无绝缘轨道电路电气绝缘节的传输特性分析与研究

无绝缘轨道电路电气绝缘节的传输特性分析与研究

赵越

身份证号码：6201051990xxxx1010

摘要：简述了ZPW2000A无绝缘轨道电路的功能和特点，并结合现场出现的问题和故障，利用传输线和谐振电路的基本理论对无绝缘轨道电路信号的传输特性进行了阐述，对各个传输参数的意义以及它们之间的关系进行了分析，最后提出了合理的建议，这些解决办法对高速铁路设计、建设和维护具有一定的参考意义。

关键词：轨道电路；传输特性；参数分析

0 引言

我国铁路信号系统在从无到有，由弱到强的发展过程中，轨道电路作为信号三大设备之一，一直扮演着至关重要的作用。作为传统装备轨道电路的国家，2002年，在中国召开的国际铁路联盟大会上，当时的铁道部向与会的代表论述了中国列车运行系统的规划，其中明确提出采用轨道电路实现最基本的占用检查，并传递实时列控分级信息。

ZPW2000系列无绝缘轨道电路是我国列车运行控制系统(CTCS)的重要设备之一，该型设备起到了列车占用检查、断轨检查以及向列车传递列车分级控制命令的关键作用，为保障铁路行车安全和提高行车效率做出了重要贡献。

然而，轨道电路在现场运用多年的过程中也出现一些问题：

(1)轨道电路的绝缘节若完整性丧失将导致串码干扰；

(2)站内轨道电路的机械绝缘节在大功率机车、动车组大电流的通过下（尤其是发车启动时），易被电弧放电烧毁；

(3)轨面环境参数恶化，轮对踏面和钢轨的接触阻抗增加，导致分路不良，产生白光带；

(4)轨下环境参数恶化，导致轨道电路道床电阻降低，产生红光带。

前三种问题会直接影响行车安全，甚至危及设备和人身安全，而第四种问题虽不至影响行车安全，但在降水区、隧道内、江河湖海边却大量出现，导致现场维护调整频繁。

由此看出，轨道电路大部分故障都是室外部分参数恶化引起的。本文通过对ZPW2000A型无绝缘轨道电路的室外工作原理的计算，分析产生以上问题的原因，并给出对应的解决对策。

1ZPW2000A无绝缘轨道电路的概述

我国目前使用的无绝缘轨道电路主要采用ZPW2000系列，其中应用最广的就是ZPW2000A无绝缘轨道电路。

ZPW2000A无绝缘轨道电路的室外部分主要分为调谐区、机械绝缘节、匹配变压器、补偿电容、电缆、扼流变压器以及设备引接线组成。其中调谐区的类型又分为“电气-电气”绝缘节，“电气-进站机械”绝缘节以及站内“机械-机械”绝缘节，其示意图如图1.1、图1.2、图1.3。ZPW2000A无绝缘轨道电路的室内设备主要由发送器、接收器、衰耗器、电缆模拟网络盘以及通信接口板等设备组成[1]。

图1.1 ZPW2000A电气-电气绝缘节示意图

图1.2 ZPW2000A机械电气绝缘节局部示意图

图1.3ZPW2000A站内一体化机械绝缘节局部示意图

2ZPW2000A无绝缘轨道电路的室外工作原理

电气绝缘节是无绝缘轨道电路室外的重要组成部分，电气绝缘节由调谐单元、空心线圈以及约29米的钢轨组成，用于实现相邻两轨道的电气隔离，并实现工频电路的平衡。

电气绝缘节的构成如图2.1所示，其中R、L是有砟路基29米钢轨的电阻和电感，Rr、Lr是设备引接线的电阻和电感。为了便于对调谐单元的参数进行分析与计算，可以忽略R、L、Rr、Lr，则认为电气绝缘节是一个纯电抗性电路，其电路化简为如图2.2所示[2]。

图2.1 电气绝缘节示意图

图2.2 简化后的电气绝缘节示意图

对于较低频率的信号源f1(1700Hz,2000Hz)，设置F1型调谐单元，对应的元件主要由L1、C1。对于较高频率的信号源f2(2300Hz,2600Hz)，设置F2型调谐单元，对应的元件为L2、C2、C3[3]。

2.1 F1型调谐单元

F1单元对频率f2言呈现串联谐振

(2.1)

当时，呈现串联谐振，此时F1调谐单元短路的阻抗最小，f2可以视为被F1调谐单元短路。

F1型调谐单元对f1呈现容性，并与调谐区钢轨、SVA的综合电感构成并联谐振，二者条件为：

即，F1单元对频率f1言，

(2.2)

其中：Lv为钢轨与SVA的综合电感，如图2.3所示：

图2.3  Lv综合电感示意图

60kg的1435mm钢轨电感值约为1.3μH/m，在1592Hz 频率信号条件下进行测试，通流2A，测得设备的有效电阻和电感值为33.5μH，电阻 18.5mΩ。

(2.3)

由式2.3，等式两边得：

又因为，

(2.4)

以上分析计算没有考虑电气元件的电阻，此时的电路的阻抗最高。

2.2 F2型调谐单元

F2单元对频率f1言

(2.5)

F2元对频率f2言，应满足与空心线圈和钢轨组成的综合电感LV构成并联谐振，但是由于f2》f1，在f2时，L2与C2串联成感性，即

其等效电感为：

(2.6)

为此，F2型调谐单元还应并联一电容C3，该电容与L、LV三者并联，构成对f2频率的并联谐振，如图2.3所示。

图2.3F2调谐单元的等效变换

即

(2.7)

整理得，

(2.8)

2.3钢轨传输特性

轨道电路在实际运用过程中，还会受到桥梁、隧道、有砟路基、无砟路基、天气环境的影响，

目前现场经常出现的问题有低道床电阻以及分路不良的问题。目前，我国高铁客专基本采用无砟轨道，但是由于无砟轨道与传统有砟线路结构不同，道床内部的钢筋交错，这与轨道电路的电流形成互感，恶化了轨道电路的一次参数，使得无绝缘轨道的在无砟线路使用时，有效传输距离明显缩短。其他低道床电阻的原因还有煤粉、砂石掩埋钢轨、钢轨扣件失效、降雨泥水污染等[4]。其主要原因和特点如表2.1所示。

表2.1 低道床电阻的成因对比

而轨道电路分路不良是指当列车通过后，轨道继电器不能落下，而丧失分路多为瞬间，但也有保持较长时间的问题。

列车分路不良主要是因为列车车轮和金属间接触阻值增大，钢轨轮踏面氧化或其他因素导致的绝缘层如雨水潮湿导致钢轨氧化、煤渣粉尘覆盖导致接触不良、机车车辆机油附着、新开铁路线路、日行车对次数很少等。其中，轨道的传输参数可以用单位钢轨电阻，单位钢轨电感，单位道砟漏导等参数衡量[5]。

这些钢轨的传输参数可用传输线理论进行分析计算，即：

(2.9)

对上式两边求导

(2.10)

根据线性二阶常系数微分方程的解可得：

(2.11)

式中：US、IS为轨道电路的始端电压和电流；UZ、IZ为轨道电路的终端的电压和电流；ZC、γ为轨道电路特性阻抗以及传输常数，这就是轨道电路的二次参数。

对轨道电路一次参数的测量经常采用“两次短路法”，即在距测量端l处测量一次输入阻抗Zin1，第二次在在距测量端2l处短路，从测量端测算出输入阻抗Zin2[5]，即

(2.12)

可得

(2.13)

那么

(2.14)

(2.15)

式2.15中，R0是单位钢轨电阻，L0是单位钢轨电感，G0是单位道砟漏导，其倒数就是单位道砟电阻，C0是单位道砟电容。以上就是计算钢轨一次参数的过程。

根据以上计算过程可以发现，钢轨的特性阻抗越小，无绝缘轨道电路的分流和损耗都将增加，使其控制长度缩短。

3元件参数分析

对于F1型调谐单元，当调谐区段确定以后，元件C1和L1的电气参数就可以确定。

对于F2型调谐单元，可以依据F1型调谐单元的参数选取L2、C2，进而确定C3的参数，即C2为设定，那么：

(2.16)

C2选择较小，L2较大，不利于相邻的区段信号的电气隔离。C2选择较大，L2较小，虽有利于实现电气隔离，但L2减小，又使得F2型凋谢单元对f2的并联谐振阻抗降低，增大了信号的衰耗，另外电容越大，电容器的体积极度增大，这增加了制造的困难。

关于调谐区段的长度，从实际应用考虑，电气绝缘节的长度自然越短越好，但实际上当调谐区段的长度的选取较小时，根据公式，Lv减小，C1增大，L1减小，由于Lv减小，使并联谐振阻抗降低，从而分路了部分F1型调谐单元的电流，即增加了f1信号的衰耗。

由于电气绝缘节处的品质因数Q一般取值为6-10，所以只能近似等效为高Q并联谐振电路。

(2.17)

若调谐区段的长度降为原来的一半，则：

(2.18)

由式2.18可以看出，长度减少一半，调谐区的并联谐振阻抗也减少约一半，这导致了对本区段频率的接收能力降低了一半，也就是增加了信号的衰耗。

而当调谐区段的长度的选取较长时，根据公式，Lv增加，C1减小，L1增大，由于Lv增加，L1增大，钢轨电阻，线圈内阻必然增大，同理亦不适合对相邻区段的电气隔离。

由此可见，影响调谐区长度的因素有很多，而且很多影响因素互相制约，因此目前可行的办法主要就是根据现场的实际情况进行适当的选取。

应当注意的是钢轨、钢轨引接线、线圈上的电阻，当其电阻较大时，串联谐振时的总阻抗也比较大，从而加大了F1型调谐单元f2信号源的电压，因此增加了相邻区段的载频对本区段的干扰。

由于忽略了钢轨电阻，设备与钢轨连接线电线的电感、电阻线圈及电感中的电阻等，实际上BA、SVA至钢轨引接线采用了两根长度分别为1.6m和3.6米的钢包铜线，其对不同信号频率有不同的电感和电阻值，其参考见表3.1。

表3.1 引接线的电感、电阻参考值

因此，在确定BA的过程中，为了抵消钢轨引接线的电抗影响，在谐振频率点，BA的LC串联支路应略成容性。在实际制造过程中，对C1、C2、C3均有并联一小可变电容进行补偿和调整。

对于道砟电阻可以利用“双短路法”测得。由表3.2得出在无砟条件下，线路的损耗比标准大为增加；而由表3.3可以得出，在降水多的线路，道砟电阻下降明显。

表3.2 接收端分流损耗对比

表3.3 双短路法测试数据

4结论

无绝缘轨道电路的电气绝缘节对ZPW2000系列轨道电路起至关重要的作用，是实现信号隔离的关键环节，不设置调谐单元，会导致机械绝缘节破损后，邻区信号干扰,严重危及行车安全[7]，电气绝缘节设置的过大，导致死区段增大，也不利于对邻区段的电气隔离，电气绝缘节设置的过小，导致本区段的信号接收衰耗增大，不利于本区段的信号传输，由此可见电气绝缘节的设置应根据所处地段分情况设置。道砟电阻低的区域，如无砟区段，应适当提高电气绝缘节的长度，使得道砟衰耗尽量减少，在有砟区段，可以尽量减少电气绝缘节的长度，使得本区段的死区段尽量减少。为了提高线路的道砟电阻，可以在板式道砟内的横向钢筋交叉点使用塑料绝缘隔离、将钢筋表面进行绝缘处理或尽量减少钢筋内的环网表面积。对于既有线路只能通过道砟清筛，更换钢轨绝缘扣件的方式处理。

5展望

由以上分析可知，轨道电路调整参数众多，而且不少条件仅依靠电务或信号专业难以达成，因此需要多专业的配合，导致调整困难。而目前列控的占用检查，发送地面控制码序，按固定闭塞方式进行追踪，这些都是依靠轨道电路完成的，因此轨道电路已成制约铁路高速化的重要制约因素。只要未能实现移动闭塞，必然会造成列车追踪间隔偏大，也必然会造成地面设备种类繁多、功能交叉。探索新型无线列控方式已成为必然趋势。

由于轨道电路在钢轨断轨检查中的作用还不能替代，可以考虑采用计轴+极简无绝缘轨道电路+应答器的方式完成区间移动闭塞。其中计轴和应答器将作为移动闭塞MA的重要参数来源，而简化后的无绝缘轨道电路只发送检测和故障两种码序，不直接参与无线MA的生成。

此种方式可以极大的降低轨道电路的投资、设计、施工、维护成本，为最后完全实现无线移动闭塞提供过渡方案，而真正的实现该种技术革新，不仅需要完备的理论和技术作为基础，更需要每一个铁路工作者转变思想观念，积极创新与创造。

参考文献

[1] ZPW-2000A型无绝缘移频自动闭塞系统培训教材[M]. 北京全路通信信号研究设计院有限公司,2003.

[2] 铁科运[2006]26号关于印发《ZPW-2000A无绝缘轨道电路设备》等14项客运专线铁路信号产品暂行技术条件的通知[S],2006.

[3] 客专ZPW-2000A型无绝缘轨道电路培训教材[M]. 北京全路通信信号研究设计院有限公司,2009.

[4] 禹志阳,杨奎芳,申凤鸣.轨道电路在无砟轨道条件下传输特性的研究[J]. 铁道学报2007. (29): 122-126.

[5] 王贵春,颜艳桃.钢轨传输特性分析及参数测量实现[J], 铁道通信信号. 2011.(47):22-25.

[6] 祁少康,陈建译.ZPW-2000A轨道电路红光带的分析方法和影响道砟电阻的成因[J].铁路通信信号工程技术. 2013.(10):93-95.

[7] 工电函[017]-1号-《站内一体化轨道电路股道绝缘破损信号跨区干扰防护措施措施技术评审意见》[S],2017.

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