基于四端網(wǎng)模型的軌道電路系統(tǒng)預(yù)警閾值研究

張菊

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京，210031）

1 預(yù)警指標(biāo)體系的確立

建立軌道電路安全預(yù)警系統(tǒng)的首要任務(wù)是選擇能在不同方面反映軌道電路系統(tǒng)性能和狀態(tài)的指標(biāo)體系。通過綜合考慮軌道電路系統(tǒng)特點(diǎn)、隱患分析結(jié)論及現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況，選取軌出電壓、送端防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤電纜側(cè)電壓、軌旁濕度和溫度作為軌道電路系統(tǒng)預(yù)警的指標(biāo)。

■1.1 軌出電壓

紅光帶和分路不良是軌道電路最頻發(fā)的隱患，綜合考慮軌道電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和系統(tǒng)隱患的發(fā)生除了由于軌道繼電器故障和通信錯(cuò)誤外，最直接反應(yīng)為軌出電壓（分路殘壓）異常，因此軌道電路系統(tǒng)的軌出電壓是一個(gè)十分重要的預(yù)警指標(biāo)。軌出電壓的預(yù)警值域如圖1所示，整個(gè)電壓范圍被劃分為6個(gè)區(qū)域。

圖1 軌出電壓預(yù)警值域界定

a1表示能使軌道電路區(qū)段主軌道繼電器穩(wěn)定落下的軌出電壓值；b1表示能使主軌道繼電器落下的臨界軌出電壓值；c1表示能使主軌道繼電器吸起的臨界軌出電壓值；d1表示能使主軌道繼電器穩(wěn)定吸起的軌出電壓值；e1表示調(diào)整狀態(tài)下的上限臨界值，是指當(dāng)調(diào)整狀態(tài)下的軌出電壓超過此閾值后，軌道區(qū)段再由調(diào)整狀態(tài)轉(zhuǎn)為分路狀態(tài)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)分路電阻將無法再成功分路，軌道繼電器不能可靠落下，從而造成分路不良故障，因此該區(qū)域?qū)儆谖ｋU(xiǎn)區(qū)，應(yīng)直接給出報(bào)警信息。

報(bào)警區(qū)2（軌出電壓值處于b1-c1之間）有兩種情況，一是當(dāng)軌道區(qū)段有車占用時(shí)，由于軌出電壓（分路殘壓）過大而造成了分路不良；二是軌道區(qū)段空閑，但是由于軌道電路性能惡化而導(dǎo)致軌道電路反映為占用狀態(tài)，即紅光帶。然而，當(dāng)軌出電壓在調(diào)整狀態(tài)正常區(qū)和分路狀態(tài)正常區(qū)內(nèi)時(shí)，主軌道繼電器能正確表示軌道區(qū)段狀態(tài)，但若電壓在正常范圍內(nèi)發(fā)生了異常的波動(dòng)，表明軌道電路系統(tǒng)已有發(fā)生故障的趨勢，或已經(jīng)發(fā)生了故障，所以將軌出電壓的調(diào)整狀態(tài)正常區(qū)和分路狀態(tài)正常區(qū)定義為預(yù)警區(qū)。

■1.2 送端防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤電纜側(cè)電壓

為了更精確、全面地評估軌道電路系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，預(yù)警出由于多參數(shù)變化而致使軌出電壓無法準(zhǔn)確反映系統(tǒng)狀態(tài)的情況，還需要選擇其他指標(biāo)。不同測量點(diǎn)的軌道電路信號能反映不同子系統(tǒng)的狀態(tài)，按導(dǎo)致隱患發(fā)生原因事件的產(chǎn)生部位，同時(shí)考慮數(shù)據(jù)采集的便利性，選擇微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)能監(jiān)測的送端防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤電纜側(cè)電壓反映發(fā)送端設(shè)備的工作性能及狀態(tài)。

發(fā)送端設(shè)備異常，導(dǎo)致發(fā)送端電纜側(cè)電壓下降，當(dāng)對應(yīng)軌出電壓值下降至b1時(shí)，相應(yīng)的電纜側(cè)電壓記為下限臨界值a2，將發(fā)生紅光帶；b2和c2記為送端電纜側(cè)電壓隨發(fā)送功出電壓的正常變化范圍；d2記為電壓上限臨界值，對應(yīng)軌出電壓值為e1時(shí)的電纜側(cè)電壓值，將發(fā)生分路不良。

■1.3 軌旁濕度、溫度

傳輸通道部分除了設(shè)備故障外，傳輸通道性能的好壞還與自然環(huán)境有著長期、潛在的關(guān)聯(lián)，傳輸通道的特性調(diào)整狀態(tài)時(shí)主要反映為道砟電阻和鋼軌阻抗，分路狀態(tài)時(shí)還與輪軌接觸情況（分路電阻）有關(guān)?，F(xiàn)場資料顯示，鋼軌生銹嚴(yán)重或污染造成絕緣隔離層占分路不良成因的92.7%，全路嚴(yán)重“紅光帶”區(qū)段的統(tǒng)計(jì)，道砟電阻低因素占95%以上。道砟電阻的大小不僅由道床的類型、道砟的厚度和清潔程度、軌枕的材質(zhì)和數(shù)量、道口的數(shù)量等決定，還取決于自然氣候的濕度和溫度等因素，通常雨季、夏季濕熱時(shí)道砟電阻很低，夏季雨后8-10分鐘達(dá)到最低值，而冬季晴天時(shí)道砟電阻很高，冰凍時(shí)達(dá)到最高；分路電阻由輪軸電阻和輪緣與鋼軌軌面的接觸電阻構(gòu)成，輪軸電阻比輪緣與鋼軌接觸電阻小得多，可忽略不計(jì)，所以列車分路電阻實(shí)際上是輪緣與鋼軌的接觸電阻，列車分路電阻的大小與進(jìn)入軌道區(qū)段的車軸數(shù)、車重、列車速度、輪緣裝配質(zhì)量和磨耗程度、軌面的潔凈程度（是否生銹、有無撒砂、油污及其他化學(xué)絕緣層等）因素有關(guān)。然而對于一段軌道電路而言，鋼軌阻抗和軌面情況在一段時(shí)間內(nèi)一般較穩(wěn)定，因而傳輸通道部分主要考慮道砟電阻的影響，選取影響道砟電阻的濕度、溫度作為反映傳輸通道性能的預(yù)警指標(biāo)。

2 基于四端網(wǎng)模型的預(yù)警閾值計(jì)算模型

通常將軌道電路等效為均勻分布參數(shù)的傳輸線，其傳輸特性可利用傳輸線理論，由相應(yīng)的四端網(wǎng)來描述。通過對軌道電路系統(tǒng)各組成部分的四端網(wǎng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，得出相應(yīng)的輸入/輸出關(guān)系，獲得軌道電路系統(tǒng)的信號傳輸特性。根據(jù)所示的軌道電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，建立的軌道電路系統(tǒng)四端網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，分別為：接收器、衰耗器、接收電纜Ncb、接收端匹配單元NRmat、接收端調(diào)諧區(qū)NRba、鋼軌線路、發(fā)送端調(diào)諧區(qū)NFba、發(fā)送端匹配單元NFmat、發(fā)送電纜Ncb和發(fā)送器。

圖2 無絕緣軌道電路系統(tǒng)四端網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)

衰耗器的輸入變壓器初級線圈數(shù)匝數(shù)NV1V2=116匝，單匝的電感量為L0，則衰耗器輸入變壓器V1V2間的輸入阻抗為：

其中f為軌道電路信號載頻頻率。

接收電纜與發(fā)送電纜均可等效為均勻分布參數(shù)的傳輸線，已知電纜長度為dl，電纜傳播常數(shù)為 ，電纜的特性阻抗為cdz，則接收電纜、發(fā)送電纜四端網(wǎng)cbN表示為：

接收端和發(fā)送端匹配單元單元是由匹配變壓器、電感線圈L及隔直電容C組成，匹配變壓器變壓比為1: 1:9n=，由于匹配單元四端網(wǎng)絡(luò)，其信號是屬于反向傳輸，而且是非對稱四端網(wǎng)絡(luò)，接收端匹配單元四端網(wǎng)NRmat表示為：

發(fā)送端匹配單元的輸入輸出與接收端匹配單元相反，因此發(fā)送端匹配單元四端網(wǎng) FmatN表示為：

調(diào)諧區(qū)由調(diào)諧單元、鋼軌線路及空芯線圈組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 調(diào)諧區(qū)原理及模型結(jié)構(gòu)圖

除了兩端的調(diào)諧單元外，lVJ=29m長的鋼軌線路及空心線圈部分的等效四端網(wǎng)Ngsva可表示為：

其中Ng是lVJ2=14.5m鋼軌線路的等效四端網(wǎng)，可等效為均勻分布參數(shù)的傳輸線。鋼軌單位長度的電阻為RV，電感為LV， 電容為CV，則鋼軌阻抗和漏泄導(dǎo)納為：

特性阻抗及傳播系數(shù)為：

接收端和發(fā)送端調(diào)諧區(qū)等效模型如圖4所示，其中 0pZ為調(diào)諧單元BA的極阻抗，0ZZ為零阻抗，SVAZ為空芯線圈SVA阻抗，caZ為鋼包銅引接線阻抗。

圖4 接收端和發(fā)送端調(diào)諧區(qū)等效模型

則調(diào)諧區(qū)各單元總阻抗：

接收端調(diào)諧區(qū)的等效四端網(wǎng)RbaN表示為：

發(fā)送區(qū)調(diào)諧區(qū)的等效四端網(wǎng)FbaN表示為：

對于鋼軌線路部分的建模分為調(diào)整狀態(tài)下和分路狀態(tài)下分別進(jìn)行：

（1）調(diào)整狀態(tài)下的鋼軌線路等效四端網(wǎng)模型

將鋼軌線路劃分為n個(gè)以補(bǔ)償間距ncl為單位的基本單元進(jìn)行分析，則該基本單元由三個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其中與鋼軌并聯(lián)的補(bǔ)償電容阻抗為一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò) cN，在電容兩側(cè)半個(gè)補(bǔ)償間距的軌道電路各為一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò) cgN，且可等效為均勻分布參數(shù)的傳輸線。

則此三個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)后的等效四端網(wǎng)絡(luò) TN為：

鋼軌線路全長共n個(gè)基本補(bǔ)償單元，則有補(bǔ)償電容的整個(gè)鋼軌線路的四端網(wǎng) nTN為：

（2）分路狀態(tài)下的鋼軌線路等效四端網(wǎng)模型

列車輪對的分路可近似等效為一個(gè)分路電阻Rf并接在兩根鋼軌之間，分路狀態(tài)的鋼軌線路等效四端網(wǎng)模型如圖 5所示。

圖5 分路狀態(tài)下的鋼軌線路等效四端網(wǎng)模型

設(shè)分路點(diǎn)距離發(fā)送端調(diào)諧區(qū)的距離為x，分路點(diǎn)位于第i個(gè)補(bǔ)償單元iT內(nèi)，分路電阻Rf的四端網(wǎng)fRN表示為：

根據(jù)分路點(diǎn)相對于補(bǔ)償電容C的不同位置，iT主要分為如下三種情況：分路電阻分別位于補(bǔ)償電容右側(cè)、補(bǔ)償電容處和左側(cè)，如圖6所示。

圖6 分路電阻分別位于補(bǔ)償電容右側(cè)、補(bǔ)償電容處和左側(cè)示意圖

對于以上三種情況，由分路點(diǎn)到發(fā)送端軌面的等效四端網(wǎng)RFN分別表示為：

由接收端軌面到分路點(diǎn)的等效四端網(wǎng)RRN分別表示為：

則鋼軌線路的等效四端網(wǎng) nTN可表示為：

3 預(yù)警閾值的確定

針對現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用的某段軌道電路具體情況，根據(jù)軌道區(qū)段實(shí)際參數(shù)設(shè)置軌道電路模型參數(shù)，計(jì)算各預(yù)警指標(biāo)預(yù)警閾值。

■3.1 軌出電壓

根據(jù)ZPW-2000軌道電路系統(tǒng)原理、技術(shù)指標(biāo)及測試過程，軌道電路產(chǎn)品滿足：調(diào)整狀態(tài)下主軌出電壓不小于240mV，分路狀態(tài)下主軌出電壓（分路殘壓）不大于140mV（標(biāo)準(zhǔn)分路電阻Rf=0.15Ω）；根據(jù)測試試驗(yàn)，當(dāng)主軌出電壓從0逐步增大至210mV時(shí)，軌道繼電器吸起，使軌出電壓從300mV逐步減小至低于170mV時(shí)，軌道繼電器落下。

所以軌出電壓各閾值設(shè)定如下：

e1的值利用軌道電路模型計(jì)算得到：選用分路狀態(tài)下的軌道電路模型，取標(biāo)準(zhǔn)分路電阻Rf=0.15Ω在最不利分路點(diǎn)（一般為送端或受端）分路時(shí)，分路殘壓為170mV時(shí)的臨界情況，再結(jié)合調(diào)整狀態(tài)下的軌道電路模型計(jì)算對應(yīng)的調(diào)整狀態(tài)軌出電壓值，結(jié)果為e1=925.4mV。

■3.2 送端防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤電纜側(cè)電壓

該段軌道電路的發(fā)送電平為3級，3級電平的變化范圍為130V~142V，根據(jù)軌道電路模型計(jì)算得到對應(yīng)的送端電纜側(cè)電壓值b2=74.8V,c2=81.8V；下限值a2和上限值d2分別對應(yīng)于軌出電壓降低至 b1=170mV和上升至e1=925.4mV時(shí)的發(fā)送端防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤電纜側(cè)電壓值，依據(jù)模型計(jì)算得到a2=21.5V,d2=114.9V。

■3.3 軌旁濕度、溫度

環(huán)境因素的影響是一個(gè)積累過程，根據(jù)《ZPW-2000軌道電路技術(shù)條件》對工作環(huán)境的要求，選取濕度上限值為95%，溫度上限為70℃；濕度的臨界值選為50%和72%，溫度的臨界值選為18℃。

4 結(jié)論

本文針對軌道電路系統(tǒng)的關(guān)鍵隱患“分路不良”和“紅光帶”，開展軌道電路系統(tǒng)安全預(yù)警研究工作，針對關(guān)鍵隱患發(fā)生的主要原因及系統(tǒng)自身特點(diǎn)，合理地分析、選擇了系統(tǒng)安全預(yù)警的指標(biāo)體系?；赯PW-2000A/K型軌道電路的四端網(wǎng)模型，構(gòu)建了預(yù)警閾值的計(jì)算模型，最后根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中的一段軌道電路的靜態(tài)參數(shù)信息調(diào)整軌道電路模型，并計(jì)算了具體的預(yù)警閾值，預(yù)警指標(biāo)計(jì)算模型的建立保證了預(yù)警系統(tǒng)的普適性，對于構(gòu)建合理、正確的軌道電路安全預(yù)警系統(tǒng)提供了十分重要的保障。