电化区段高压脉冲轨道电路干扰机车信号分析

刘 曦

（中国铁路上海局集团有限公司合肥电务段，合肥 230011）

1 概述

目前，国内轨道电路普遍采取通过列车碾压钢轨产生分路效应，达到检测判定列车占用状况的方式，而采取此种分路方式存在易受到轨面锈蚀影响，降低轨道电路分路灵敏度的缺陷，高压脉冲轨道电路是针对这种缺陷研发的新型轨道电路制式，通过输出高压脉冲，产生高压脉冲信号源，提高轨面瞬间击穿电压，解决由于轨面严重生锈带来的分路不良问题，从而改善轨道电路分路灵敏度。高压脉冲轨道电路多用于行车较少、轨面生锈较严重的侧线区段、牵出线等，用于正线及列车进路轨道区段的较少。

2020 年7 月3 日22:31，某次列车在京九线某枢纽站场10 道开车后，因机车信号跳红灯紧急制动停车（头部压岔），22:56 退回10 道。通过本起故障处置，分析研究电气化区段高压脉冲轨道电路在部分特定场景下对机车信号产生干扰的情况，并对此提出解决建议。

2 技术原理

目前，高压脉冲轨道电路的生产厂家较多，发生故障的京九线某枢纽站场在既有场和扩建新增场分别采用两个厂家生产的两种型号的设备，但基本原理一致，均由送电端的高压脉冲发码器、受电端的译码接收器和二元差动继电器组成。高压脉冲发码器通过芯片控制向轨面发送头部和尾部不对称的高压脉冲信号，可根据轨面锈蚀程度和轨道区段长度调整电压，从而击穿轨面锈蚀层，对列车占用情况进行检查；高压脉冲译码器用于接收轨道上传来的高压脉冲信号，通过变换，分别把高压脉冲中的正脉冲和负脉冲输出给二元差动继电器，用以识别轨道区段占用情况。

3 干扰情况分析

3.1 现场实际干扰情况的测试及分析

首先通过机车信号的相关数据进行分析，了解掌握干扰源的情况。

对LKJ 数据文件分析发现，列车出站后，22:30:26 在进入高压脉冲轨道电路区段745-747DG和通过该区段附近，机车信号就收到满足译码幅值要求的异常信号，该信号幅度基本稳定在124 ～129 mV，但载频却在360.1 ～731.9 Hz 间变化，如图1 所示。

图1 相对稳定的机车信号信息Fig.1 Relatively stable locomotive signal information

22:30:39，地面信号载频变成49.9 Hz，幅值为109.6 mV，随后，机车信号译码显示为红黄灯。22:30:46 后，该信号衰减较大，降到46.2 mV，满足不了机车信号译码幅值条件，机车信号认为无码，从红黄灯变为无码，从而显示红灯，触发列车紧急制动，如图2 所示。

图2 异常变化的机车信号信息Fig.2 Abnormal locomotive signal information

如图3 所示，现场对该高压脉冲轨道区段745-747DG 实测发现，在745-747DG 的相邻线路有车通过的情况下，本区段内能测到幅值在180 mA上下，550、650、750、850 Hz 等频率，类似四信息移频信号的谐波干扰，其中，850 Hz 的谐波干扰达150 mA，750 Hz 的谐波干扰达110 mA，650 Hz、550 Hz 的谐波干扰达130 mA，同时存在不断变化的低频信息，而相邻区段谐波干扰仅有20 mA 左右。要点关闭该区段电源，测试干扰电流明显减小，降至10 mA 左右。由此可见，高压脉冲区段存在的谐波成分是可能造成机车信号错误显示的关键。

为进一步确认问题，最大限度还原故障发生场景，在高压脉冲轨道区段745-747DG 发送端设置仪表测试，观察经由该区段内745#道岔反位时通过列车的干扰情况，发现机车到达745#道岔前谐波干扰信息较弱，通过745#反位时会有较短时间的干扰电流，在100 mA 以上。

结合现场情况和轨道电路回流分析，发现高压脉冲轨道区段附近较为特殊，存在干扰的高压脉冲轨道区段745-747DG 位于交叉渡线的一侧，两个相邻的高压脉冲轨道区段与另一侧相邻轨道电路之间的扼流变压器中心连接板之间有横向连接线。在此情况下，当列车占用至743/745#渡线时，受堵流绝缘影响，两根钢轨上的牵引回流流向发生变化，列车运行方向左侧钢轨的牵引回路经由745-747DG送电端方向去往列车后方，列车运行方向右侧钢轨的牵引回流经由743DG 和横向连接线去往列车后方如图3 所示，两根钢轨的回流不平衡，与高压脉冲区段发生的高压脉冲叠加影响，745-747DG 轨道区段内谐波成分中与机车信号载频相同的幅值较大，被机车信号译码装置错误译出信息，从而影响机车信号。

图3 不平衡牵引电流示意Fig.3 Schematic diagram of unbalanced traction currents

3.2 具体干扰情况的分析

电力牵引区段的两根钢轨，在其他区段钢轨承载轨道电路相关信息的基础上，同时作为牵引电流回流的主要通道，轨道电路自身的电流成分加上移频信息和牵引电流25 Hz 叠加在同一钢轨线路上传输，在特定情况下牵引电流因特定因素导致的信息必定影响轨道电路相关信息的准确性。

双轨轨道电路在站内轨道区段的分割点会设置轨端绝缘，为保证电气化区段牵引回流的畅通，现在采取的方法是在轨道电路绝缘处的两端分别设置一个扼流变压器，通过轨端绝缘两边的扼流变压器中心连接板连通牵引回流，两边钢轨传输的牵引电流分别经过扼流变压器上、下线圈。理论上，两根钢轨上的牵引电流应该相等，对应扼流变压器上、下线圈相同匝数情况下，两根钢轨牵引电流分别经过扼流变压器两个线圈时，磁通量相同而方向相反，进而相互抵消，从而在扼流变压器中产生的总磁通量为0，信号线圈上的感应电势也为0，牵引回流就不会产生对轨道电路的影响。而一旦两根钢轨上的牵引回流不同，这种平衡就会被打破，进而影响轨道电路的相关特性。影响情况包括：1） 短时瞬态的不平衡电流有较强的谐波分量，侵扰造成轨道电路相位发生位移，引起轨道电路工作失常，触发轨道继电器误动作，出现瞬间“闪红”的情况。2） 较强的不平衡电流甚至电流脉冲，对轨道电路相关设备造成冲击，轻者造成断路器跳起，重者烧损轨道电路相关设备，击穿轨端绝缘。

不平衡牵引电流对轨道电路产生的影响主要与牵引电流的大小、不平衡系数和轨道电路设备对牵引电流的输入阻抗成正比关系。不平衡系数不是一个常数，是可变的，主要取决于两根钢轨不平衡牵引电流的大小。而引起牵引电流不平衡的因素主要有：1） 因弯道、绝缘节设置位置不对称等因素造成的轨道电路两侧钢轨长度不一致，引起两侧钢轨对牵引回流传输的阻抗不一致；2） 扼流变压器上下部两个线圈的阻抗因工艺或其他因素影响存在差异，使流经两线圈的电流出现差异；3）轨道电路中的各类引接线存在接触不良或截面积存在差异，造成两侧钢轨牵引回流不平衡；4）供电设备放电不良造成漏电、工务线路因素造成两侧钢轨漏泄并存在差异、其他因素导致的一侧钢轨导电率不同等引起的牵引电流不平衡。

本案例中导致牵引电流出现不平衡的原因主要是1）引起，因一侧钢轨的通路受堵流绝缘影响，造成两侧钢轨的牵引电流流向发生差异，两侧的牵引电流至745-747DG 受电端扼流变压器所途经的钢轨长度、钢轨与横向连接线的截面积不一致，造成呈现的总体阻抗不一致，从而引起牵引电流不平衡。

该站场使用的高压脉冲轨道电路，为保证轨道电路分路效应正常，采用发送高压脉冲的方法保证在轨道电路任何一点能够击穿钢轨表面的锈层、油污或其他绝缘物质，从而沟通轨道电路回路，有效检查车列实际占用情况。高压脉冲的特征：1） 脉冲峰值电压在钢轨上可达100 V；2） 脉冲的宽度使轨道电路接收端有满意的峰值电压；3）短轨道电路分流时短路电流大于100 A，长轨道电路分流时为20 A 左右。高压脉冲轨道电路通过送端高压脉冲发生器变换生成不对称高压脉冲信号，经变压器降压后发送至钢轨，经钢轨传输到受端，再经变压器升压后送至译码器，译码器将不对称信号转换为两个直流信号供差动继电器工作。其脉冲特征如图4 所示。

图4 高压脉冲波形Fig.4 High-voltage pulse waveform

高压脉冲轨道电路发送的脉冲信号，电压较高，但电流值不高。虽然是非正弦波形，有一定谐波分量，但其谐波分量中高次谐波分量的有效值较低，相比高压脉冲轨道区段承载的移频信号的强度较弱，不构成干扰。

在轨道电路中存在不平衡牵引电流的情况下，非正弦波的高压脉冲会影响50 Hz 的牵引电流，使其产生波形的畸变，从而在50 Hz 工频电流的基础上衍生出大量奇次谐波成分，而牵引电流较大，发生波形畸变后，谐波分量的峰值也相应较大。

50 Hz 工频谐波分量中与四信息机车信号载频频率较接近的11 次、13 次、15 次、17 次谐波，分别对应机车信号载频的550、650、750、850 Hz，按照傅里叶变换可以得出相对低的谐波分量一般幅值较高。因此前述高压脉冲信号中的奇次谐波与50 Hz 工频牵引电流受畸变影响衍生出的奇次谐波叠加后的幅值，在达到一定数值后，就会被机车信号设备感应到，并进行解码。

按照目前装配的机车信号设备机车信号灵敏度的要求，电气化区段钢轨短路电流550 Hz 满足113±17 mA、650 Hz 满 足90±15 mA、750 Hz满 足69±10 mA 以 及850 Hz 满 足50±8 mA 时即可被机车信号设备接收到。

另外，机车信号设备接收信息从其他制式转为移频或者 ZPW-2000 系列时，信号显示的应变时间不大于2 s。本案例中，机车在进入745-747DG 轨道区段渡线侧时，因刚启动不久且侧向出站，速度在16 km/h 左右，堵流绝缘距渡线绝缘的距离为4 m，在该范围内走行需1 s 左右，在出现满足机车信号解码幅值的载频信号时，机车信号设备是能够接收到并给予解码的。

综合上述分析可以看出，造成该案例中机车信号跳变红灯的原因为：在机车进入745-747DG 轨道区段时，由于高压脉冲叠加影响的不平衡牵引电流高次谐波分量达到机车信号能够感应到的移频信号允许值，触发机车信号解码认为有地面移频信号。而对于机车信号设备，从无码到有信息就解译成红灯，从而触发机车信号紧急制动。

4 整改情况

对此特殊场景，解决的措施有两项：一是消除该区段存在的不平衡牵引电流，从根本上解决不平衡牵引电流受高压脉冲叠加引起的谐波干扰机车信号问题；二是综合比较745-747DG 轨道区段分路不良管理的安全风险与轨道区段产生机车信号干扰的安全风险，考虑对该区段换型为25 Hz 相敏轨道电路。

通过对该站场牵引回流情况分析，在不影响回流的情况下，对745-747DG 和743DG 之间的横向连接线进行拆除，移设至靠站外侧一处区段，能够保证牵引回流畅通的位置。再次在列车通过745#道岔侧向时测试745-747DG 送电端处干扰情况，发现类似四信息移频信号的谐波干扰电流已降至

5 mA 左右，对机车信号显示已不构成影响。

为进一步消除高压脉冲轨道区段中高压脉冲信号可能对牵引回流叠加影响存在的机车信号错误动作或显示的安全风险，已联系设计单位对745-747DG 区段进行改型，该项工作于2020 年12 月完成。

通过上述分析，针对电气化区段有列车进路的轨道区段，在轨道电路的选型上要慎重，防止出现此类高压脉冲叠加影响的干扰信号造成对机车信号显示错误的情况发生。