青藏铁路关角特长隧道内自动闭塞设计探讨

薛长虹

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，兰州 730000)

1 概述

1.1 关角隧道自然概况

青藏线西宁至格尔木段增建二线工程天棚站至察汉诺站站间距长达39.363 km。线路自天棚站引出，采用最大坡度9.5‰双线绕行，进入关角隧道，关角特长隧道采用双单线长32.605 km的隧道方案，线间距为40 m，出长隧道后，线间距由40 m渐变为5 m后，双线接入察汉诺车站。关角隧道海拔高度3 900 m，隧道地理位置见图1。

图1 关角隧道地理位置(单位:km)

1.2 特长隧道对轨道电路的影响

影响轨道电路传输质量的因素包括道砟漏泄电导、钢轨电阻、轨间电容、钢轨电感等各种参数，可分为临时性的影响和永久性的影响。临时性的影响是指信号电流从一侧钢轨经扣件通过轨枕板表面的积水或其他污染物漏泄到另一侧而造成道砟电阻变小，这种影响与气候、环境有直接的关系，环境潮湿、道床污染严重则影响大，反之影响则会自动减小或消失;永久性的影响是指扣件安装孔内绝缘破损、污染后，信号电流从一侧钢轨经安装孔内污染物通过无砟道床体内部泄漏到另一侧而造成的道床电阻变小，这种影响是长期的，并且随使用时间增长而增加。

由于该段地下水系丰富，特长隧道通车经长期运营后，可能会产生渗漏水、积水等现象，会造成道床漏泄加大。另外该特长隧道处于限坡为9.5‰地段内，列车长时间处于制动状态下运行，会造成铁屑洒落轨面，影响道床参数的稳定，存在影响信号轨道电路设备可靠工作的隐患。

关角特长隧道内采用整体道床，由于道床在钢轨下有比较密集的结构钢筋网，而通过钢轨上传输的电流，会在整体道床内钢筋网上产生涡流，因此会对轨道电路钢轨参数产生影响。整体道床结构钢筋回路中纯阻部分的反射会增大钢轨电阻，感性阻抗部分的反射阻抗会减小钢轨电感，而由于钢轨电阻增大，加大了轨道电路的线性衰耗，钢轨电感的改变使补偿电容与钢轨电感构成的槽路失谐，均使轨道电路传输长度缩短。对于谐振式轨道电路而言，由于钢轨电感值变小、钢轨电阻增大，引起轨道电路调谐区谐振槽路参数发生变化，使得电气绝缘节失谐，导致轨道电路发送在电气绝缘节处能量损失变大，绝缘节性能降低，缩短了轨道电路的极限长度，且使信号越区传输而造成干扰增加，端阻抗的降低还会使轨道电路的分路灵敏度降低，影响轨道电路的安全性。以上原因严重时可能使轨道电路无法正常工作，“闪红”现象频发，机车信号入口电流也达不到规定值，严重影响到自动闭塞的使用，影响运输生产和安全。

综合上述原因，铁道部在西格二线工程初步设计审查中做出如下批复意见:“关角隧道内自动闭塞暂按计轴加环线方式设计，进一步优化设计报部审定”。

2 关角特长隧道内计轴加交叉环线自动闭塞设计

关角特长隧道长达32.6 km，所在区间近40 km，在不加中继站的情况下，自动闭塞设备制式的选择国内还没有先例。

目前关角隧道正在施工，隧道内道床电阻等情况尚不明朗，也无法预测长期运营后的结果，在此情况下，采用与全线一致的ZPW-2000A无绝缘轨道电路自动闭塞制式，当不设置中继站时，即使采取不断分割轨道电路的方法，工程上仍存在很大风险。

为彻底摆脱轨道电路受道床电气特性制约的困惑，同时避免在隧道内设置中继站，采用计轴轨道电路加交叉环线机车信号是一个比较理想的方案，此方案工程风险较小，而且也具有工程实施经验。其原理是:区间轨道占用、空闲检查由计轴设备完成，机车信号由交叉环线传输。

此模式已在兰新线乌鞘岭特长隧道自动闭塞工程得到应用和验证，该隧道已于2006年8月开通安全运行至今。

2.1 计轴轨道电路系统构成

计轴设备的最大优势在于它与轨道、道床状况的无关性，计轴设备通过检测经过的车辆轴数来判断区段的占用与出清，而不受区段长度、钢轨类型、道床结构及参数等环境因素的影响，这使其不仅具备检查轨道区段的能力，而且也彻底地解除了因道床潮湿和钢轨生锈影响轨道电路正常工作，从而影响铁路正常运行的困扰。

2.1.1 计轴点布置

关角特长隧道为双单线隧道，上下行计轴设备需独立配置，两站计轴设备分别控制到隧道中心分界处，见图2。

图2 计轴点布置示意

2.1.2 系统功能及配置

以西门子信号有限公司生产的AzS(M)350 U型微机计轴系统为例说明。西门子AzS(M)350U是一种新型微机计轴系统，它采用SIMIS安全型微机为控制核心，配以完善的外围电路构成运算单元，并且通过多个运算单元之间的有机组合来构成一个整体系统，用以检查区间轨道空闲或占用状态。该系统可处理列车速度达到400 km/h的信息，还具有远程监控功能，见图3。

图3 AzS(M)350U型计轴设备系统

(1)系统功能

①1套AzS(M)350U运算单元计轴设备可以直接连接5个室外计轴点设备、检测4个轨道区段;运算单元数量可无限制地叠加，可灵活进行设备配置;

②室外计轴点设备和室内主机的最大传输距离为21 km;对超过6.5 km的计轴点，需要单独提供电源(计轴点共用1对芯线供电);

③通常情况下室内外连接仅需一对电缆芯线;

④传输闭塞信息;

⑤传感器一体化;

⑥具有容错功能，计出功能，复用功能;

⑦采用“预复位”方式，对计轴点信息进行容错处理(可由用户选择)。

(2)系统配置

①区间轨旁的ZP43型计轴点设备(包括双置传感器DEK43和轨道箱ZP43E);

②室内的AzS(M)350U运算单元组合;

③ZP43计轴点和AzS(M)350U运算单元的外部电缆连接;

④在室内、外设备距离大于6.5 km时，增设宽带隔离变压器，最大距离可达到21.0 km;

⑤AzS(M)350U运算单元与联锁系统之间的接口电路以及配套的电源设备等。

⑥除基本防雷外，系统另配置一套完整的防雷设备。

⑦计轴电源:为保证计轴设备在电源屏停电的情况下仍能正常工作，需要使用在线式UPS为设备供电，供电时间不少于30 min或60 min。

2.1.3 通道要求

(1)站间通道(图4)

图4 站间通道示意

在两站间需要2个独立通道(上、下行)传送区段及信号机等信息;2个站都可以安全地输出每个闭塞分区的空闲/占用状态及所有通过信号机的状态等信息，同时可显示对方站的内容。

站间数据传输可采用通信电缆或光缆。根据几个计轴厂家在国内使用的情况分析，使用光缆的64 k音频或数字通道时，有的厂家的光端机设备存在通道瞬时中断问题，因此推荐采用光缆的2 M口。

(2)计轴点通道

对室内、外距离6.5 km以内的计轴点，通过2芯计轴专用电缆与室内运算单元连接;对室内、外距离超过6.5 km的计轴点，通过2芯计轴专用电缆与室内运算单元连接以传送计轴信息，另外提供2芯为所有超过6.5 km的计轴点供电(此时需增加宽带隔离变压器)。

2.2 交叉环线机车信号

2.2.1 乌鞘岭特长隧道设计原则

采用交叉环线传输机车信号，受道床电阻和整体道床的影响比双轨条传输机车信号小，这一点已在乌鞘岭特长隧道自动闭塞工程的测试中得到验证。

该工程是在最大传输电缆15 km条件下取得成功，采用了小环与大环共同完成向机车发送地面信息，有准确、完善的测试数据，有经过实践检验的电路图和环线调整表。主要设计原则如下。

(1)隧道外轨道电路采用与全线一致的ZPW2000A型区间设备，其余为计轴加环线设备。

(2)大区间检查设备，采用4套ZP30CA型计轴设备，以分界点为界，上下行区段各自被分成2个大区段，大区间计轴室外设备设在进站(或反向进站)点和区间分界点处。

(3)按有关规范要求，在隧道两端洞口外设置遮断信号机和遮断预告信号机，分别由两站值班员根据隧道火灾预警报告进行操作，点亮遮断信号机，同时切断隧道外的区间信号机。

(4)传输ZPW-2000A机车信号的干线电缆，采用SPT铝护套数字信号电缆，为达到良好传输效果，室内加有补偿电感。

(5)在计轴加环线轨道区段，设计切码电路;与计轴区段相邻的轨道电路区段增加计轴设备，仅利用其计出功能作为切码条件，以实现紧追踪时对前方区段的切码功能。

(6)根据现场测试结果、科研单位研制报告，对于1 500 m以内的闭塞分区，根据电缆传输长度(L＜12 km和12 km≤L＜15 km)，将环线等分为2～3段，按两端半间距、中间整间距法进行环线交叉，发送设备与环线一对一运用。

(7)为减少环线阻抗，环线采用3.7 mm2多股铜芯线。

(8)环线发码设备，利用既有成熟设备，采用全线一致的ZPW2000A型移频设备，

(9)优化电路结构，取消室内一拖二变压器，取消“电缆模拟网络”，以减少附加功耗。

(10)设置室外环线调整变压器，通过变压器变比的调整，实现电缆与环线的匹配连接。变压器一次侧接有补偿电感，二次侧接有补偿电容，以获得良好的传输效果;补偿电容根据载频及环线长度，在1～3 μF间进行调整。

(11)为检测环线的完整性，设计环线检测电路。在环线终端设置室外环线电流互感器，当环线内环流正常时，环线电流互感器二次侧移频信号经整流滤波形成直流电压，并通过电缆传至送端，动作室内环线检查继电器，R1～R4用做继电器电压调整。为与送端电缆共用电缆传输通道，在室内及室外侧电缆均加有20 μF隔直电容。另外，为防止终端电缆对送端移频信号的衰减，在终端电缆中串接有隔离交流的电感线圈。

电路原理见图5;环线调整表见表1。

图5 ZPW-2000A交叉环线传输机车信号系统电路原理

表1 ZPW-2000环线机车信号调整

2.2.2 关角特长隧道交叉环线机车信号系统研究方法

乌鞘岭特长隧道自动闭塞工程按上述方案成功实施，关角特长隧道自动闭塞仍然采用乌鞘岭的系统设计方案、配置及所有器材，在总结前者成果的基础上，在关角特长隧道最大传输电缆为21 km的情况下，继续进行ZPW-2000A交叉环线机车信号传输系统的研究、试验、改进器材参数和优化配置，然后进行现场测试、验证，最终补充传输电缆为15～21 km的环线调整表，取得成果后，指导本工程实施。

为满足机车信号入口电流要求，具体从以下几方面进行分析、研究，从而提出解决方案。

(1)低道床电阻(关角特长隧道道床电阻待测，先模拟0.15 Ω·km最不利道床条件)及经绝缘处理的整体道床对机车信号环线传输的影响分析、测试。

(2)继续采用乌鞘岭隧道环线机车信号设计方案，包括电路原理、电路结构、切码电路设计原则及所有器材，必要时改进有关器材参数，尤其是室外环线调整变压器参数的优化和修正，以期获得最佳传输效果。

(3)对于21 km传输电缆衰耗大的解决方案:采用SPT铝护套数字信号电缆，特长传输电缆采用四线组双芯并联使用以降低衰耗(乌鞘岭隧道环线传输电缆实际均采用单芯)，但当发送器电流过大接近1 A时，可采取芯线分段并联使用来解决。

(4)环线电缆阻抗对电流的限制，本次设计仍然采用3.7 mm2多股铜芯线，尽量不继续研制大截面的新型环线电缆。

(5)大、小环长度合理分配，有利于降低大环发码设备的发送功率，但根据乌鞘岭隧道经验，小环长度宜设计在300 m为宜，余量放入大环;对于传输电缆在15 km以上时，如果有必要，继续缩短环线区段长度，可考虑设4个环的方案，将环线分为4段，按两端半间距、中间整间距法进行环线交叉，发送设备与环线一对一运用。

(6)继续取消室内一拖二变压器，取消“电缆模拟网络”，以减少附加功耗。

(7)护轮轨对环线传输的影响不大，关角特长隧道如果安装护轮轨，应协调解决护轮轨对计轴磁头安装的影响，确保计轴系统稳定工作。

(8)乌鞘岭隧道环线机车信号发送器最终采用的是与全线一致的通用设备，功率(70 W)没有加大，本次设计功率是否加大(由70 W增大到140 W)的问题，要充分考虑对整个环线机车信号传输系统的优化，合理选择信号电缆芯线的使用、环线电缆电气参数和布置长度、变压器等器材的参数等。若采用大功率发送器，应考虑相关设备器材的发热、对系统内部及外部的电磁兼容等因素。

3 结语

关角特长隧道是目前国内最长的铁路隧道，隧道工程正在施工，隧道内环境情况还不十分明朗，而且隧道通车运营后，环境变化情况难以预测。而最大传输电缆达到21 km的特长隧道内自动闭塞设备制式的选择，国内尚无先例。关角隧道内轨道电路参数测试等项目还未开展，本文介绍的计轴加环线自动闭塞方案，仅是从理论上进行分析和借鉴既有工程成熟经验后，认为工程风险小，成功率高。而在实际实施过程中，还需要对干线传输电缆大于15 km的情况作进一步专题研究、试验验证。施工图设计所依据的主要电路方案和参考数据，将主要来自科研单位的理论计算和现场测试。如果关角特长隧道自动闭塞工程选择本文介绍的方案，则建议此工程列为试验工程开展，建设单位、科研单位、设计单位、施工单位及设备供应商等共同努力，争取取得理想结果，同时也为国内特长隧道自动闭塞设备的选型积累更加丰富的经验。

[1]李国斌.铁路建设中信号设计方案的选择及系统集成的考虑[J].铁道通信信号，2007，43(1):1-7.

[2]李志先，石先明.计轴+双轨条无绝缘自动闭塞研究设计[J].铁道通信信号，2005，41(10):3-4.

[3]薛瑞民，付军.CLC(计轴加环线)自动闭塞系统[J].铁道通信信号，2000，36(9):14-16.

[4]刘圣革.计轴加环线自动闭塞的调试方法[J].铁道通信信号，2003，39(11):29-30.

[5]西门子信号有限公司.铁路运行安全设备AzS(M)350U型微机计轴系统[Z].西安:西门子信号有限公司，2005.

[6]铁道第一勘察设计院.乌鞘岭特长隧道自动闭塞工程实施方案[Z].兰州:铁道第一勘察设计院，2006.

[7]北京全路通信信号研究设计院.乌鞘岭隧道整体道床ZPW-2000A环线机车信号传输试验大纲[Z].北京:北京全路通信信号研究设计院，2006.

[8]铁道部测试组.乌鞘岭特长隧道ZPW-2000A环线机车信号传输试验测试报告[Z].北京:铁道部测试组，2006.