任 軍魯恩斌

（1.北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073；2.武漢鐵路局電務處，武漢 430071）

ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)研究

任 軍1魯恩斌2

（1.北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073；2.武漢鐵路局電務處，武漢 430071）

闡述ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路的功能、系統(tǒng)構成、主要設備的工作原理。對ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路傳輸安全性問題，包括解決分路不良、絕緣破損檢查、道岔跳線斷線的列車分路檢查、斷軌檢查、站口兩端復線間橫向連接線的同時設置、“絕緣單破損+列車分路側扼流單斷線”的列車分路等進行分析。

ZPW-2000A；脈沖信號；移頻信號；軌道電路；傳輸安全性

為解決全路既有軌道電路存在的分路不良、斷軌斷線、絕緣破損、道岔跳線斷線等諸多問題，在既有成熟的ZPW-2000A軌道電路和高壓脈沖軌道電路基礎上，北京全路通信信號研究設計院有限公司于2009年開始研制ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)，系統(tǒng)于2010年6月完成了室內樣機的研制工作，并于2010年7月通過了原鐵道部專家組的室內審查測試。根據(jù)原鐵道部安排，系統(tǒng)于2010年9月在武漢局下辛店車站全站開始現(xiàn)場試用。2013年12月，更換為正式定型設備。2014年10月，系統(tǒng)技術（暫行）條件通過了鐵路總公司技術評審。

1 ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路的主要功能

ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路是吸收國內外站內軌道電路先進技術，在既有成熟運用經驗的ZPW-2000A軌道電路基礎上，混合高電壓多頻率不對稱脈沖信號和移頻信號而構成的一種新型站內軌道電路。系統(tǒng)的最大特點是發(fā)送器輸出的信號是由移頻信號和脈沖信號混合而成。系統(tǒng)具備下列基本功能：

1）調整狀態(tài)時，實現(xiàn)區(qū)段空閑檢查。

2）分路狀態(tài)時，實現(xiàn)區(qū)段列車占用檢查。

3）實現(xiàn)向車載信號設備信息的傳輸。

2 ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路的系統(tǒng)構成

ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路由室外設備和室內設備2部分組成。室外設備包括電纜、扼流變壓器、補償電容、并聯(lián)分支鋼軌連接線、扼流變壓器鋼軌引接線及回流電抗器等。室內設備包括發(fā)送、接收、電纜長度補償、發(fā)送端冗余切換、接收端信號分離、電平調整及監(jiān)測設備等。

系統(tǒng)構成如圖1所示。站內發(fā)送器根據(jù)列控中心下發(fā)的編碼條件，輸出相應的脈沖移頻信號，先經“1+1”轉換、方向電路、防雷模擬網絡送至室外電纜，由扼流變壓器傳輸至軌道送端，信號通過鋼軌傳輸至受端后，經扼流變壓器傳輸至衰耗冗余隔離器。衰耗冗余隔離器將移頻信號和脈沖信號進行分離后，由站內接收器對脈沖信號和移頻信號獨立進行解析。移頻信號和脈沖信號以“與”的邏輯關系，即任一信號低于門限值以下，軌道繼電器處于落下狀態(tài)。心點

圖1 ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)結構框圖

3 主要設備工作原理

3.1 站內發(fā)送器

站內發(fā)送器原理如圖2所示。站內發(fā)送器由雙處理器、CAN通信、編碼輸入條件、移頻信號發(fā)生器、移頻功率放大電路、DC-DC高壓電源、脈沖充放電電路、安全與門電路、移頻檢測電路、脈沖檢測電路、移頻脈沖混合輸出電路組成。

站內發(fā)送器用于產生高精度、高穩(wěn)定的移頻和脈沖混合信號源，可以通過CAN通信總線傳輸和繼電編碼兩種方式作為低頻和載頻選擇，系統(tǒng)采用“1+1”冗余方式，以提高系統(tǒng)可靠性，主要完成如下功能：

1）實時的數(shù)據(jù)通信；

2）產生18種低頻、8種載頻的高精度、高穩(wěn)定、足夠功率的移頻信號；

3）產生8種頻率的高壓脈沖信號；

4）移頻信號和脈沖信號的混合輸出；

5）系統(tǒng)故障檢測并給出報警及“1+1”冗余切換條件；

6）對設備進行自檢，故障時通過總線向監(jiān)測維護主機發(fā)出報警信息。

3.2 站內接收器

站內接收器原理如圖3所示。站內接收器由雙處理器、CAN通信、編碼輸入條件、AD采樣電路、安全與門電路等組成。

站內接收器可接收并處理鋼軌回饋的移頻信號和脈沖信號。該接收器可以通過CAN總線傳輸和繼電編碼兩種方式作為移頻和脈沖信號的頻率選擇，可以同時處理兩個區(qū)段的信號，系統(tǒng)采用雙機并聯(lián)運用冗余，以提高系統(tǒng)可靠性，完成如下功能：

1）對軌道電路移頻信號的解調處理；

2）對軌道電路脈沖信號的解調處理；

3）移頻信號和脈沖信號的“與”邏輯判斷，動作軌道繼電器；

4）對設備進行自檢，故障時通過總線向監(jiān)測維護主機發(fā)出報警信息。

圖2 站內發(fā)送器原理框圖

圖3 站內接收器原理框圖

4 ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路的傳輸安全性

在傳輸安全性上，ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路集中了音頻及脈沖軌道電路諸多方面的優(yōu)勢，采用數(shù)字信號處理技術，在滿足地車移頻信息傳輸?shù)那疤嵯拢鉀Q了多年來全路提出的多項軌道電路傳輸技術安全性問題。

4.1 高壓脈沖解決軌道電路分路不良

近些年，全路站內軌道電路分路不良問題表現(xiàn)突出，研究表明分路不良的根本原因是輪軌接觸踏面不良導電層導致輪軌接觸電阻出現(xiàn)異常，列車占用時不能實現(xiàn)對軌道電路的電氣短路，無法完成列車占用檢查。我國客運專線普遍采用站內一體化軌道電路，軌面電壓按照有效值不小于0.8 V設計，在較長時期不走車的情況下，無法可靠分路。

根據(jù)世界各國經驗，解決軌道電路分路不良主要是通過提升軌面間電壓實現(xiàn)對輪軌間不良導電層擊穿的方式解決。ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路在系統(tǒng)按如下條件進行設計：最低道砟電阻≥2 Ω·km股道、區(qū)段最大長度為650 m或道岔區(qū)段最大長度為400 m時，軌面脈沖電壓≥50 V。該指標滿足國際鐵路聯(lián)合會UIC所提出的推薦值，將有效解決軌道電路分路不良問題。

4.2 高壓脈沖實現(xiàn)絕緣破損檢查

站內一體化軌道電路采用載頻交叉排列方式，相鄰軌道區(qū)段使用不同載頻，即使絕緣節(jié)破損，也不會出現(xiàn)軌道電路失去分路的問題。因此，絕緣節(jié)破損并不危害軌道電路自身的安全性，但從列控系統(tǒng)的角度分析，絕緣節(jié)破損后，列控車載設備會接收到入侵區(qū)段的車載信號，造成列控車載設備按錯誤的信息控車。

在ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)中，脈沖信號同樣采用極性交叉排列的方式，如圖4所示，正常條件U峰頭/U峰尾判定頭尾比介于預定范圍內（1∶2～1∶8），在相鄰區(qū)段信號侵入后，頭尾比為U峰頭/U入侵，將超出正常的頭尾比范圍，從而判定為絕緣破損，打落軌道繼電器，完成絕緣破損檢查。

圖4 絕緣破損信號示意圖

4.3 高壓脈沖解決道岔跳線斷線時的列車分路檢查

一體化軌道電路在道岔區(qū)段采用并聯(lián)跳線的方式，跳線間距約20 m。如圖5所示，當并聯(lián)跳線斷線時，列車輪對等效在直股上的分路電阻Zf將改變?yōu)閆f′=Zf+Zg，Zg為附加鋼軌回路阻抗。移頻信號頻率為1 700～2 600 Hz，鋼軌阻抗按照14 Ω/km考慮，20 m鋼軌阻抗即為0.28 Ω，而軌道電路分路靈敏度為0.25 Ω。因此跳線斷線將嚴重影響軌道電路的分路性能，甚至失去分路。

圖5 一體化軌道電路道岔跳線及斷線示意圖

低頻信號的鋼軌阻抗遠遠小于移頻信號，以25 Hz為例，鋼軌 阻抗≤0.62 Ω/km，達到0.25 Ω的環(huán)路阻抗需要403 m鋼軌長度。脈沖信號主要由低頻信號構成。因此，采用脈沖能夠容忍更大長度鋼軌上的連接線缺失而不會導致喪失分路。

4.4 斷軌檢查

由軌道電路實現(xiàn)斷軌檢查，這是一個老問題。人們通常相信軌道電路的主要功能是檢查列車占用軌道，但是它也能夠檢查斷軌。

如圖6所示，當軌道發(fā)生物理折斷時，ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路能夠確保接收器的輸入殘壓處于門檻值以下。即使存在如圖7所示的信號迂回通道，依據(jù)對ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路的計算，只要確保迂回通道長度≥1 500 m，就能實現(xiàn)斷軌檢查。圖7中，若在迂回回路中串入等效于1 500 m鋼軌阻抗的回流電抗器，則即使迂回通道的極限長度為0，ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路也能實現(xiàn)斷軌檢查。

圖6 斷軌示意圖

4.5 車站兩端站口復線間橫向連接線的同時設置

復線站口兩端不設置橫向連接，將造成上下行鋼軌之間牽引不平衡系數(shù)加大，形成積累的電壓差，可能危及到作業(yè)人員的人身安全。若設置橫向連接，則迂回回路對軌道電路將造成影響。ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)在確保車站兩端站口復線間橫向連接線的設置距離＞1 500 m的情況下，可在站口兩端站口復線間同時設置橫向連接線。

圖7 斷軌失去分路示意圖

4.6 “絕緣單破損+列車分路側扼流單斷線”的列車分路

在相敏軌道電路中，采用相鄰區(qū)段設置為不同極性進行絕緣破損的防護，但是在多年運用中發(fā)現(xiàn)，在絕緣破損、扼流引接線單側斷線、相鄰區(qū)段有車條件下能夠通過列車輪對構成同極性信號導致相鄰區(qū)段接收端錯誤吸起，如圖8所示。

圖8 破損+單斷線+占車錯誤吸起電路示意圖

在ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)中，兩個相鄰區(qū)段的脈沖信號頻率特征各不相同，雖然主串區(qū)段可通過該故障模式將脈沖信號極性交叉，但脈沖信號的頻率特征不符合被串區(qū)段的特征。

5 ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路的系統(tǒng)可靠性

在系統(tǒng)可靠性上，ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路特點為：

1）室外僅設置一個無源的扼流變壓器箱；

2）電子設備按室內集中設置的原則；

3）站內發(fā)送器、接收器均采用一體化單一結構；

4）保持了既有客運專線行之有效的發(fā)送“1+1”故障檢測自動轉換、接收“0.5+0.5”雙機并聯(lián)運用冗余設計；

5）實現(xiàn)發(fā)送、接收設備與列控中心控制命令及特性檢測故障報警信息的直接實時交互。

6 結束語

ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路綜合了移頻軌道電路和高壓脈沖軌道電路的優(yōu)點，將這兩種制式軌道電路巧妙的合二為一，構成一種新型的站內軌道電路。ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路在傳輸安全性設計、系統(tǒng)可靠性設計、多信息一體化結構設計及系統(tǒng)性能價格比上均處于國際領先地位。

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The paper introduces the main functions, system composition and operational principles of the main devices of ZPW-2000A frequency-shift modulated and impulse track circuit system, and analyzes the transmission safety issues of the system, including loss of shunting, detection of track insulation faults, detection of switch's jumper in a train shunt, broken rail detection, setting a cross-over line for doubletracks at both ends of the station and "single track insulation broken and choke transformer disconnection in the side of train shunt" etc..

ZPW-2000A; impulse signal; frequency shift signal; track circuit; transmission safety

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.03.003

2015-03-10）

北京全路通信信號研究設計院有限公司科技研究課題項目（YK-2010K07）