400 km/h高速鐵路ZPW-2000軌道電路器材適應(yīng)性研究

高俊明 李明兵 唐乾坤 徐 越

(1.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 成都 610031；2.北京和利時系統(tǒng)工程有限公司， 北京100176)

ZPW-2000系列軌道電路作為鐵路信號自動閉塞系統(tǒng)的基礎(chǔ)關(guān)鍵設(shè)備，具有軌道占用檢查、向列車連續(xù)傳送行車信息的功能[1]。目前，350 km/h及以下高速鐵路區(qū)間和站內(nèi)已廣泛使用了ZPW-2000系列軌道電路，ZPW-2000系列軌道電路系統(tǒng)設(shè)備也表現(xiàn)出了較好的適應(yīng)性，軌道電路系統(tǒng)設(shè)備和配套扼流變壓器、補償電容等器材均工作性能良好。

隨著高速鐵路動車組運營速度的不斷提高，動車組牽引電流越來越大，鋼軌牽引回流也隨之增大，而鋼軌作為牽引回流的傳輸路徑，其中通過的不平衡牽引電流及牽引回流諧波等會對軌道電路系統(tǒng)造成一定的影響。本文主要對鋼軌中的不平衡牽引電流及牽引電流諧波對軌道電路的影響進行研究和分析，并根據(jù)分析結(jié)果對400 km/h鐵路ZPW-2000系列軌道電路系統(tǒng)設(shè)備、配套器材和動車組牽引系統(tǒng)提出相關(guān)的要求及建議。

1 電氣化鐵路牽引供電方式和ZPW-2000軌道電路

1.1 電氣化鐵路牽引供電方式

電力機車普遍采用“交-直-交”傳動系統(tǒng)[2]，動車組在鐵路線路上運行時，是由牽引變電所通過接觸網(wǎng)向動車組供電，牽引電流經(jīng)列車輪對、鋼軌回流至牽引變電所。

目前，我國電氣化鐵路牽引供電方式主要有直接供電方式(T-R)、帶回流的直接供電方式(DN或T-R-NF)、吸流變壓器供電方式(BT)和自耦變壓器供電方式(AT)，以上幾種供電方式的牽引電流均以鋼軌作為回流通道[3]。理想狀態(tài)下，兩條鋼軌上牽引回流分布均勻且回流大小相等，但實際應(yīng)用中鋼軌牽引回流受牽引回路自身阻抗不平衡和鄰近牽引回路牽引電流的磁場耦合[4]等各種因素的影響導(dǎo)致電流大小不等，使得鋼軌間存在不平衡牽引電流。

1.2 ZPW-2000系列軌道電路

ZPW-2000系列軌道電路是在法國UM71基礎(chǔ)上研制的無絕緣軌道電路，目前高速鐵路運用的ZPW-2000系列軌道電路主要包括ZPW-2000A、ZPW-2000S、ZPW-2000R等型號，其主要設(shè)備構(gòu)成基本一致，系統(tǒng)特性和技術(shù)指標(biāo)均符合TB/T 3206-2017《ZPW-2000軌道電路技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求。

ZPW-2000系列軌道電路主要由室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備兩大部分組成，室內(nèi)設(shè)備主要包括：發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、衰耗設(shè)備、模擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、監(jiān)測維護設(shè)備及通信接口設(shè)備；室外設(shè)備主要包括：匹配設(shè)備、調(diào)諧設(shè)備、空芯線圈、補償電容、扼流變壓器及鋼軌等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 軌道電路設(shè)備受牽引電流影響所采取的措施和技術(shù)要求

ZPW-2000軌道電路屬于無絕緣軌道電路系統(tǒng)，室外設(shè)置調(diào)諧區(qū)，通過調(diào)諧設(shè)備、空芯線圈及調(diào)諧區(qū)范圍內(nèi)的鋼軌形成兩相鄰軌道電路間的電氣絕緣分割。其中，空芯線圈承擔(dān)平衡相鄰軌道電路區(qū)段兩根鋼軌間牽引回流的作用，由于空芯線圈對50 Hz牽引電流呈現(xiàn)很小的交流阻抗(約10 mΩ)，對鋼軌不平衡牽引電流電動勢起到短路的作用，可有效平衡、分流兩根鋼軌間的牽引回流(如圖2所示，I1≠I2)，減少不平衡牽引電流和牽引回流諧波干擾對軌道電路的影響[5]。

ZPW-2000軌道電路設(shè)置空扼流變壓器，通過空扼流變壓器或空芯線圈橫向連接溝通上、下行牽引回流，實現(xiàn)上、下行線路間的等電位連接，此外還通過綜合接地系統(tǒng)及貫通地線進行牽引回流多點、多重冗余、網(wǎng)狀方式接地以引導(dǎo)牽引回流返回大地和牽引變電所。

軌道電路兩鋼軌中的牽引電流與不平衡系數(shù)滿足：

(1)

1.4 軌道電路對機車牽引電流諧波的技術(shù)要求

為保障機車車輛與軌道電路之間的兼容性，GB/T 28807.2-2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了軌道機車車輛產(chǎn)生的干擾電流的限值要求以及驗證機車車輛滿足這些限值要求的測量方法。該標(biāo)準(zhǔn)對機車車輛的牽引諧波電流的限值要求做出了具體規(guī)定，其中ZPW-2000系列軌道電路工作載頻的諧波干擾電流限制要求如表1所示[7]。

由表1可以看出，對于牽引諧波頻率在ZPW-2000軌道電路信號頻帶內(nèi)的干擾電流，限值I0RMS為0.3 A，持續(xù)時間T不超過0.3 s。

表1 ZPW-2000系列軌道電路工作載頻的諧波干擾電流限制要求表

注：f0——軌道電路工作頻率或者移頻鍵控(FSK)條件下工作頻道的中心頻率；

△f——FSK帶寬；

I0RMS——頻率為f0(或△f范圍內(nèi))的干擾電流限值(均方根值)；

T——干擾電流可能超出限值的最長時間

此外，GB/T 28807.2-2017標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定了在 1 500～3 000 Hz工作帶寬范圍內(nèi)且不在ZPW-2000軌道電路工作頻帶內(nèi)的牽引電流諧波限值為3A。

2 400 km/h牽引電流對ZPW-2000系列軌道電路器材的影響分析

2.1 牽引電流基波對軌道電路的影響分析

TB/T 3073-2003《鐵路信號電氣設(shè)備電磁兼容性試驗及其限值》規(guī)定的牽引電流基波及各次諧波分布，如表2所示[8]。

根據(jù)對表2中牽引電流基波及各次諧波分布情況分析可知，牽引電流產(chǎn)生的諧波主要分布在以50 Hz工頻基波為主要能量的低頻頻段上，總體上頻率越高，諧波能量越小，且奇次諧波相比偶次諧波所占比值更高。ZPW-2000軌道電路中心載頻為 1 700 Hz、2 000 Hz、2 300 Hz、2 600 Hz，分別為50 Hz工頻的34次、40次、46次、52次偶數(shù)諧波，軌道電路工作頻率范圍存在諧波信號。

表2 牽引電流各次諧波比例表

牽引電流在鋼軌中以共模方式傳輸，軌道電路信號電流是以差模方式進行傳輸，調(diào)諧區(qū)牽引電流與信號電流流通路徑示意如圖3所示，其中Ig和Ic分別為共模的牽引電流和差模的信號電流。當(dāng)牽引電流在鋼軌中傳輸平衡時，即I1=I2時，牽引電流不會對軌道電路造成影響；當(dāng)鋼軌牽引電流不平衡時，即I1≠I2時，鋼軌間形成的不平衡電流對軌道電路移頻信號IC的傳輸造成影響。不平衡牽引電流主要通過對軌道電路設(shè)備及其配套扼流變壓器等器材產(chǎn)生的熱效應(yīng)降低設(shè)備工作可靠性及性能指標(biāo)參數(shù)。此外，由于調(diào)諧單元BA內(nèi)有電容存在，在空芯線圈平衡牽引電流不暢時，較大的牽引回流涌入可能會導(dǎo)致電容擊穿后使軌道電路產(chǎn)生故障。

圖3 調(diào)諧區(qū)牽引電流與信號電流流通路徑示意圖

鋼軌中的牽引電流不平衡是其固有屬性，由于鋼軌自身的不對稱、鋼軌長度不同及施工質(zhì)量問題(焊接面積不同、引接線不符合規(guī)格要求等)、機車車輪與軌道的接觸面積及壓力不同等因素會導(dǎo)致牽引回路自身阻抗的不平衡。列車運行速度的提高，列車牽引功率增大，牽引電流和鋼軌中的牽引回流隨之增大，在相同的不平衡系數(shù)條件下，不平衡牽引電流也隨之增大。

在350 km/h速度等級及以下的高速鐵路系統(tǒng)中，ZPW-2000軌道電路設(shè)備在不平衡牽引電流限值內(nèi)(不大于200 A)可以可靠工作，而在400 km/h高鐵鐵路系統(tǒng)中，牽引系統(tǒng)最大電流值暫按最高增加40%進行評估考慮，ZPW-2000系列軌道電路系統(tǒng)需適應(yīng)牽引電流最大到 2 800 A、不平衡牽引電流280 A的工作條件。因此，為降低400 km/h速度等級的高速鐵路不平衡牽引電流對軌道電路的影響，需要提高ZPW-2000軌道電路的抗不平衡牽引電流能力。

2.2 軌道電路抗不平衡牽引電流性能分析

根據(jù)ZPW-2000無絕緣軌道電路系統(tǒng)原理和設(shè)備特性，軌道電路系統(tǒng)抗不平衡牽引電流主要通過空芯線圈平衡牽引回流，并通過空扼流變壓器進行橫向連接，平衡并為牽引回流返回變電所提供良好路徑。

目前，軌道電路空芯線圈設(shè)備電感為32.5～34.5 uH，電阻為13～24 mΩ，同時需滿足短時間不平衡電流通流要求，中心點通流量60 min內(nèi)300 A，最大通流量4 min內(nèi) 1 000 A，設(shè)備溫升在環(huán)境10 ℃～35 ℃時，空芯線圈中心點300 A時不超過90 K。在400 km/h高速鐵路系統(tǒng)應(yīng)用時，為滿足牽引電流最大增大40%的要求，空芯線圈需在保持設(shè)備基本技術(shù)指標(biāo)參數(shù)不變的情況下提高不平衡電流通流能力，中心點通流60 min內(nèi)需達到420 A，最大通流量4 min內(nèi)需達到 1 400 A。

ZPW-2000軌道電路系統(tǒng)在區(qū)間設(shè)置BE(K)-1000/ZPW型空扼流變壓器，為平衡鋼軌牽引回流，50 Hz工頻阻抗應(yīng)不大于0.01 Ω；為保證軌道電路系統(tǒng)設(shè)備可正常工作，空扼流變壓器移頻阻抗應(yīng)大于17 Ω。隨著牽引電流增大，鋼軌中牽引回流也隨之增大，為避免扼流變壓器在大牽引回流工況下產(chǎn)生磁飽和，影響扼流變壓器性能，需要使用通流能力 1 400 A或以上的扼流變壓器。

2.3 牽引電流諧波分析

根據(jù)前期測試數(shù)據(jù)可知，350 km/h速度等級的高速鐵路牽引電流諧波在各載頻工作頻帶附近諧波和 1 500～3 000 Hz工作帶寬范圍內(nèi)且不在ZPW-2000軌道電路工作頻帶內(nèi)的牽引電流諧波限值均符合GB/T 28807.2-2017標(biāo)準(zhǔn)限值要求。運用過程中動車組牽引電流諧波在軌道電路載頻工作頻帶(1 700 Hz、2 000 Hz、2 300 Hz、2 600 Hz)附近諧波值均未超過0.3A，在1 500～3 000 Hz工作帶寬范圍內(nèi)的電流均方根值也未超過3A，ZPW-2000系列軌道電路能夠穩(wěn)定可靠工作，軌道電路接收器對標(biāo)準(zhǔn)限值規(guī)定內(nèi)的諧波兼容適應(yīng)性良好。

考慮到400 km/h的動車組牽引功率增大，在400 km/h高速鐵路動車組各工作條件下的牽引諧波電流各載頻頻帶和 1 500～3 000 Hz工作帶寬范圍內(nèi)的最大值均符合GB/T 28807.2-2017標(biāo)準(zhǔn)限值要求的條件下，ZPW-2000軌道電路系統(tǒng)設(shè)備可在400 km/h速度等級高速鐵路系統(tǒng)中可靠工作。

3 解決措施及建議

3.1 牽引電流影響解決措施

通過上述分析，牽引電流對ZPW-2000軌道電路的影響主要是不平衡牽引電流，可通過以下措施提高軌道電路設(shè)備抗不平衡電流干擾能力。

(1)提高空芯線圈抗不平衡牽引電流能力

提高空芯線圈通流能力主要是在避免大牽引回流工況下產(chǎn)生磁飽和，在保持設(shè)備基本技術(shù)指標(biāo)參數(shù)不變的情況下，通過增大空芯線圈的線圈直徑，提高設(shè)備散熱抗溫升能力，以滿足中心點通流60 min內(nèi)420 A，最大通流量4 min內(nèi) 1 400 A的要求。

(2)提高空扼流變壓器牽引電流平衡和通流能力

目前1 600 A空扼流變壓器已經(jīng)研制成功，并在重載鐵路等場景進行應(yīng)用，在400 km/h高速鐵路系統(tǒng)中可采用，或者進一步改進 1 600 A空扼流變壓器，滿足ZPW-2000軌道電路抗不平衡牽引電流能力要求，并使?fàn)恳亓黜槙撤祷卮蟮睾蜖恳冸娝?/p>

通過提高空芯線圈抗不平衡牽引電流能力和提高空扼流變壓器牽引電流平衡和通流能力，可滿足400 km/h等更高等級的高速鐵路運用ZPW-2000軌道電路的抗不平衡牽引電流的能力。

3.2 牽引電流諧波要求及建議

為保證ZPW-2000軌道電路系統(tǒng)設(shè)備在400 km/h速度等級下可靠工作，在各工況條件下的牽引諧波電流各載頻頻帶內(nèi)電流均需滿足GB/T 28807.2-2017標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

GB/T 28807.2-2017標(biāo)準(zhǔn)給出了驗證機車車輛是否滿足機車車輛產(chǎn)生干擾電流的限值要求的方法，因此可對400 km/h高速鐵路使用的動車組產(chǎn)生的牽引電流諧波進行測試，以保證動車組產(chǎn)生的諧波滿足ZPW-2000軌道電路系統(tǒng)設(shè)備的限制要求和適應(yīng)性。

3.2.1 測試條件

測試頻率范圍：1 500～3 000 Hz；

采樣頻率：大于16 KHz;

ZPW-2000軌道電路工作頻帶：1 700 Hz±45 Hz、2 000 Hz±45 Hz、2 300 Hz±45 Hz、2 600 Hz±45 Hz；

測試周期：每個測試工況連續(xù)采集牽引電流回流信號，每個有效數(shù)據(jù)采樣周期不小于1s。

3.2.2 建議動車組牽引諧波測試工況

(1)動車組靜置工況測試

①動車組處于靜置狀態(tài)，斷主斷、降弓，測試并記錄各牽引單元回流信號。

②動車組處于靜置狀態(tài)，升弓、合主斷，僅輔助機組啟動，測試記錄各牽引單元回流信號。

(2)動車組動態(tài)工況測試

①運營工況1：列車以100%動力牽引到200 km/h，通過分合主斷路器模擬過分相，再次加速至200 km/h后恒速運行，之后分別采用7級常用制動和EB停車，記錄過程牽引諧波數(shù)據(jù)，分析記錄諧波電流最大值。

②運營工況2：列車以100%牽引動力運行至300 km/h，通過分合主斷路器模擬過分相，再次加速至300 km/h后恒速運行，之后分別采用7級常用制動和EB停車，記錄過程牽引諧波數(shù)據(jù)，分析記錄諧波電流最大值。

③運營工況3：列車以100%牽引動力運行至400 km/h，動車組手柄牽引滿級加速至400 km/h，通過分合主斷路器模擬過分相，再次加速至400 km/h后恒速運行，之后分別采用7級常用制動和EB停車，記錄過程牽引諧波數(shù)據(jù)，分析記錄諧波電流最大值。

需對測試結(jié)果與GB/T 28807.2-2017標(biāo)準(zhǔn)要求進行對比，在動車組產(chǎn)生的諧波滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時，軌道電路能夠保證可靠工作。

4 結(jié)論

本文通過對比現(xiàn)有350 km/h高速鐵路軌道電路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對400 km/h運行環(huán)境下牽引電流、不平衡牽引電流和牽引電流諧波對ZPW-2000軌道電路器材的適應(yīng)性進行了深入研究，為保證在400 km/h高速鐵路系統(tǒng)中ZPW-2000系列軌道電路系統(tǒng)設(shè)備可靠運用，需采取的措施和滿足的條件為：

(1)需提高ZPW-2000軌道電路系統(tǒng)設(shè)備抗不平衡牽引電流干擾能力。主要通過提高室外空芯線圈設(shè)備性能參數(shù)和采用具備 1 600 A通流能力的大電流空扼流變壓器等方案來保證ZPW-2000系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作。

(2)400 km/h高速鐵路動車組需滿足GB/T 28807.2-2017標(biāo)準(zhǔn)限值要求。在各工況條件下動車組各載頻頻帶及 1 500～3 000 Hz工作帶寬范圍內(nèi)牽引電流諧波滿足GB/T 28807.2-2017標(biāo)準(zhǔn)限值要求時，ZPW-2000軌道電路系統(tǒng)設(shè)備能夠保證在400 km/h速度等級下可靠工作。