智能化25 Hz相敏轨道电路扼流变压器系统的研制与应用

丁若，严大龙，雷斌

在铁路信号系统中，扼流变压器是安装在轨道电路牵引回流与钢轨的连接处，用于导通牵引电流，或安装于区间上、下行轨道电路中，避免牵引电流影响轨道电路正常工作的设备［1］。经研究发现多个决定轨道电路工作状态的电气特性物理量都是由扼流变压器传输的，而目前扼流变压器的主要作用仅是抑制机车牵引电流对轨道电路传输控制信号的干扰，因此提出设计利用扼流变压器进行参数测量，以全面了解掌握轨道电路的工作状态，由此形成智能化扼流变压器的系统方案［1］。

25 Hz相敏轨道电路的基本工作原理是在发送端采用磁铁变频器，将50 Hz工频交流电变频为25 Hz交流电，并以此作为传输信号，对轨道电路进行传输。发送端采用集中调相方式，局部电源电压相位超前于轨道电源电压90°；接收端采用交流二元二位轨道继电器（或接收器），局部和轨道线圈分别由独立的分频器供电，具有可靠的频率和相位选择特性，因此抗电化干扰能力较强，且具有可靠的绝缘破损防护能力。目前25 Hz相敏轨道电路已经成为我国电气化铁路站场广泛使用的列车占用检查设备，提升25 Hz相敏轨道电路状态监测的智能化水平具有现实需求和广泛的应用前景，为此本文研究重点围绕智能化25 Hz相敏轨道电路扼流变压器系统（简称“智能化系统”）的研制与应用开展。

1 设计目标

系统总体设计方案即在轨旁的普通扼流变压器初级及次级侧增加电子电路模块，对25 Hz相敏轨道电路各种参数进行实时监测分析［2］，以便在发生故障时，自动诊断轨道电路故障类型及位置，缩短故障处理时间，并提供全面的轨面历史数据记录，协助分析各种瞬间故障的原因。

2 系统结构

智能化系统主要由具备监测模块的扼流变压器、文件服务器、中心服务器、查询终端、后台管理服务器、室内通信主机等组成［3］，系统总体架构见图1。其中，监测模块由电流测量传感器、检测电路、存储电路、调制解调芯片等集成，与扼流变压器形成一体，不影响轨道电路的正常工作，由室内通过电缆集中供电。扼流变压器监测模块采集数据后，先进行选频滤波等分析计算，然后将结果数据发送给调制解调芯片调制，再通过电力载波总线［4］传输到室内，经调制解调器解调后传送至通信主机。后台文件服务器、中心服务器负责数据的存储、归集和整理；查询终端对用户提供数据输出；后台管理服务器主要完成系统数据的回放、分析等人机交互功能。

3 带监测模块的扼流变压器

在普通扼流变压器上增加监测模块，可掌握扼流变压器上传输信号的数据变化。先将采集到的扼流变压器各端子电流/电压信号送至微控制器，再通过有限长脉冲响应（Finite Impulse Response，FIR）数字滤波器软件算法，提取轨道电路中的25 Hz、50 Hz、高频电码化等信号频谱，经调制解调后传至通信机作为数据来源［5］。

3.1 监测模块

监测模块主要由微控制器、传感器、滤波电路、闪存、调制解调芯片等组成，电路结构见图2。微控制器利用软件FIR数字滤波器技术，可分离各种频率信号，分别计算出各种频率信号的幅值和相位，并对扼流变压器上传输的关键电压/电流进行不间断地测量、分析和计算［6］。

监测模块测量分析频率为1次/s，可实时通过电力载波总线将计算结果发送给室内通信主机，同时将结果保存在自带的闪存芯片中。当通信主机向指定的监测模块发送查询历史数据指令时，该监测模块就读取保存在自带闪存芯片内的历史数据，回传给通信主机，实现对历史数据的定点查询。

1）电压传感器及滤波电路见图3。在被测电压与电压传感器输入端之间串接1个5.1 kΩ和1个10 kΩ的电阻，用来限制输入电流。这样即使电压传感器或次级电路内部发生短路，也能确保扼流变压器正常工作。电压传感器输入端串接熔断器，一旦流过大电流，可及时切断电压传感器与被测电压的连接。选用的电压传感器均为隔离型，可避免多路被测电压及监测电路之间的互相干扰。图3中R21与C54构成低通滤波电路，可过滤掉高频成分，便于后续的软件滤波计算；D23、D24为保护二极管，防止输入的信号幅度过高或过低，避免损坏微控制器的模数转换器（ADC）输入管脚。

图3 电压传感器及滤波电路

2）电流传感器采用钳形表形式，其输出端连接的低通滤波电路与电压传感器所接低通滤波电路原理相同。

为了在扼流变压器的初级准确测量不平衡牵引电流和轨道电路信号电流，对扼流变压器上/下2个线包的扁铜线绕制方法进行特殊处理，使流过扼流变压器上/下2个线包的牵引电流分别从2个不同方向流过电流传感器。电流传感器输出的50 Hz信号等效于2根钢轨上牵引电流的差值，25 Hz（或高频电码化）信号等效于2根钢轨上轨道电路信号（或高频电码化）电流的和值。通过以上方法可大幅降低后续采集计算的实现难度。

3）微控制器使用STM32F103VET6。外围电路采用闪存芯片，用于保存扼流变压器的本地历史数据。为保持监测模块工作稳定及安全性，微控制器的接口与调制解调芯片之间采用光电隔离。电力载波总线波特率选用9 600 bit/s，理论传输距离大于2 000 m。

4）监测模块还设置了RS-232接口，既可用于校准电压/电流时输出测试值，也可用于修改监测模块的时钟参数等。电路中使用了MAX3232芯片，可将微控制器串口的TTL电平信号转换成RS-232电平信号［7］。

3.2 软件流程

监测模块运行的软件采用C语言，程序主函数每隔1 s循环1次。在循环函数内，首先判断是否需要修改内部参数，ADC采样是否已经完成；再进行滤波计算，得到各频率成分的分量，并根据电力载波总线收到的指令，判断是发送当前实时数据，还是从闪存中读出历史数据，并向总线发送；最后本地串口发送当前实时计算结果。监测模块运行的软件流程见图4。

图4 监测模块运行的软件流程

由于扼流变压器监测模块测量的信号是由25 Hz、50 Hz、电码化频率（1 700 Hz、2 000 Hz、2 300 Hz、2 600 Hz）等多种信号混合而成，且50 Hz的牵引电流信号还有多种谐波成分，因此需采用FIR数字滤波器软件技术，对各种信号进行滤波计算，以便得到各频率分量的幅值和相位。

1）对于25 Hz、50 Hz带通滤波器，设计基本参数为：取样频率387.5 Hz（中点频率193.75 Hz），滤波器阶数124阶，频率分辨率=取样频率387.5 Hz/滤波器阶数124阶=3.125 Hz，取样点数200个（取样时间长度0.52 s）。

2）对于1 700 Hz、2 000 Hz、2 300 Hz、2 600 Hz带通滤波器，设计基本参数为：取样频率12 500 Hz（中点频率6 250 Hz），滤波器阶数250阶，频率分辨率=取样频率12 500 Hz/滤波器阶数250阶=50 Hz，取样点数750个（取样时间长度0.05 s）。

软件进行滤波计算时，先根据以上带通滤波器的参数，采用计算机辅助计算，得到滤波器的单位脉冲响应序列；再在计算得到滤波器的单位脉冲响应序列值后，代入FIR数字滤波器的差分方程。由于参数具有对称性，程序上利用该特性可减少计算的工作量，缩短微控制器的计算延时［8］。

4 通信主机

通信主机的主要功能是将后台监测计算机RS-232串口发送的控制指令转换成总线数据，经过调制解调器发送给各个扼流变压器的监测模块，并将监测模块发回的实时数据，或者历史定点查询数据，再经调制解调转换成RS-232串口数据，发送给后台监测计算机。

通信主机的运行软件采用C语言编写，程序启动后，先初始化各模块功能，读取当前时钟并同步后再读取查询命令、接受查询命令、输出查询值并开启下一个循环。通信主机运行的软件流程见图5。

图5 通信主机运行的软件流程

5 后台监测计算机

由于智能化系统需要较强的实时性数据采集和计算，以及对数据结果进行可视化曲线展示，因此需要系统软件提供较强的并发操作和快速处理数据的能力。后台管理软件建立数据缓冲区、数据处理及分发引擎、数据展示引擎等，可动态计算并处理数据，使数据在互不干扰的情况下进行多任务操作，加快系统处理数据的速度。后台监测计算机管理软件结构见图6。通过程序控制可以实现对数据采集端口的增加、删除、启动及停止，维护轨道基本数据信息；处理采集的实时数据，并进行可视化展示；对扼流变压器的历史数据进行查询并展示［9］。

图6 监测计算机管理软件结构

为减少对室内外互联电缆芯线的额外需求，室外扼流变压器与室内通信主机间的数据传输选用电力载波通信总线，各个扼流变压器监测模块内部均有存储电路，可以存储记录7天以上历史数据，便于事后的查询和分析。而后台管理软件具备完善的记录和查询功能，可记录1个月以上的工作情况数据。

6 应用情况

2022年，该智能化系统在广州电务段下元练功场进行了上道试验。试验环境为25 Hz相敏轨道电路一送一受区段，有电码化隔离设备。试验模拟轨道电路的正常调整状态，并设置送电端扼流变压器信号侧前端故障、轨面开路、轨面短路（或道床电阻偏低）、受电端扼流变压器信号侧后端开路、受电端扼流变压器信号侧后端短路等故障。

通过设定特征阈值，智能化系统可将电压、电流值与故障特征阈值参数比较，从而判断故障类型和位置。故障判别对照见表1。

表1 故障判别对照

通过试验验证，该系统均能给出准确的判定，自动测试的各项数据也与人工测试的数据相同，达到了预期效果［10］。随后，该系统在广州东站折返段上道试用3个月，期间正确地判定了多次轨面短路故障，缩短了故障处理时间。

7 结束语

经过反复现场试验和后续持续改进，智能化扼流变压器系统已经完成了预期研制目标，各项性能达到设计要求，在故障发生时，能够自动判断分析故障类型和大致故障位置，显著缩短故障处理时间，从而为我国铁路现场站内25 Hz相敏轨道电路的运用、检修维护，提供可靠的技术保障；为分析各种轨道电路故障提供全面的历史数据，具有较为广泛的应用前景和价值。