对轨道电路在最不利条件下的分路、调整、机车信号和断轨检查的要求[6]。另外，轨道电路区段的电路参数、牵引回流分布会随着机车在该区段的运动而变化，轨道电路调整表参数的设定和优化还应考虑上述因素的影响，其过程可以通过较为精确的轨道电路数学模型仿真实现。然而目前国内外的有关模型通常只涉及轨道电路本身，很少考虑机车这个动态干扰源在运行过程中对轨道电路的影响[7-8]，因此无法得出干扰源与干扰量值之间的定量关系，抗干扰措施的研究与分析也就无从谈起。

本文的研究思路是建立能够反映机车运动对轨道电路参数影响的动态仿真模型，通过仿真数据与现场实测数据的比较来验证仿真模型的有效性。利用该仿真模型对轨道电路调整表中的发射电平和衰耗系统进行设定和优化，在满足《铁路信号维护规则技术标准》(以下简称《维规》)[6]要求的基础上，实现最佳信干比，达到抗牵引电流干扰的目的。

1 轨道电路受牵引电流干扰理论模型

1.1 轨道电路等效传输线四端网理论

轨道电路利用铁路线路中的一段钢轨构成电路回路，理想情况下单位长度的两平行钢轨中的电阻R0、分布电感L0、分布电容C0和漏导G0均匀一致，轨道电路中的两钢轨可近似的视为均匀传输线，因此可以使用均匀传输线的分析方法进行分析。均匀传输线的等效四端网模型[9-10]如图1所示。

图1 均匀传输线的四端网络模型

对于正弦激励源Vs，均匀传输线的正弦稳态特解可以表示为

( 1 )

( 2 )

1.2 无绝缘轨道电路动态仿真模型

为便于分析研究，可选取一个区段的轨道电路进行分析。ZPW-2000A无绝缘轨道电路仿真结构[12-14]如图2所示。

图2 无绝缘轨道电路仿真模型

图2是将轨道电路等效为若干个四端网级联而成的电路，其中：NC为模拟电缆的四端网；NP为变比值为n的匹配变压器的四端网；N1～N15为15个80 m长的小区段(取区段长度为1 200 m)，每个小区段由80 m钢轨和一个补偿电容组成；NL为分路状态时包含机车轮对的等效分路电阻的四端网(调整状态时不存在NL)；NS为接收端衰耗器的四端网。在图2轨道电路结构基础上，分别建立轨道电路分路状态、调整状态以及受牵引电流干扰的电路等效模型，并进行仿真分析。

1.2.1 分路状态时无绝缘轨道电路仿真

机车分路状态下的轨道电路等效模型如图3所示。

图3 机车分路状态下的轨道电路等效模型

图3中，Vs为发送器输出电平；F(x)表示从轨道电路发送端电缆到机车分路轮对前方钢轨所组成的四端网络，其中x表示分路轮对在轨道上的位置，F(x)随机车位置的改变而不断变化；Rf表示机车轮对的等效分路电阻；IR为流过短路轮对的信号电流；T(x)为等效分路点经调谐单元到接收端衰耗器前方的等效四端网，T(x)随机车位置的改变而不断变化；ZR为接收器阻抗；Zin为自分路电阻到接收端的视入阻抗。根据四端网理论进行计算[15]，机车在轨道区段运行时机车信号短路电流为

( 3 )

在研究轨道电路接收端残压变化时，发送端到机车分路电阻之前的轨面电流信号IRZ可由机车信号感应，为简化电路，可以将IRZ等效为电流源，此时可以主要考虑等效轮对分路电阻及其之后到接收端的电路即可，简化后的四端网等效电路如图4所示。

图4 接收端残压计算模型

图4中，IRZ为机车轮对前的轨面电流，对于有载四端口网络T，输入端口电压为

U1=Rf(IRZ-I1)=T11U2+T12I2

( 4 )

而对于四端口网络，其传输参数方程利用输出端口的电量U2和I2来表达输入端口的电量U1和I1，即为

U1=T11U2+T12I2

( 5 )

I1=T21U2+T22I2

( 6 )

联立式( 4 )～式( 6 )，消去I1可以得到

RfIRZ-Rf(T21U2+T22I2)=T11U2+T12I2

( 7 )

当轨道电路处于分路状态时(即有列车占用时)，I2很小，为分析方便，可近似认为I2=0[1， 15]。此时的输出端口电压可视为戴维南等效电路中等效电压源的电压，接收端残压VC的计算公式为

( 8 )

1.2.2 调整状态时无绝缘轨道电路仿真

对于调整状态，简化后的调整状态等效电路模型如图5所示。

图5 调整状态等效电路

图5中，Vs为发送器输出电平；TF、TG和TS分别为发送端到调谐单元的四端网、包含有补偿电容的1 200 m轨道四端网、调谐单元到接收端的四端网；ZR为接收器阻抗。此等效电路模型即为有载四端口网络。其中

( 9 )

式中：NT为等效发送到接收端四端网；Nrc为补偿电容四端网；Nx为长度为x时钢轨的四端网。调整状态的轨道电路接收端电压为

(10)

联立式(10)，可得

(11)

1.2.3 无绝缘轨道电路受扰仿真模型

无绝缘轨道电路受牵引电流谐波干扰的仿真模型如图6所示。

对比图2中的模型可知，电力机车受电弓自牵引供电网中接受牵引电流后，牵引电流中的谐波干扰会经电力机车轮对泄放至轨道中，进而由轨道流回到变电所。谐波干扰电流对轨道电路接收端的影响等效模型如图7所示。

图7中，IG为干扰谐波电流源，其与轨道电路的不平衡系数有关；Rg为机车轮对至接收端调谐区的等效电阻；ZZ为调谐区至接收器的等效四端网；ZR为接收器等效电阻。计算方法与轨道电路的接收端接收残压类似，接收端等效阻抗两端的谐波干扰电压为VT′，其计算公式为

图6 无绝缘轨道电路受牵引电流干扰模型

图7 谐波电流干扰等效模型

(12)

因此，分路状态下轨道电路在受到谐波电流干扰时接收端接收的叠加电压VF为

(13)

1.3 Matlab仿真验证

参考轨道电路的实际配置，在Matlab仿真计算过程中选取的仿真基本参数为[16]：载频取1 700 Hz，钢轨电阻和电感分别取1.749 Ω/km和1 255 μH/km，补偿电容取40 μF，补偿电容的间距取80 m，轨道长度取1 200 m，模拟电缆长度为10 km，发送电平为三级(140 V)。考虑到铁路现场中影响轨道电路正常工作的主要因素为道砟电阻、分路电阻和不平衡系数，因此对不同分路电阻下，机车信号接收电压和轨道电路接收端残压与机车位置的关系进行了仿真。

图8为根据1.2.1中分路状态时无绝缘轨道电路等效模型得出的机车信号接收电压与分路点位置关系仿真图。

图8 不同分路电阻时机车信号接收电压与分路点位置关系仿真

仿真结果表明，正常分路时能保证机车正常接收到轨道电路传输的移频信号。在分路不良时，由于分路电阻Rf过大，会使分路阻抗增大，分路电流减小，机车感应到的信号幅值会在减少的分路电流作用下而降低，可能造成部分区段接收电压小于《维规》规定的要求。

图9 现场机车信号接收电压与分路点位置关系

图9为现场从LKJ截取的某区段机车信号接收电压数据图，与图8对比可知，仿真结果和现场实际的电压数值及趋势基本吻合，仿真结果比较符合现场实际。

机车分路电阻也会影响轨道电路的接收端残压，因此为研究分路时机车的分路位置与轨道电路的接收端残压关系，可根据式(12)进行仿真，仿真结果和截取的现场图如图10所示。

图10 机车分路位置与接收端残压关系图

对比仿真(图10(a))中机车分路位置与接收端残压关系图和现场截取某区段(图10(b))微机监测记录的轨道电路接收电压曲线可知，在分路不良时，仿真和现场实际采集到的电压数值及趋势基本吻合，仿真结果比较符合现场实际。

根据某故障轨道电路区段采集到的1 750 Hz不平衡谐波电流数据，用基于1.2.3中无绝缘轨道电路受扰仿真模型的谐波干扰模型对存在1 750 Hz谐波干扰情况下的轨道电路进行仿真，仿真得出的轨面电压与现场实测结果见表1。

表1 无绝缘轨道电路1 750 Hz谐波干扰仿真及测试结果

表1结果表明，谐波干扰耦合进入轨道电路接收端电压随着不平衡系数的增大而增加，这样机车分路时谐波干扰信号与移频信号相叠加后会使接收端残压超过《维规》规定的最大值140 mV，导致“闪红”故障的出现。

另外，表1的仿真结果与实测结果基本一致，验证了仿真模型的有效性。

2 基于调整表优化方法的抗干扰方案

2.1 轨道电路调整表优化原理和方法

轨道电路的调整表通过调整设定发送器发送电平、衰耗参数、补偿电容等可变环节中的电气参数，以满足《维规》对轨道电路在最不利条件下的分路、调整、机车信号和断轨检查的要求，便于现场的施工维护使用。铁路现场通常对一条数百公里长的线路使用一张相同的调整表[17-18]，然而，在一条线路上的不同轨道电路区段，轨道电路的一次参数、不平衡系数等由于环境、使用时长等因素而发生改变后会不适应原有的调整表，故需要对新电气参数(道砟电阻、机车分路电阻等)下的轨道电路进行重新调整。另外，从提高轨道电路抗干扰能力的角度，也需要通过优化轨道电路发送器的发送电平和室内接收端的衰耗器参数，来完善既有轨道电路调整表的不足。

图11为抗干扰方案原理图，根据轨道电路区段所处的不同环境，对既有的调整表进行优化。在调整状态下，优化后的调整表使得轨道电路接收端电压值在波动的情况下也能高于《维规》规定值，并符合《维规》要求；在分路状态下，会使轨道中的信号电流与存在的谐波干扰比值(即信干比)提高，机车信号设备在接收到轨道电路中的移频信号时，受到谐波干扰的影响就会降低，同时，在轨道电路接收端叠加有干扰谐波信号的接收残压仍然会满足《维规》要求。

图11 抗干扰方案原理图

轨道电路的发送器电平和衰耗器的衰耗参数有固定的调整范围，在考虑轨道所处环境的同时对轨道电路调整表进行优化，此外，《维规》规定轨道电路正常工作时需要满足3个条件，继电器可靠工作电压：在调整状态下，主轨道电路接收器的接收端电压(轨出电压)应不小于240 mV，此时轨道继电器能够可靠工作；继电器可靠不工作电压：在最不利条件下，使用标准分路电阻0.15 Ω在轨道区段的任意点分路时，主轨道接收器接收电压(轨出电压)应不大于140 mV，此时轨道电路继电器可靠不工作；在最不利分路条件下，轨道电路任意处轨面机车信号短路电流应在载频1 700、2 000、2 300 Hz时不小于0.5 A，而在2 600 Hz时不小于0.45 A。此3个条件以及轨道电路发送器与衰耗参数的取值范围确定了待优化参数的约束条件为

(14)

在式(14)约束条件下，该优化方法的目标为寻找出在轨道电路所处的不同环境因素、不同的谐波干扰等情况下，更优的发送电平VS和衰耗参数N的组合，使得轨道电路抗谐波干扰能力更强。轨道电路调整表优化流程主要分为以下3个步骤。

步骤1根据调整状态下的轨道电路仿真模型，输入轨道电路的基本参数后，筛选出调整状态接收端电压符合《维规》要求的发送电平Vs与衰耗参数N的组合C1。

步骤2分路条件下，根据分路状态轨道电路仿真模型，求出在整个轨道区段每米处机车信号短路电流是否符合《维规》标准，在组合C1中筛选出符合条件的参数组合C2。

步骤3轨道电路牵引电流一定的情况下，考虑不同轨道电路不平衡系数所对应的谐波干扰电流值，根据分路状态时轨道电路谐波干扰仿真模型，求出机车在整个轨道区段运行时，有谐波干扰存在时接收端残压是否符合《维规》要求，在组合C2中筛选出符合条件的参数组合C3。若组合C3为空，说明轨道电路处于此种环境参数与谐波干扰的情况下，调整Vs和N参数均不能满足《维规》要求；若组合C3不为空，则选取C3中调整状态接收电压最高、分路状态残压最低和机车信号短路电流最高的组合C4为最优组合，根据组合C4即可得出优化后的调整表。

轨道电路调整表优化流程如图12所示。

2.2 轨道电路调整表优化仿真结果与分析

利用Matlab对上述优化方法进行仿真运算，轨道电路的仿真参数参考了汉宜线ZPW-2000A轨道电路调整表给出的轨道电路相关参数(其中的相关参数也与1.3节保持一致)。正常道砟电阻选取为5 Ω·km，不同环境条件下(道砟电阻过低或过高)的道砟电阻分别取为1、10 Ω·km，正常分路时分路电阻为0.15 Ω，分路不良时分路电阻选取为0.5 Ω；谐波干扰信号是根据表1选取的，其中谐波干扰频率为1 750 Hz，轨道不平衡度分别取为6%、11%、15%和20%。根据以上参数对轨道电路调整表优化方法进行仿真，得出了在不同轨道环境、不同干扰条件下满足《维规》要求的发送器电平和衰耗参数，根据仿真结果优化出的不同环境与干扰下的调整表见表2、表3。

图12 轨道电路调整表优化方法流程

表2 考虑轨道环境参数的优化调整表(分路电阻0.15 Ω)

表3 考虑轨道环境参数的优化调整表(分路电阻0.5 Ω)

表2和表3为分路电阻为0.15 Ω和0.5 Ω时，在不同道砟电阻和不平衡系数情况下满足《维规》要求的发送器电平和衰耗参数的组合(即优化后的调整表)。其中，由表2可知，当道砟电阻及分路电阻相同(例如道砟电阻为5 Ω·km，分路电阻为0.15 Ω)时，轨面谐波干扰电压会随轨道不平衡系数的增加而增大，此时若要使得轨道电路满足《维规》所要求的调整状态接收端电压和分路状态下机车信号电流及残压的3个约束条件，发送器发送电平需要随干扰的增大而升高，衰耗器的衰耗参数则会随之减小以使得接收端残压满足《维规》要求。此外，对比轨道不平衡度由6%增大到20%可知，随着不平衡系数的增加，若使得轨道电路满足《维规》要求，在增大相同发送电平的同时，衰耗参数减小的数值越来越小，即衰耗参数的减小对接收端残压的影响越来越大。

当不平衡系数及分路电阻相同时，随着道砟电阻的增大(由1～10 Ω·km)，发送器的发送电平Vs和衰耗参数N都逐渐减小。这是由于道砟电阻在增大的过程中，轨道道床两钢轨间的漏泄电流会逐渐减小，进而使得移频信号在轨道传输过程中的衰耗减小，调整状态下接收端电压所需的发送电平也就越小。另外，分路状态时谐波干扰和残压叠加的接收端电压若要满足《维规》要求则需要更小的衰耗参数。

当道砟电阻和不平衡系数均相同时，随着分路电阻的增大(由0.15～0.5 Ω)，发送电平Vs和衰耗参数N不是简单地增大或者减小，而需要综合考虑3个因素之间的内在联系。这是因为分路状态时，在相同的Vs与N的情况下，分路电阻越高，接收端的残压就越高；而当道砟电阻过低时(如1 Ω·km)，由于漏泄电流比较大，为满足调整状态时的《维规》要求，需要增大Vs或N，而为了满足分路状态时残压的要求，又需要减小Vs或N，此时优化后的调整表残压仍然较高并且比较接近140 mV的限值。

谐波干扰条件下考虑轨道电路环境影响因素的原调整表[19]与优化后的新调整表仿真结果对比见表4。

表4 谐波干扰条件下原调整表与新调整表结果对比

通过表4的仿真数据结果可以看出，原调整表在道砟电阻过低时(低于1 Ω·km)会由于调整状态接收端电压过低而使轨道电路出现闪红现象；在道砟电阻过高、有干扰和分路电阻过大时，会使分路状态时接收端残压大于0.24 V而出现飞车现象；在不平衡系数增大，即谐波干扰增大时，轨道电路会由于接收端残压高于0.14 V而出现闪红现象。在以上几种情况下，优化后的调整表均能满足《维规》要求而使得轨道电路正常工作。

3 结论

本文针对铁路现场牵引电流对轨道电路干扰的实际情况，展开相关防护措施的研究，主要在以下两个方面取得进展：

(1)在轨道电路受牵引电流干扰的仿真模型方面，本文基于传输线四端网络，考虑了轨道电路的传输阻抗、牵引回流分布等参数会随着机车在该区段的运动而变化，进而建立了无绝缘轨道电路动态仿真模型。

(2)在轨道电路抗牵引电流干扰的措施方面，本文提出了基于轨道电路调整表的抗干扰措施，根据故障区段具体的轨道电路参数，通过仿真模型，在满足《维规》各项指标的前提下，得出最优的发射电平和衰耗值，使轨道电路的信干比达到最大，进而实现抗干扰的目的。此方法具有成本低、在运营线路易于实施的优点。

通过本文研究，得出的主要结论有：

(1)轨道电路中的道砟电阻、机车分路电阻和不平衡系数能够直接影响不平衡牵引电流干扰量值，进而会影响轨道电路正常工作。例如，调整状态时，道砟电阻在低于1 Ω·km时，会使得调整状态时轨道电路接收端电压低于《维规》要求的240 mV；分路状态时，分路电阻在大于标准分路电阻0.15 Ω时(如1 Ω)时，会影响机车信号接收电流和轨道电路的接收端残压，可能会造成“飞车”现象。

(2)对轨道电路调整表的优化仿真结果表明，如果要使不同区段的轨道电路满足《维规》要求，则需：当不平衡系数及分路电阻一定时，若道砟电阻增大，需将发送电平和衰耗参数都相应地减小；当道砟电阻及分路电阻一定时，若不平衡系数增大，则需将发送电平增大而衰耗参数减小；当道砟电阻和不平衡系数一定时，随着分路电阻的增大，发送电平和衰耗参数不是简单地增大或者减小，而需综合考虑3个因素(道砟电阻、分路电阻和不平衡系数)之间的内在联系，来对发送电平和衰耗系数进行确定。其中，优化后的调整表可以参考表2、表3。