有轨电车专用轨道电路（ITCM-100型）工程应用研究

2021-12-31杨峥岭杨建华

铁路通信信号工程技术 2021年12期

杨峥岭，杨建华，刘尧，张楠，杨普

（通号万全信号设备有限公司，杭州 310000）

有轨电车快速发展，对快速、高效有了明显的需求。现代有轨电车采用专用路权的线路也越来越多，运行控制系统的稳定性和安全等级要求越来越高。正线岔区列车占用检测在有轨电车运行控制系统中，一直是个关键难点。目前国内外已开通的有轨电车运行控制系统中，正线岔区占用检测大多采用计轴、信标、环线等设备，轨道电路设备使用极少。通号万全信号设备有限公司自主产品ITCM-100型智能轨道电路填补了国内有轨电车专用轨道电路的空白。该轨道电路设备应用在天水有轨电车示范线（一期）正线，上线到运营使用已一年时间，其性能稳定、故障率低、维护方便，大大减少了运营维保工作量。下面从设备原理、产品横向对比、工程应用等方面进行分析。

1 设备原理

ITCM-100型轨道电路采用谐振式技术检测占压，利用钢轨作为电感，中间设置可调节电容，对于列车跳车识别、分路不良等因素均不影响列车占压识别，具有很高的可靠性。该产品已通过最高安全等级SIL4评估认证，符合“故障-安全”的原则。

ITCM-100型智能轨道电路系统由轨旁设备及轨面设备两部分组成。轨旁设备主要由隔离变压器、开关电源及智能轨道模块组成，其核心设备智能轨道模块采用二取二结构，负责轨面信号的发送与接收并将轨道区段状态（占压或空闲）通过安全继电器上报联锁系统；轨面设备主要由短接线、发送盒、接收盒和电容组成。轨旁设备和轨面设备系统连接原理，如图1所示。

图1 轨旁设备和轨面设备系统连接原理Fig.1 Connection between trackside equipment and rail surface equipment

轨面设备系统如图2所示。将轨道电路两端用120 mm2铜线短路，构成一个封闭回路。中间加装一个电容，电容的容量是与其并联的钢轨电感（有轨电车钢轨电感为1.3 µH/m）组成一个谐振于20～30 kHz的谐振回路，频率按公式（1）计算。

图2 ITCM-100型智能轨道电路系统示意Fig.2 ITCM-100 intelligent track circuit system

公式（1）中，f——谐振频率；L——钢轨感抗；C——电容值。

ITCM-100型智能轨道电路谐振式采用较高的频率20～30 kHz（ZPW-2000发送电压频率的10倍），以增大钢轨感抗，提高传输电压（发送电压范围20～65 V）；采用并联谐振的工作模式，以增加电流，提升传输距离；采用频谱分析的方法，以检测接收频率，提高抗干扰性。以下对轨道电路几种工作场景进行分析。

调整状态（无车压入的工作状态）：发送模块产生一个与轨道电路谐振频率相同的正弦波电压信号通过电缆、匹配盒内的限流电感和匹配变压器送到发送一侧的钢轨轨面；经钢轨传送到接收端的匹配盒；再经接收匹配盒内的变压器、电缆传送到接收模块；接收模块分析接收到的信号幅度、频率成分，判断是否为发送端送来的正常信号。如果通过判断可以证明没有列车进入该区段，控制轨道继电器（GJ）吸起并通过通信系统/继电器接点向区域控制器发出该区段空闲信息。

分路状态（有车进入的状态）：当有车进入该区段（发送盒和接收盒之间）时，钢轨被轮对短路，发送盒发出的信号大部分经轮对回流。同时由于钢轨的电感量改变，使得谐振频率发生变化，回路不再与信号频率谐振，这样回路的阻抗也大大提高。接收端得到的信号电压大大降低。接收端通过判断（有效信号幅值已低于门限），GJ落下并通过通信系统/继电器接点向区域控制器发出该区段有车信息。这时发送模块的负载可能变得很小，（轮对压在发送匹配盒附近）电流会变大，有限流电感的存在可以将这个电流控制在安全范围内。

防止列车跳动：列车进入区段后车轮由于列车震动可能会瞬间离开钢轨，造成列车还在区段内便有列车出清的反应。为此系统在硬件和软件中采取以下措施解决上述问题：轨道继电器采用缓吸措施，也就是列车出清后不立即吸起而是延长一段时间，在延长的时间内不再有列车占用信息，则控制继电器吸起。否则不吸起。同样送出的空闲信息也延时发出。若有多个轨道电路组成的轨道区段还要经区域控制器经过逻辑判断决定该区段是否出清。

2 主流产品横向对比

目前有轨电车空闲检查的设备主要有3种：计轴式轨道电路、信标读卡器和感应环线。这些设备在有轨电车系统中的应用都有一些不足。

计轴式轨道电路存在需要记住历史数据的缺点，如果出现断电将无法准确判断列车实际位置。另外运营部门大多不允许锯护轮轨，设备只能安装在钢轨外侧。考虑到弯道影响还必须装双套，设备的灵敏度和可靠性都有所下降。

信标读卡器是在地面安装信标在车上安装读卡器，在车通过信标时车载设备读出列车位置并通过区域通信将信息传送给地面控制设备。设备比较复杂，如果通信故障对行车控制来讲是危险的。所以其可靠性和安全性不够理想。

感应环线是在线路钢轨内侧加装感应线圈并连接发送接收设备，车上安装车载设备与天线。可以完成车地双向通信，采用全双工通信模式。车载设备可以得到定位信息和地面信号信息，地面设备可以得到机车类型和车次信息。由于车辆和地面均有设备且相互通信，任意单点设备故障都将无法正确得到区段空闲信息。

有轨电车专用谐振式轨道电路可以较好克服上述设备存在的不足，空闲检查性能对比如表1所示。

表1 空闲检查设备性能对比Tab.1 Comparison of the performance of equipment for detecting clear sections

通过对比发现有轨电车专用轨道电路使用不担心设备停电，设备结构相对简单，可靠性和安全性都比较好。使用场景也较广泛，主要用于城市交通路口，检查道岔区域和进路前方有无列车，作为道岔转换开放信号的必要条件。

对于一组道岔来说要有预告区段、接近区段、岔心区段、定位区段、反位区段和定位离去区段、反位离去区段。对于一个道岔控制区有多组道岔，根据相互关系可以从逻辑上合并检查。

轨道电路也可用于区间列车的运行间隔控制，成本比卫星定位系统高一些，但可靠性也高很多。

3 工程应用

在工程设计时，一个联锁逻辑区段（A-B区段）由2个轨道电路（A轨道电路、B轨道电路）组成，如图3所示。联锁逻辑运算时，当有一个轨道电路占用（A或B）时，该逻辑区段（A-B区段）就显示占用状态，若另外一个轨道电路未占用，则联锁逻辑区段不能出清。只有按照进路方向顺序占压并出清轨道电路，该联锁区段才会显示出清，进路才会解锁，保证行车安全性。

图3 逻辑区段与轨道区段设置举例Fig.3 Example of logic section and track section

在工程安装方面，轨面设备主要通过连接线方式连接钢轨。导线与钢轨有两种连接方式：塞钉式和焊接式。

1）塞钉式：将导线预先焊接在塞钉的预留孔内。在现场钢轨上打孔，然后将塞钉铆接在孔上。优点：现场安装设备较简单；缺点：对钢轨的机械强度有一定影响，同时在前期试验中发现接触电阻比较大且施工难度也较大。

2）焊接式：将导线预先焊接在安装板的预留孔内。在现场用电焊机将安装板焊接在钢轨上。缺点：需要现场焊接；优点：对钢轨的机械强度基本没有影响，接触电阻小。

在轨道区段内不能有其他专业的设备，特别是不能有牵引电流的均流线（或叫回流线）。

不同长度的轨道区段设备安装位置不同，电容安装在中间位置，两端为发送盒和接收盒。以发送盒的安装位置为例，如表2所示。

表2 不同长度的轨道区段设备安装位置Tab.2 Installation positions of equipment in track sections of diあerent lengths

不同长度的轨道区段电容的选配,匹配的谐振频率在20～30 kHz之间选择。为了防止电流越区传输造成非安全影响，相邻区段的中心频率（谐振频率）采用高低间隔配置。22.5 kHz附近为低频、27.5 kHz附近为高频。同样长度的轨道区段设置为高低频时电容会有一定变化。不同长度的轨道区段电容选配如表3所示。

轨道电路机笼固定在区域控制箱内，尽量靠近区域控制器机笼。依次插装电源板和各个轨道电路板。按照配线图接入电缆线、通信线和继电器接点线。发送输出电压分4档：33 V、44 V、55 V、66 V, 现场根据区段长度灵活调整。传输电缆采用L-2Y2YCY两芯屏蔽专用电缆，接头要做防水处理，单根电缆长度一般不超过200 m。

表3 电容选配Tab.3 Capacitance selection

当调整轨道电路时，只需要在轨道电路板卡上进行操作（如图4所示），分为自动和手动两种模式。自动模式只需要调整智能轨道模块就可以实现自动搜索频率和记录电压，系统根据现场道床环境和轨道电路电气特性自动选择最佳的频率和电压。智能轨道模块包括发送端显示屏（下）、接收端显示屏（上）及8个按钮。发送显示屏显示发送电压、发送电流、发送频率；接收显示器显示接收频率、接收电压、接收门限、轨道继电器状态；发送显示器、接收显示器下面各有4个按钮：上升、下降、确认、手动/自动。当需要小范围调整时，可使用手动模式对频率和电压进行设置。显示屏直观显示实时电压，为后期故障处理和维护维修提高了效率。