自動(dòng)調(diào)壓型不對(duì)稱高壓脈沖軌道電路研究

張海旭

（西安思源科創(chuàng)軌道交通技術(shù)開發(fā)有限公司，西安 710054）

軌道電路能夠有效檢查線路的占用情況，同時(shí)可向車載設(shè)備發(fā)送行車許可信息，是聯(lián)鎖以及列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的重要組成部分[1]。目前國內(nèi)電氣化鐵路站內(nèi)軌道電路絕大多數(shù)采用97型25 Hz相敏軌道電路，但此制式的軌道電路設(shè)計(jì)軌面電壓小于1 V，列車運(yùn)行頻次較低的區(qū)段鋼軌容易生銹，從而引起軌道電路分路不良。分路不良會(huì)造成遺留白光帶、區(qū)段閃紅、列車占用丟失等嚴(yán)重影響行車安全的問題。同時(shí)也給現(xiàn)場工作人員帶來大量額外工作，車、工、電務(wù)人員需要每月聯(lián)合進(jìn)行分路不良專項(xiàng)檢查，電務(wù)人員需要進(jìn)行登記管理、定期測(cè)試；工務(wù)人員需要進(jìn)行鋼軌打磨，費(fèi)時(shí)費(fèi)力卻不能有效解決問題。

不對(duì)稱高壓脈沖軌道電路采用脈沖信號(hào)擊穿銹層，是目前解決分路不良最主要的技術(shù)手段。通過不同的電壓等級(jí)，不同的扼流變壓器的變比，在軌面?zhèn)鬏敳煌档拿}沖信號(hào)，可以有效擊穿不同厚度的銹層、鋼軌污染物來解決軌道電路的分路不良問題[2]。但現(xiàn)場鋼軌生銹程度不同，如何高效的調(diào)整全靠電務(wù)人員的經(jīng)驗(yàn)，并且由于列車運(yùn)行圖的不斷更新，每個(gè)區(qū)段的列車運(yùn)行頻率在不斷變化。調(diào)整電壓過低可能導(dǎo)致分路不良問題無法徹底解決，調(diào)整電壓過高會(huì)造成能耗增大，因此，分路不良當(dāng)屬于動(dòng)態(tài)管理的范疇。選擇固定的扼流變壓器變比，并自動(dòng)采集分路情況，對(duì)發(fā)碼器電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，將更有利于分路不良問題的有效解決，并且在無人值守站大力發(fā)展的現(xiàn)狀之下，為電務(wù)人員的管理及維護(hù)帶來便利。

本文以BGM型不對(duì)稱高壓脈沖軌道電路為例，利用麥克斯韋電磁場方程組，建立軌道電路的傳輸線方程，并建立帶調(diào)諧器的高壓脈沖扼流變壓器四端網(wǎng)絡(luò)模型，形成軌道電路的傳輸模型，利用Simulink軟件建立BGM型不對(duì)稱高壓脈沖軌道電路的仿真模型，對(duì)仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，論證仿真模型的可用性。分析不同的扼流變壓器變比對(duì)軌面電壓、軌道電路的調(diào)整及分路的影響，得到扼流變壓器變比的最優(yōu)方案。并通過二元差動(dòng)繼電器輸入頭尾部電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，依據(jù)設(shè)定的電壓區(qū)間進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，對(duì)送電端發(fā)碼器脈沖電壓實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，在保證可靠分路的前提下，進(jìn)行最優(yōu)化的能耗控制，實(shí)現(xiàn)軌道電路的動(dòng)態(tài)管理。

1 軌道電路模型建立

1.1 不對(duì)稱高壓脈沖軌道電路系統(tǒng)概述

不對(duì)稱高壓脈沖軌道電路由脈沖發(fā)送設(shè)備、扼流變壓器、鋼軌傳輸線、電纜傳輸線路、譯碼器以及二元差動(dòng)繼電器組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 不對(duì)稱高壓脈沖軌道電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of asymmetrical high-voltage pulse track circuit

送電端高壓脈沖發(fā)碼器可以實(shí)現(xiàn)300 V、400 V、500 V電壓調(diào)整，扼流變壓器初次級(jí)變比可以從1：3.5～1：10.5共計(jì)8個(gè)檔位，配套發(fā)碼器用以實(shí)現(xiàn)不同軌面條件下恰當(dāng)?shù)能壝骐妷赫{(diào)整[4]。

1.2 軌道線路模型建立

基于傳輸線理論的鋼軌線路模型如圖2所示，采用均勻分布參數(shù)模型對(duì)傳輸模型進(jìn)行定量分析。在傳輸線路取無窮小長度的傳輸線dz，i(z,t)為流入dz段的鋼軌電流，i(z+dz,t)為流出dz段的鋼軌電流，u(z,t)、u(z+dz,t)分別為dz段前后的軌面電壓。

圖2 鋼軌線路模型Fig.2 Model of track circuit

利用麥克斯韋電磁場方程組推導(dǎo)軌道電路的傳輸線方程：

首先假定傳輸線無耗且無漏泄，即R0=0,G0=0。麥克斯韋第二定律為

其中，E為電場強(qiáng)度矢量，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量。相應(yīng)的積分形式為：

其 中，S是 由L閉 合 起 來 的 面 積，如 圖2所示，在鋼軌線元取一個(gè)矩形的積分回路（a→b→c→d），那么橫向長度即為dz；由于在回路平面上電力線處與導(dǎo)線垂直，對(duì)b→c和d→a路徑，Edl=E(dl)cos90°=0，故有：

另一方面，如果用φ表示單位長傳輸線環(huán)鏈的磁通，則有：

然而，磁通應(yīng)等于磁感應(yīng)強(qiáng)度B在面S上的積分：

故有：

這樣，由麥克斯韋第二定律的積分形式，得：

軌道電路傳輸線方程的另一種形式，可以由電流與電荷之間的關(guān)系直接得出。在dz內(nèi)，如電荷改變流出的電流就不等于流入的電流；電流在減少，減少量等于電量隨時(shí)間的增加率，即：

此即為軌道電路在不考慮鋼軌阻抗及道床漏泄情況下的傳輸線方程；如圖2所示，設(shè)單位長度鋼軌阻抗為R0，單位長度道床導(dǎo)納為G0,在線元dz內(nèi)電壓損耗和電流漏泄分別為R0i和G0u,因此得到在均勻分布下的軌道電路傳輸線方程：

用阻抗及導(dǎo)納的形式進(jìn)行表示，得：

令阻抗Z=R0+jωL0,導(dǎo)納Y=G0+jωC0,他們分別稱為傳輸線單位長度的串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納。

方程兩邊對(duì)z微分，并將公式（13）帶入得：

可求得通解：

在已知軌道電路送電端電壓、電流的前提下，通過雙曲正余弦函數(shù)表示為[5]：

用矩陣形式表示為：

則有：

即為軌道電路鋼軌傳輸線四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)矩陣。

1.3 扼流變壓器模型建立

對(duì)不對(duì)稱高壓脈沖軌道電路中帶調(diào)諧器的扼流變壓器進(jìn)行參數(shù)分析，等效電路如圖3所示。R1、R2為扼流變壓器初次級(jí)線圈的直流電阻，即為銅損；R3為調(diào)諧器中電感線圈的直流電阻；L1、C1分別為調(diào)諧器的電感和電容；Y為勵(lì)磁導(dǎo)納，即變壓器的鐵損；T2為初次級(jí)變比為1：3.5的理想型變壓器[6]。

圖3 扼流變壓器四端網(wǎng)絡(luò)模型Fig.3 Four-terminal network model of choke transformer

對(duì)各設(shè)備建立等效的四端網(wǎng)絡(luò)，將各四端網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)后構(gòu)成系統(tǒng)模型，由此得出帶調(diào)諧器的不對(duì)稱高壓脈沖軌道電路扼流變壓器的四端網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)NBGM：

求得：

采用50Hz頻率的信號(hào)，對(duì)不帶調(diào)諧器的型號(hào)為BE2·M2-1000A的扼流變壓器進(jìn)行測(cè)試，得R1=0.015 Ω、R2=0.148 Ω、R3=1.68 Ω、L1=0.2H、C1=50 μF,并通過計(jì)算得Y1=0.024 Ω-1，當(dāng)扼流變壓器牽引側(cè)與信號(hào)側(cè)變比為3.5：1時(shí)，求得：

不同變比扼流變壓器的四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表1所示。

表1 不同扼流變壓器變比下的四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Tab 1. Four-terminal network parameters under different choke transformer ratios

1.4 軌道電路整體傳輸線模型建立

以1 000 m長度的軌道區(qū)段為例，取扼流變壓器的變比為3.5:1，送受電端電纜電阻均為50 Ω，則不對(duì)稱高壓脈沖軌道電路的傳輸網(wǎng)絡(luò)為

利用Matlab對(duì)不對(duì)稱高壓脈沖軌道電路進(jìn)行仿真，取受電端牽引側(cè)阻抗為200 Ω，得到在扼流變壓器不同變比下的軌面電壓衰減曲線，如圖4所示。

圖4 軌面電壓衰減曲線Fig.4 Attenuation curve of rail surface voltage

不對(duì)稱高壓脈沖的極限長度為0.9 km，送電端以300 V電壓為例，圖4反應(yīng)了在不同的扼流變壓器變比下，以送電端為坐標(biāo)零點(diǎn)的軌面電壓變化曲線，由圖可知，當(dāng)扼流變壓器在較小變比下，軌面將擁有較高的脈沖電壓用以擊穿銹層，但衰減較大，并且電源功率消耗較大；在較大變比下，軌面電壓較低，對(duì)于軌面生銹嚴(yán)重的區(qū)段，將無法保證分路不良的有效解決。因此對(duì)于免調(diào)整的不對(duì)稱高壓脈沖軌道電路，一般選擇5.5:1的扼流變壓器變比，只對(duì)于很少走車的牽出線、安全線均采用3.5:1的變比。

2 自動(dòng)調(diào)壓裝置的設(shè)計(jì)思路

根據(jù)不對(duì)稱高壓脈沖軌道電路的技術(shù)要求，二元差動(dòng)繼電器的可靠吸起條件為頭部電壓不小于27 V,尾部電壓不小于19 V，由于該繼電器的返還系數(shù)為0.5，因此要求軌道電路分路時(shí)繼電器頭部電壓不大于13.5 V，尾部電壓不大于9.5 V，將分路殘壓劃分為四個(gè)電壓等級(jí)，來判定軌道電路的分路效果，如表2所示。

表2 軌道電路分路效果劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Classification standard for shunting effect of track circuit

通過分路狀態(tài)下的受電端二元差動(dòng)繼電器輸入頭尾部電壓數(shù)據(jù)采集，建立基于模糊PID算法的自動(dòng)調(diào)壓控制模型[7-8]，系統(tǒng)如圖5所示，以道床環(huán)境條件（環(huán)境溫度、濕度），不平衡牽引電流的諧波干擾影響等為影響因子，完成自動(dòng)調(diào)壓型移頻脈沖軌道電路的硬件開發(fā)，并對(duì)系統(tǒng)的安全性及適用性進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 自動(dòng)調(diào)壓型高壓脈沖和軌道電路系統(tǒng)框圖Fig.5 System block diagram of high-voltage pulse track circuit with automatic voltage regulation

系統(tǒng)邏輯處理流程如圖6所示，y0為給定值；yt為實(shí)際測(cè)量值；e和Δe分別為輸入和輸入偏差變化率；Xe和XΔe分別為輸入和輸入偏差變化率的量化因子。

接收端采集分路電壓信息，特殊分析處理后形成穩(wěn)定電壓Uf，依據(jù)表2的劃分標(biāo)準(zhǔn)確定區(qū)段的分路等級(jí)，對(duì)于Ⅲ、Ⅳ級(jí)軌道區(qū)段，賦予相應(yīng)的權(quán)值驅(qū)動(dòng)模塊提升脈沖電壓，直到分路電壓進(jìn)入Ⅱ區(qū)域?yàn)橹?，而?duì)于Ⅱ級(jí)軌道區(qū)段，電壓保持不變；當(dāng)采集處理過的分路電壓處于Ⅰ級(jí)區(qū)域時(shí)，充分分析外界因素對(duì)軌道電路分路造成改變的各種可能性，若是朝著更有利于分路的方向發(fā)展，將采用一定權(quán)值驅(qū)動(dòng)模塊降低脈沖電壓，分路電壓進(jìn)入Ⅱ區(qū)后維持。若分析朝著更不利于分路的方向發(fā)展可能性更大，則保持脈沖電壓不變。

圖6 自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)邏輯處理流程圖Fig.6 Logic processing flow chart of automatic voltage regulation system

采用PLC程序語言進(jìn)行軟件開發(fā)，將量化因子置入PLC中，利用A/D模塊對(duì)輸入電壓進(jìn)行采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)量化處理及模糊控制得到模糊的輸出電壓，再經(jīng)過D/A模塊執(zhí)行對(duì)發(fā)送器的控制。PLC編程因芯片型號(hào)不同而不同，但是可按照上述原理進(jìn)行控制。

3 結(jié)束語

本文利用麥克斯韋方程組，建立軌道電路的鋼軌傳輸線方程，并且定量分析了不同扼流變壓器變比下對(duì)軌面電壓以及傳輸損耗的影響，為自動(dòng)調(diào)壓型不對(duì)稱脈沖軌道電路扼流變壓器變比的選擇提供理論依據(jù)。并且實(shí)現(xiàn)了送電端發(fā)碼器脈沖電壓的自動(dòng)調(diào)整，保證在不同的鋼軌環(huán)境及列車頻次的前提下實(shí)現(xiàn)軌道電路的可靠分路，在高速鐵路大力發(fā)展，無人值守站逐漸普及的現(xiàn)狀下具有較大的研究價(jià)值，數(shù)據(jù)上傳信號(hào)集中監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)軌道電路動(dòng)態(tài)管理，在保證軌道電路可靠運(yùn)行的前提下降低管理壓力。