浅析移频自动闭塞系统中信号抗干扰技术

夏学峰

摘要:目前在闭塞区间通过轨道电路传输的信息越来越复杂,信息传送的可靠性和安全性问题便显得日益突出。自动闭塞的行车信息以铁轨作为信道进行传输时,轨道电路具有高电感、高漏泄电导、大牵引电流和串音干扰的缺点,由于传输系统复杂性,不可避免地叠加有各种外界干扰。这些干扰将会对信号设备产生影响,甚至危及行车安全。因此在移频自动闭塞系统中抗干扰技术十分重要。

关键词:牵引电流 移频自动闭塞系统 邻线干扰 绝缘干扰

1 不平衡牵引电流干扰

在电气化区段,钢轨中所流经的不仅有轨道信号电流,还有电力牵引电流。电气化区段轨道电路所传输的信号主要受牵引电流的干扰。牵引电流在扼流变压器初级线圈上形成的磁场大小相等、方向相反,因而相互抵消不会影响接收端。但在实际条件下,两根钢轨对地漏泄电导不完全相同,从而在接收端产生干扰电压。这种干扰的幅度和相位变化缓慢,可视为稳态干扰。两根钢轨中的牵引电流值不相等时,其差值为不平衡牵引电流。

牵引电流产生的干扰电压,与牵引电流的大小、不平衡系数以及轨道电路接收端对牵引电流的输入阻抗成正比。不平衡系数较大时,列车牵引吨数越大,牵引电流也越大,对信号设备的干扰也越大。在自动闭塞各闭塞分区中,同时运行的列车数越多,牵引电流也越大。为了分析牵引电流对轨道电路的影响,首先应该分析牵引电流所包含的频率成分。以铁路区间为例,牵引电流基波的频率为50Hz,但由于牵引电流是通过机车主变压器,经整流器整流后供给直流牵引电机的,因此,牵引电流的波形并不是正弦波,而是包含丰富谐波的非正弦周期函数。电力牵引干扰量的大小,与电力机车类型和牵引状态有着密切关系,取决于牵引电流的大小、牵引机车的运行状态〔即牵引电流的波形〕、轨道电路不平衡及轨道电路设备参数等。根据实测,牵引电流基波及其各次谐波典型分布规律如表1.1所示。

从表1.1可得出其分布规律如下:

1.1 基波及各个奇次谐波的能量比较大,而且奇次谐波的频率越高干扰量越小。可见奇次谐波的能量比较大,但随频率的增加,衰减很快。

1.2 偶次谐波,在正常情况下,干扰量都比较小。它们之间也是谐波次数越高,所占的百分比越小,但它随谐波次数的升高而下降的速度比较缓慢。在整流装置故障时,非正常运用条件下,偶次谐波的干扰量有所增加。

1.3 当谐波频率在2000Hz以上时,谐波所占百分比基本上奇偶相当,随着谐波次数的增加下降也很小。

解决方案:不平衡牵引电流主要是50Hz的基波及其奇次谐波干扰,且随着谐波分量的加大其强度逐渐减小。移频信号频带为455～2700Hz,所以应重点消除该频带内的干扰。消除不平衡牵引电流干扰的措施为:在FFT变换之后,直接把455～2700Hz频带范围内的奇次谐波位置的频谱置零。

2 邻线干扰和绝缘干扰

目前广泛使用的移频自动闭塞系统,采用集中发送方式,在这一过程中,轨道电路会产生邻线干扰。邻线干扰分为两种情况,其一是构成传输线的对称电缆之间产生串音干扰,其二是由于钢轨中传输的是交流信号,钢轨互感和大地漏泄而造成邻线干扰。

由机械室向钢轨发送移频信号的传输线由对称电缆构成。在移频闭塞系统中,虽然发送电缆和接收电缆分开,但不同闭塞分区的电缆均包含在同一护套内。在发送信号的过程中,由于信号功率较大,相邻电缆之间通过电磁耦合而产生串音干扰。传输电缆串音干扰示意图见图1-1(a),等效电路图如图1-1(b)所示。图中g表示因回路间的介质损耗不平衡而形成的等效不平衡电导,c表示因回路间电容的不平衡而形成的等效不平衡电容,r表示因回路间的导线中的涡流损耗不平衡而形成的等效不平衡电阻,m表示因回路间的电感不平衡而形成的等效不平衡电感。

在轨道电路中,移频信号由机械室通过信号电缆发送到钢轨。在这一过程中,由于信号电缆产生串音,串音电流叠加到被串电缆回路的输出端负载阻抗上,产生压降,使得被串钢轨回路接收到邻线的信号频率。移频轨道电路传输电缆的串音模型如图1-2所示:

实际情况中,主、被串电缆回路很难达到终端匹配的理想状况,由于传输电缆的邻线干扰,被串回路上的机车有可能接收到错误的信号。所以,鉴别是否存在邻线干扰在铁路现场也是必需的。邻线干扰和绝缘节破损干扰都可以通过信号的频谱识别。

由于国产移频信号两个相邻载频的中心频率只间隔100Hz,频偏=55Hz,调制系数m较大,就使得信号的能量向两边频扩散,信号的频带较宽。由于信号的最高调制频率为26Hz,故信号的频带宽度为Hz,在载频中心两边各占,因而两个相邻载频的重叠区为Hz,在这个区域内两个相邻载频的信号谱线出现重叠,如图1-3所示。

解决方案:在频谱分析方法中,信号谱线出现重叠是无法分离的,为了避免由于谱线重叠而造成的计算结论错误,在检测、剔除邻线干扰和绝缘节破损干扰信号时,应取与本频率信号无重叠的另一个半边带作为确定干扰的检测区。根据国产移频信号镜像谱线的原理,恢复另一个边带的谱线,从而剔除了邻线干扰或绝缘节破损干扰。