ZPW-2000A移頻脈沖軌道電路與ZPW-2000A軌道電路的差異性研究

李 恒

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

1 概述

在蘭州西站存車場施工改造過程中，為解決分路不良問題，選用ZPW-2000A·TM 系列移頻脈沖軌道電路。該軌道電路屬于新型站內(nèi)軌道電路產(chǎn)品，于2017 年9 月獲得鐵路產(chǎn)品認(rèn)證（CRCC）證書，應(yīng)用案例少，設(shè)計(jì)資料還不豐富，更不與現(xiàn)有的自動閉塞制圖軟件相兼容匹配?，F(xiàn)從鐵路信號設(shè)計(jì)者的角度研究ZPW-2000A·TM 系列移頻脈沖軌道電路（以下簡稱移頻脈沖軌道電路）與既有成熟ZPW-2000A·T 系列軌道電路（以下簡稱ZPW-2000A 軌道電路）的差異，為今后移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

2 移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)的優(yōu)勢

移頻脈沖軌道電路是在既有成熟ZPW-2000A 軌道電路基礎(chǔ)上，結(jié)合不對稱高壓脈沖軌道電路制式的特點(diǎn)，以高電壓多頻率不對稱脈沖信號和移頻信號兩者的混合信號為傳輸信號的一種新型站內(nèi)軌道電路。該新型軌道電路充分發(fā)揮兩種信號的各自優(yōu)勢：移頻信號易于機(jī)車發(fā)碼，實(shí)現(xiàn)斷軌檢查；脈沖信號可以改善分路不良，實(shí)現(xiàn)絕緣破損檢查。針對ZPW-2000A軌道電路在站內(nèi)應(yīng)用過程中存在的問題，對移頻脈沖軌道電路的技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行闡述分析。

2.1 解決分路不良

軌道電路分路不良是一個世界性的難題，銹蝕的、煤渣粉塵污染的軌道區(qū)段易發(fā)生分路不良，目前整治方法主要有鋼軌噴涂、高壓脈沖、3V 化等措施。高壓脈沖軌道電路就是利用高電壓擊穿鋼軌鐵銹等不良導(dǎo)電層，且擊穿后仍保證較大的擊穿電流以維持較低電阻，從而解決軌道電路分路不良。移頻脈沖軌道電路成功運(yùn)用了高壓脈沖軌道電路的技術(shù)特點(diǎn)，將移頻信號和脈沖信號疊加后輸出，利用“與”的邏輯關(guān)系進(jìn)行軌道電路“空閑”狀態(tài)判定，任一信號符合分路狀態(tài)條件時(shí)，均認(rèn)為軌道電路“占用”，從而提高軌道電路可靠性，解決站內(nèi)分路不良。通過試驗(yàn)與分析，ZPW-2000A 移頻脈沖軌道電路可以有效解決分路不良問題，對比噴涂等其他分路不良整治措施，便于運(yùn)營維護(hù)，更具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢。

2.2 實(shí)現(xiàn)絕緣破損檢查

ZPW-2000A 軌道電路不具備站內(nèi)絕緣破損檢查功能，既有線路必須實(shí)施絕緣破損防護(hù)改造，防止絕緣破損后越區(qū)信號干擾車載工作。移頻脈沖軌道電路可以利用傳輸信號中不對稱脈沖成分的特性，且相鄰軌道區(qū)段滿足極性交叉安裝原則，便可實(shí)現(xiàn)絕緣破損檢查功能。詳細(xì)來說，絕緣破損后，相鄰軌道區(qū)段的傳輸信號會侵入本區(qū)段，造成本區(qū)段脈沖信號的頭尾比關(guān)系發(fā)生變化。以此為依據(jù)，就可以判斷絕緣節(jié)已破損，使破損區(qū)段出現(xiàn)紅光帶，實(shí)現(xiàn)絕緣破損檢查。對比ZPW-2000A 軌道電路，移頻脈沖軌道電路不再需要絕緣破損改造，減少了工程投資，為絕緣破損防護(hù)提供了新的選擇。

2.3 避免機(jī)械絕緣節(jié)燒損

高速鐵路牽引電流大、站場股道多，為了避免股道處軌道電路構(gòu)成迂回，形成“第三軌”，站內(nèi)側(cè)線一側(cè)機(jī)械絕緣節(jié)處的扼流變壓器中性點(diǎn)需斷開，形成回流切斷點(diǎn)，這種情況俗稱“一頭堵”。當(dāng)列車啟動時(shí)，鋼軌中會出現(xiàn)很強(qiáng)的牽引電流。由于存在回流切斷點(diǎn)，牽引電流只能從單側(cè)回流，一旦鋼軌回流不暢，就會在該機(jī)械絕緣節(jié)兩端形成較大的電位差。在列車輪對通過該絕緣節(jié)時(shí)，牽引回流會在短時(shí)間內(nèi)由導(dǎo)通變?yōu)榍袛啵涂赡茉斐衫?、放電，?yán)重時(shí)燒損鋼軌接頭和絕緣節(jié)。ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)目前無法有效解決絕緣燒損問題。針對這一難題，移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)在側(cè)線股道牽引回流切斷點(diǎn)處，配套使用了回流電抗器，連通了側(cè)線股道回流切斷點(diǎn)兩側(cè)的扼流變壓器中性點(diǎn)，避免“一頭堵”情況?；亓麟娍蛊鲗?0 Hz 牽引電流呈現(xiàn)低阻抗，可以導(dǎo)通牽引電流；對移頻信號呈現(xiàn)高阻抗，可以避免越區(qū)迂回。這樣就實(shí)現(xiàn)了側(cè)線股道的雙端回流，在隔離移頻信號的同時(shí)，平衡機(jī)械絕緣節(jié)兩端電壓，避免切斷點(diǎn)處軌頭、絕緣節(jié)拉弧燒損。

3 移頻脈沖軌道電路與ZPW-2000A軌道電路的系統(tǒng)一致性分析

3.1 系統(tǒng)接口的一致性

與ZPW-2000A 軌道電路相比，移頻脈沖軌道電路的功能更加完善，性能也有所提高。但是鐵路工程設(shè)計(jì)者還希望兩者的系統(tǒng)外部接口盡量一致，設(shè)計(jì)框架相似，室內(nèi)外設(shè)備復(fù)用程度高，這樣才能避免設(shè)備繁多復(fù)雜，便于升級改造，節(jié)約投資成本。根據(jù)分析比較，移頻脈沖軌道電路與ZPW-2000A軌道電路的系統(tǒng)外部接口標(biāo)準(zhǔn)基本一致。

1) 設(shè)備與列控中心通信接口均按照《高鐵列控中心接口暫行技術(shù)規(guī)范》（TJ/DW172-2015）執(zhí)行，采用CAN 總線控制方式。

2) 移頻信號基準(zhǔn)載頻均包括1 700 Hz、2 000 Hz、2 300 Hz、2 600 Hz，基準(zhǔn)載頻均派生-1 型載頻和-2 型載頻，均提供18 種低頻調(diào)制信號；

3) 在供電需求方面，ZPW-2000A 單段軌道電路區(qū)段功耗不超過180 VA，而移頻脈沖單段軌道電路功耗不超過200 VA；

4) 與車載設(shè)備仍有良好的兼容性。疊加高壓脈沖信號對機(jī)車信號車載系統(tǒng)的譯碼無明顯影響，機(jī)車信號車載系統(tǒng)可以正常工作；

5) 均能驅(qū)動JWXC-1700 安全型軌道繼電器，且方向切換電路、停電監(jiān)督電路可以復(fù)用；

6) 軌道電路區(qū)段長度大于或等于300 m 時(shí)，均設(shè)置容值為25 μF 的全密封補(bǔ)償電容，補(bǔ)償電容設(shè)置方式相似。

3.2 系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成的一致性

在系統(tǒng)原理框架和設(shè)備構(gòu)成方面，移頻脈沖軌道電路與ZPW-2000A 軌道電路基本一致。室內(nèi)設(shè)備均包括軌道電路機(jī)柜、接口柜、防雷模擬網(wǎng)絡(luò)組匣、發(fā)送器、接收器、防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤、分線采集器等，室外設(shè)備均包括扼流變壓器、補(bǔ)償電容等。兩者系統(tǒng)原理的主要區(qū)別在于前者的發(fā)送器以移頻和脈沖的混合信號作為輸出，通過衰耗冗余隔離器實(shí)現(xiàn)兩種信號的分離過濾，再由接收器分別完成移頻信號和脈沖信號的特征處理，根據(jù)“與”的邏輯關(guān)系判斷區(qū)段空閑狀態(tài)。這種新型軌道電路系統(tǒng)還集成簡化了軌旁設(shè)備，使用移頻脈沖扼流變壓器代替原有“帶適配器的扼流變壓器+站內(nèi)匹配變壓器”的組合方式，維護(hù)工作更加簡單。此外，移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)在站內(nèi)牽引回流切斷點(diǎn)處按需使用回流電抗器，用于實(shí)現(xiàn)雙端回流。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的一致性

由于兩者在系統(tǒng)外部接口、設(shè)備構(gòu)成框架上基本一致，移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)可以沿用ZPW-2000A 站內(nèi)軌道電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和應(yīng)用習(xí)慣。在本次設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，兩者間仍存在一些不可忽視的設(shè)計(jì)差異，需在現(xiàn)有自動閉塞制圖軟件的圖庫基礎(chǔ)上加以更新。

在室內(nèi)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)如下。

1) 盡管兩者的設(shè)備尺寸、框架接口基本一致，但從合理規(guī)劃，便于維護(hù)，減少故障點(diǎn)干擾的角度考慮，移頻脈沖軌道電路設(shè)備與ZPW-2000A 軌道電路設(shè)備宜獨(dú)立分柜設(shè)置。

2) 為實(shí)現(xiàn)對軌入混合信號中高壓脈沖成分的分離監(jiān)測功能，移頻脈沖軌道電路系統(tǒng)采用了新型ZPW.CEM 型分線采集器。該分線采集器設(shè)備內(nèi)部電路由信號輸入隔離采集電路、信號處理電路和CAN 通信電路組成，可對送、受端防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤電纜側(cè)或設(shè)備側(cè)信號的電壓、載頻、低頻、峰頭電壓、峰尾電壓、脈沖頻率進(jìn)行采集測量。與ZPW-2000A 軌道電路所采用的ZPW.CE2 型分線采集器不同，ZPW.CEM 型分線采集器的采集點(diǎn)為接口柜零層端子。

3) 在接口柜滿配置軌道區(qū)段數(shù)量方面，移頻脈沖軌道電路比ZPW-2000A 軌道電路有所減少。接口柜用于放置防雷模擬網(wǎng)絡(luò)組匣及分線采集器，每個移頻脈沖軌道電路的接口柜內(nèi)可放置8 層防雷模擬網(wǎng)絡(luò)組匣；每層防雷模擬網(wǎng)絡(luò)組匣固定配置2 臺分線采集器和6 臺防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤；接口柜零層端子D1～D8 為防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤電纜側(cè)信號連接端子，D9～D16 為防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤設(shè)備側(cè)信號連接端子。而ZPW-2000A 軌道電路接口柜內(nèi)可放置9層防雷模擬網(wǎng)絡(luò)組匣；除第一層外，每2 層防雷模擬網(wǎng)絡(luò)組匣配置3 臺分線采集器和12 臺防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤，接口柜零層D1～D9 端子用于防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤電纜側(cè)信號連接，D10～D18 端子用于防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤設(shè)備側(cè)信號連接。兩者接口柜滿配置設(shè)備的數(shù)量差異如表1 所示。

此外，移頻脈沖軌道電路取消了ZPW-2000A軌道電路防雷模擬網(wǎng)絡(luò)組匣背面原有的兩個3×18柱側(cè)面端子，防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤設(shè)備側(cè)及電纜側(cè)信號不再經(jīng)過側(cè)面端子板，而是直接接入接口柜零層。

在室外設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)如下。

1) ZPW-2000A 一體化軌道電路的電纜最大設(shè)計(jì)長度應(yīng)不大于10 km。在國內(nèi)客專線上，站內(nèi)軌道電路區(qū)段的電纜長度基本小于2.5 km，所以無需考慮電纜最大傳輸長度的設(shè)計(jì)約束。而移頻脈沖軌道電路單芯電纜最大傳輸距離不大于0.75 km，該指標(biāo)是由軌旁設(shè)備最大容許壓降以及電纜標(biāo)準(zhǔn)環(huán)阻所決定的，不滿足要求時(shí)，可以采用雙芯并聯(lián)的方式降低電纜環(huán)阻，但仍不可大于1.5 km，且并芯后電纜斷芯不易檢查，導(dǎo)致軌面電壓降低，增加產(chǎn)生分路不良的可能。在本次蘭州西站存車場移頻脈沖軌道電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中，由于站型設(shè)置特殊，其電纜設(shè)計(jì)長度有幾處超過了2 km，經(jīng)專業(yè)人員依據(jù)實(shí)際情況仿真計(jì)算后，采用將軌道區(qū)段長度縮短或電纜并聯(lián)三芯的方式，以控制設(shè)備壓降在允許范圍之內(nèi)。

表1 接口柜滿配置設(shè)備數(shù)量差異表Tab.1 Differences between the numbers of devices of an interface cabinet (fully configured)

2) 為了防止絕緣失效后相鄰區(qū)段間串頻干擾，ZPW-2000A 系列軌道電路要求絕緣節(jié)兩側(cè)區(qū)段應(yīng)設(shè)置為不同載頻類型或不同基準(zhǔn)載頻。移頻脈沖軌道電路在滿足上述規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，還要兼顧不對稱高壓脈沖信號的特性，在相鄰區(qū)段安裝時(shí)應(yīng)進(jìn)行極性交叉，確保實(shí)現(xiàn)絕緣破損防護(hù)的功能。

4 結(jié)束語

ZPW-2000A 移頻脈沖軌道電路融合了ZPW-2000A 軌道電路和高壓脈沖軌道電路兩者的技術(shù)優(yōu)勢，將移頻信號和脈沖信號疊加在一起進(jìn)行傳輸，一次性解決站內(nèi)分路不良、絕緣破損無法檢查、絕緣節(jié)易燒損等難題。同時(shí)，該新型軌道電路系統(tǒng)與原有系統(tǒng)一致性高，維護(hù)習(xí)慣相似，且維護(hù)設(shè)備數(shù)量少，是目前最理想的站內(nèi)軌道電路應(yīng)用方案。