自动调压型不对称高压脉冲轨道电路研究

张海旭

（西安思源科创轨道交通技术开发有限公司，西安 710054）

轨道电路能够有效检查线路的占用情况，同时可向车载设备发送行车许可信息，是联锁以及列车运行控制系统的重要组成部分[1]。目前国内电气化铁路站内轨道电路绝大多数采用97型25 Hz相敏轨道电路，但此制式的轨道电路设计轨面电压小于1 V，列车运行频次较低的区段钢轨容易生锈，从而引起轨道电路分路不良。分路不良会造成遗留白光带、区段闪红、列车占用丢失等严重影响行车安全的问题。同时也给现场工作人员带来大量额外工作，车、工、电务人员需要每月联合进行分路不良专项检查，电务人员需要进行登记管理、定期测试；工务人员需要进行钢轨打磨，费时费力却不能有效解决问题。

不对称高压脉冲轨道电路采用脉冲信号击穿锈层，是目前解决分路不良最主要的技术手段。通过不同的电压等级，不同的扼流变压器的变比，在轨面传输不同幅值的脉冲信号，可以有效击穿不同厚度的锈层、钢轨污染物来解决轨道电路的分路不良问题[2]。但现场钢轨生锈程度不同，如何高效的调整全靠电务人员的经验，并且由于列车运行图的不断更新，每个区段的列车运行频率在不断变化。调整电压过低可能导致分路不良问题无法彻底解决，调整电压过高会造成能耗增大，因此，分路不良当属于动态管理的范畴。选择固定的扼流变压器变比，并自动采集分路情况，对发码器电压进行自动调整，将更有利于分路不良问题的有效解决，并且在无人值守站大力发展的现状之下，为电务人员的管理及维护带来便利。

本文以BGM型不对称高压脉冲轨道电路为例，利用麦克斯韦电磁场方程组，建立轨道电路的传输线方程，并建立带调谐器的高压脉冲扼流变压器四端网络模型，形成轨道电路的传输模型，利用Simulink软件建立BGM型不对称高压脉冲轨道电路的仿真模型，对仿真结果与实际测试结果进行对比，论证仿真模型的可用性。分析不同的扼流变压器变比对轨面电压、轨道电路的调整及分路的影响，得到扼流变压器变比的最优方案。并通过二元差动继电器输入头尾部电压的实时监测，依据设定的电压区间进行相应的数据处理，对送电端发码器脉冲电压实现自动调整，在保证可靠分路的前提下，进行最优化的能耗控制，实现轨道电路的动态管理。

1 轨道电路模型建立

1.1 不对称高压脉冲轨道电路系统概述

不对称高压脉冲轨道电路由脉冲发送设备、扼流变压器、钢轨传输线、电缆传输线路、译码器以及二元差动继电器组成，其系统结构如图1所示[3]。

图1 不对称高压脉冲轨道电路系统结构图Fig.1 Structure diagram of asymmetrical high-voltage pulse track circuit

送电端高压脉冲发码器可以实现300 V、400 V、500 V电压调整，扼流变压器初次级变比可以从1：3.5～1：10.5共计8个档位，配套发码器用以实现不同轨面条件下恰当的轨面电压调整[4]。

1.2 轨道线路模型建立

基于传输线理论的钢轨线路模型如图2所示，采用均匀分布参数模型对传输模型进行定量分析。在传输线路取无穷小长度的传输线dz，i(z,t)为流入dz段的钢轨电流，i(z+dz,t)为流出dz段的钢轨电流，u(z,t)、u(z+dz,t)分别为dz段前后的轨面电压。

图2 钢轨线路模型Fig.2 Model of track circuit

利用麦克斯韦电磁场方程组推导轨道电路的传输线方程：

首先假定传输线无耗且无漏泄，即R0=0,G0=0。麦克斯韦第二定律为

其中，E为电场强度矢量，B为磁感应强度矢量。相应的积分形式为：

其 中，S是 由L闭 合 起 来 的 面 积，如 图2所示，在钢轨线元取一个矩形的积分回路（a→b→c→d），那么横向长度即为dz；由于在回路平面上电力线处与导线垂直，对b→c和d→a路径，Edl=E(dl)cos90°=0，故有：

另一方面，如果用φ表示单位长传输线环链的磁通，则有：

然而，磁通应等于磁感应强度B在面S上的积分：

故有：

这样，由麦克斯韦第二定律的积分形式，得：

轨道电路传输线方程的另一种形式，可以由电流与电荷之间的关系直接得出。在dz内，如电荷改变流出的电流就不等于流入的电流；电流在减少，减少量等于电量随时间的增加率，即：

此即为轨道电路在不考虑钢轨阻抗及道床漏泄情况下的传输线方程；如图2所示，设单位长度钢轨阻抗为R0，单位长度道床导纳为G0,在线元dz内电压损耗和电流漏泄分别为R0i和G0u,因此得到在均匀分布下的轨道电路传输线方程：

用阻抗及导纳的形式进行表示，得：

令阻抗Z=R0+jωL0,导纳Y=G0+jωC0,他们分别称为传输线单位长度的串联阻抗和并联导纳。

方程两边对z微分，并将公式（13）带入得：

可求得通解：

在已知轨道电路送电端电压、电流的前提下，通过双曲正余弦函数表示为[5]：

用矩阵形式表示为：

则有：

即为轨道电路钢轨传输线四端网络参数矩阵。

1.3 扼流变压器模型建立

对不对称高压脉冲轨道电路中带调谐器的扼流变压器进行参数分析，等效电路如图3所示。R1、R2为扼流变压器初次级线圈的直流电阻，即为铜损；R3为调谐器中电感线圈的直流电阻；L1、C1分别为调谐器的电感和电容；Y为励磁导纳，即变压器的铁损；T2为初次级变比为1：3.5的理想型变压器[6]。

图3 扼流变压器四端网络模型Fig.3 Four-terminal network model of choke transformer

对各设备建立等效的四端网络，将各四端网络串联后构成系统模型，由此得出带调谐器的不对称高压脉冲轨道电路扼流变压器的四端网络模型参数NBGM：

求得：

采用50Hz频率的信号，对不带调谐器的型号为BE2·M2-1000A的扼流变压器进行测试，得R1=0.015 Ω、R2=0.148 Ω、R3=1.68 Ω、L1=0.2H、C1=50 μF,并通过计算得Y1=0.024 Ω-1，当扼流变压器牵引侧与信号侧变比为3.5：1时，求得：

不同变比扼流变压器的四端网络参数如表1所示。

表1 不同扼流变压器变比下的四端网络参数Tab 1. Four-terminal network parameters under different choke transformer ratios

1.4 轨道电路整体传输线模型建立

以1 000 m长度的轨道区段为例，取扼流变压器的变比为3.5:1，送受电端电缆电阻均为50 Ω，则不对称高压脉冲轨道电路的传输网络为

利用Matlab对不对称高压脉冲轨道电路进行仿真，取受电端牵引侧阻抗为200 Ω，得到在扼流变压器不同变比下的轨面电压衰减曲线，如图4所示。

图4 轨面电压衰减曲线Fig.4 Attenuation curve of rail surface voltage

不对称高压脉冲的极限长度为0.9 km，送电端以300 V电压为例，图4反应了在不同的扼流变压器变比下，以送电端为坐标零点的轨面电压变化曲线，由图可知，当扼流变压器在较小变比下，轨面将拥有较高的脉冲电压用以击穿锈层，但衰减较大，并且电源功率消耗较大；在较大变比下，轨面电压较低，对于轨面生锈严重的区段，将无法保证分路不良的有效解决。因此对于免调整的不对称高压脉冲轨道电路，一般选择5.5:1的扼流变压器变比，只对于很少走车的牵出线、安全线均采用3.5:1的变比。

2 自动调压装置的设计思路

根据不对称高压脉冲轨道电路的技术要求，二元差动继电器的可靠吸起条件为头部电压不小于27 V,尾部电压不小于19 V，由于该继电器的返还系数为0.5，因此要求轨道电路分路时继电器头部电压不大于13.5 V，尾部电压不大于9.5 V，将分路残压划分为四个电压等级，来判定轨道电路的分路效果，如表2所示。

表2 轨道电路分路效果划分标准Tab.2 Classification standard for shunting effect of track circuit

通过分路状态下的受电端二元差动继电器输入头尾部电压数据采集，建立基于模糊PID算法的自动调压控制模型[7-8]，系统如图5所示，以道床环境条件（环境温度、湿度），不平衡牵引电流的谐波干扰影响等为影响因子，完成自动调压型移频脉冲轨道电路的硬件开发，并对系统的安全性及适用性进行验证。

图5 自动调压型高压脉冲和轨道电路系统框图Fig.5 System block diagram of high-voltage pulse track circuit with automatic voltage regulation

系统逻辑处理流程如图6所示，y0为给定值；yt为实际测量值；e和Δe分别为输入和输入偏差变化率；Xe和XΔe分别为输入和输入偏差变化率的量化因子。

接收端采集分路电压信息，特殊分析处理后形成稳定电压Uf，依据表2的划分标准确定区段的分路等级，对于Ⅲ、Ⅳ级轨道区段，赋予相应的权值驱动模块提升脉冲电压，直到分路电压进入Ⅱ区域为止，而对于Ⅱ级轨道区段，电压保持不变；当采集处理过的分路电压处于Ⅰ级区域时，充分分析外界因素对轨道电路分路造成改变的各种可能性，若是朝着更有利于分路的方向发展，将采用一定权值驱动模块降低脉冲电压，分路电压进入Ⅱ区后维持。若分析朝着更不利于分路的方向发展可能性更大，则保持脉冲电压不变。

图6 自动调压系统逻辑处理流程图Fig.6 Logic processing flow chart of automatic voltage regulation system

采用PLC程序语言进行软件开发，将量化因子置入PLC中，利用A/D模块对输入电压进行采集，经过数据量化处理及模糊控制得到模糊的输出电压，再经过D/A模块执行对发送器的控制。PLC编程因芯片型号不同而不同，但是可按照上述原理进行控制。

3 结束语

本文利用麦克斯韦方程组，建立轨道电路的钢轨传输线方程，并且定量分析了不同扼流变压器变比下对轨面电压以及传输损耗的影响，为自动调压型不对称脉冲轨道电路扼流变压器变比的选择提供理论依据。并且实现了送电端发码器脉冲电压的自动调整，保证在不同的钢轨环境及列车频次的前提下实现轨道电路的可靠分路，在高速铁路大力发展，无人值守站逐渐普及的现状下具有较大的研究价值，数据上传信号集中监测，实现轨道电路动态管理，在保证轨道电路可靠运行的前提下降低管理压力。