西成客专线路运用状态干扰防护的实现

陈艳华， 任荔娜

(西安铁路职业技术学院 电子信息学院, 西安 710014)

0 引言

西成客专线路运用复杂，既要途径路网交织的关中平原，又需穿越艰险高峻的秦岭山脉，自西安北站开出，最终到达成都东站，衔接西武高铁、大西高铁、成渝高铁等。随着直流和交流电气化铁道的发展，对检查线路运用状态的轨道电路提出了更高的要求，其工作是否稳定可靠是决定列车运行安全的首要因素。由于钢轨是交流电气化牵引区段牵引电流的回流线，所以轨道电路中不仅有信号电流流过，而且还有牵引电流流动。因此电气化区段的轨道电路要求必须能抗牵引电流的干扰。

轨道电路干扰的种类很多，有相当多的干扰是由于将钢轨作传输通路引起的，其中有不少是与轨道馈电线路以及列车等有关[1]。交流电气化牵引区段轨道电路的干扰，主要是牵引电流基波和它的谐波干扰。产生的原因，既有来自内部的列车分路不良、轨道电路不平衡、绝缘不良等干扰；也有来自外部的雷电涌、电磁干扰、迷流等干扰，牵引电流不平衡引起的干扰尤为突出，高压脉冲轨道电路可以对此类干扰进行有效防护，且效果显著。

1 不平衡电流干扰问题

1.电流产生不平衡的原因

当钢轨断轨、钢轨接续线脱落或松动、钢轨漏泄导纳左右不同、接近一条钢轨平行埋设的长导体、设有与钢轨平行的架空导体对钢轨左右轨距离不同时，牵引电流是不平衡的。[2]

此外扼流变压器两个牵引线圈阻抗不等时和牵引连接线长短不一致时也会引起不平衡的干扰；单轨条轨道电路由于是在回归电路钢轨安装电阻低的钢轨接续线，在信号钢轨安装电阻高的信号接续线，所以两根钢轨的直流电阻也是不平衡的。

2.我国不平衡电流谐波干扰实测举例

可控硅电力机车在重车爬坡牵引状态下钢轨电流的谐波百分比如表1和图1所示。

对于表1和图1是可控硅电力机车在重车爬坡牵引状态下钢轨电流的谐波，奇次谐波的百分比，可控硅机车略高于引燃管机车；而基波分量却是前者稍低于后者。在偶次谐波中100 Hz和200 Hz的谐波百分比，可控硅机车比引燃管机车大得多[3，4]。

表1 可控硅电力机车在重车爬坡牵引状态下钢轨电流的谐波百分比

图1 可控硅电力机车在重车爬坡牵引状态下钢轨电流的谐波百分比图

在奇次谐波百分比的分布规律中，可控硅机车，从50～1 150 Hz间，谐波百分比是随频率增加而下降；从1 150～1 350 Hz间谐波百分比是随频率升高而上升；从1 450～1 850 Hz间，谐波百分比又是随频率升高而下降；从1 850 Hz以上，谐波百分比几乎为零。因此，在谐波百分比的分布规律中，除1 250～1 350 Hz间这个频段上，谐波百分比出现上升现象外，在其他频段都是随频率升高而下降。

引燃管电力机车牵引电流谐波百分比如表2和图2所示。

表2 引燃管电力机车牵引电流谐波百分比

图2 引燃管电力机车牵引电流谐波百分比

从表2和图2可知，引燃管整流的电力机车，在牵引状态下牵引电流的波形中，50 Hz及其奇次谐波所占的百分比较大。它的规律是除个别谐波频率外，一般是随谐波次数的增高，百分比逐渐下降。但是，所有偶次谐波，它的百分比都很小，同时它也服从谐波次数越高百分比越小的规律。在奇次谐波百分比的分布规律中，引燃管机车从50～1 150 Hz间，谐波百分比是随频率升高而下降；从1 250～1 450 Hz间，谐波百分比是随频率升高而上升；从1 550～1 850 Hz间，谐波百分比优势随频率上升而下降；从1 850 Hz以上谐波百分比于频率无关[5，6]。

可见，在轨道电路选择信号频率时，要特别注意牵引电流基波及其谐波的干扰，应尽可能远离较大的干扰，并增设防护环节。高压脉冲轨道电路，它的特点是不用正弦电流，而是用不对称脉冲波形的正负两部分，峰值比例进行选择的。因此这种轨道电路，它不受可控硅调速机车等产生的干扰电流影响，实践证明，它不存在干扰的危险。

在交流电气化区段，由于牵引电流是利用钢轨作回线，如果两根钢轨不平衡，则两根钢轨之间会出现较大的干扰电压，其值如式(1)。

U12= (I1-I2)Z0

(1)

式中I1—第一根钢轨的牵引电流；I2—第二根钢轨的牵引电流；Z0—轨道电路接受端输入阻抗。从上述公式1可以看出，如果轨道电路不平衡，则在两根钢轨中的牵引电流不相等，于是在两根钢轨间就存在干扰电压，在交流电化区段，为了降低干扰电压，轨道电路的平衡问题十分重要。轨道电路的不平衡性，用不平衡系数k0表示[7]，如式(2)。

(2)

式中I0—钢轨内总牵引电流；ΔI0—两根钢轨中牵引电流差值；在轨道电路中，对产生的干扰进行研究，认为单线铁路的双轨条轨道电路中的干扰，主要根据钢轨的纵向不平衡来决定。轨道电路的牵引回流，沿轨条不平衡的流散，是根据其纵向、横向的不平衡电流来决定。因此，在交流电气化区段上的轨道电路，必须设法减少其不平衡系数k0值[8]。

3 轨道电路对干扰的防护方法

1.高压脉冲轨道电路

交流电力牵引区段轨道电路，对干扰的传统防护方法是：信号电流的供电采用与牵引电流及其基波不同的频率，它是确保轨道电路可靠工作的主要条件之一。信号电流频率的选择还应考虑所用器材在对牵引电流干扰防护方面的技术可能性和保证轨道电路可靠工作，研制能可靠工作的具有频率选择性能的适当器材成为关键。我国自行研制的移频轨道电路，在交流电化区段上使用的移频频率，均避开了50 Hz的奇次谐波，躲开了干扰大的频率，使移频频率落在偶次谐波上。抑制干扰， 是为了把信号频率与干扰频率区分开来，对干扰进行防护。站内高压脉冲轨道电路结构如图3所示。

图3 站内高压脉冲轨道电路

高压脉冲轨道电路受电端包括：BE1-M(BE2-M)型扼流变压器；GM·Y 型译码接收器；JCRC 型二元差动闭磁路继电器；FL 型避雷器等组成。高压脉冲轨道电路送电端包括：GM·F-25(50)型高压脉冲发码器；BE1-M(BE2-M)型扼流变压器；供电电源25 Hz(或50 Hz)220 伏；FL 型避雷器等组成。在交流电化区段，高压脉冲轨道电路采用了二元差动闭磁路继电器进行防护，不用正弦电流，而是运用不对称脉冲的正负峰值比例进行选择。当牵引干扰电流进入二元差动闭磁路继电器时，它能减小二元差动闭磁路继电器的机械力，使继电器失磁落下。而且能在线路空闲时，将信号转为禁止显示关闭。

2.高压脉冲轨道电路与高压脉冲轨道电路相邻时

当两个高压脉冲轨道电路相邻时，采用极性交叉来防护，如图4所示。

图4 轨道电路极性交叉

其防护原理是：因为接收端的译码器是有极性的，它只能接收本区段轨道上发送来的高压脉冲才能工作，因此，当绝缘破损时，相邻轨道电路的不对称脉冲信息就干扰该区段的译码器，但它的脉冲极性正好与该区段的脉冲相反。这时，译码器的输出电压，正好使轨道继电器的线圈电压发生变化，继电器将失磁，从而起到绝缘破损防护的目的。高压脉冲轨道电路，站内正线相邻轨道区段均应设计为极性交叉，但对非正线上，若为双送电端的相邻轨道区段，允许不作极性交叉，从技术角度和节省投资看，为了提高轨道电路设备的可靠性、经济性，应尽量多采用双送电端或双受电端方式为好[11]。

3.高压脉冲轨道电路与交流计数电码化轨道电路相邻时

当高压脉冲轨道电路与交流计数电码化轨道电路相邻时，在钢轨绝缘节破损时，信号侵入高压脉冲轨道电路的接收端，当信号幅值较低时，一般不影响高压脉冲轨道电路的基本功能。当其幅值较大时，则接收端的继电器趋向失磁，高压脉冲轨道电路有可靠防护性能。由于高压脉冲信号为每秒钟三次，与交流计数电码信号的间隔不一致，所以在高压脉冲轨道电路与交流计数电码相邻绝缘破损时，交流计数电码轨道电路一般还是有防护性能[12]。

4.高压脉冲轨道电路与25 Hz，50 Hz相敏轨道电路或高频无绝缘轨道电路相邻时

由于25 Hz、50 Hz或高频无绝缘轨道电路，在钢轨上传送的信息为连续而对称的正弦波，由二元差动轨道继电器的工作原理可知，高压脉冲轨道电路是有良好的防护性能。另外，由于不对称脉冲的占空比极小，所以当相邻钢轨绝缘节破损时，对25 Hz，50 Hz或无绝缘轨道继电器，即使有不对称脉冲的瞬时冲击而干扰，但是轨道继电器由于电磁及机械的惯性，它是不会误动的。由此可见，当上述两种轨道电路相邻时，相互间互不干扰，都能独立保持着自己制式的各项功能。

4 总结

车轮踏面的接触电阻，十分复杂，车轮的轮对是否使两条钢轨有效的分路，直接决定轨道电路的工作是否安全。为了得到安全可靠的分路，必须给这种锈轨、撒砂、油污、氧化层等所造成的不良接触，通以相当大的电流。氧化层在低电压范围时，薄膜电阻较高，但在电压升高时电阻逐渐下降，再升高电压时，电阻急剧下降，高压脉冲轨道电路，对于轨面接触面薄膜，加100伏以上的脉冲可以击穿，从而降低列车分路电阻，进一步保证分路安全[13]。

高压脉冲轨道电路的电压脉冲特性很好地解决了轨道电路分路不良问题，后来才逐渐完善用于直流、交流电化区段和车站和区间。它之所以能有强有力的生命力，是因为它比较全面的满足了轨道电路在运用中涉及到的复杂问题。高压脉冲轨道电路可以运用高电压、大电流的特性，去击穿钢轨生锈、污染等线路的特殊问题，而后者连续性的或用电源直接供电者，就不能运用高电压、大电流的特性，去满足线路的特殊要求，因为若用如此大的电能是没有实用价值的。无论是脉冲波形选择还是脉冲的形状，这种高压脉冲的接收器可以对某些事故防护，效果显著。因此高压脉冲轨道电路在铁路客运专线中具有极高的应用价值，也适用于站场装卸货物会造成道床污染的专用线建设。