上海轨道交通50 Hz相敏轨道电路抗干扰优化方案

王 伟

(上海地铁维护保障有限公司通号分公司，200235，上海∥工程师)

直流单轨条50 Hz相敏轨道电路在上海轨道交通1、2号线正线及全网车场中广泛使用。牵引直流回流会磁化轨道变压器;50 Hz谐波会干扰轨道电路正常工作，甚至危及行车安全。为此，在工程设计和维护调整中采取了一定的抗干扰优化方案。

1 直流单轨条牵引50 Hz相敏轨道电路

1.1 50 Hz二元二位相敏轨道电路

上海轨道交通1号线正线道岔区域及全网车场均使用国产50 Hz二元二位相敏轨道电路。其原理图如图1。该轨道电路性能主要由二元二位相敏继电器(JRJC－45/300和JRJC1－42/275两种)所决定。二元二位继电器的特性见表1。相关指标有:分路电阻为0.15Ω，道床漏泄电阻为0.93Ω·km至无穷大，极限长度为500 m，受电端电缆电阻不大于150Ω。

图1 50 Hz相敏轨道电路原理图

表1 二元二位继电器特性

1.2 PF 轨道电路

上海轨道交通2号线正线道岔区域使用的是美国US＆S公司的工频(PF)轨道电路。其原理图如图2所示。该轨道电路性能主要由二元二位PV－250相敏继电器确定。相关指标为:分路电阻为0.25Ω，道床漏泄电阻为0.9Ω·km 至无穷大，极限长度为304 m。PV－250继电器轨道线圈阻抗为0.197 Ω，吸起电流为0.3 A，理想相位角为71.5°±20°。一组实测的该型继电器特性数据为:局部线圈工作值为115 V/0.177 A;轨道线圈吸起值为0.704 V/0.295 A，工作值为 0.767 V/0.322 A;返还系数为 90%;相位角为 81.3°。

图2 美国US＆S公司PF轨道电路

1.3 WXJ 50型微电子相敏轨道电路

上海轨道交通2号线东延伸正线岔区曾使用过WXJ 50型微电子相敏轨道电路。其原理图如图3所示。该轨道电路的主要性能由WXJ 50微电子接收器确定。相关指标有:轨道接收阻抗为500Ω±20 Ω，阻抗角为零;返还系数大于80%;分路电阻为0.15 Ω;道床漏泄电阻为1Ω·km至无穷大;极限长度为300 m;受电端单芯电缆控制长度不大于1 000 m。

1.4 50 Hz相敏轨道电路的抗干扰能力

处于调整状态的单轨条轨道电路，一根轨条通过牵引回流和轨道电路信号电流，在牵引回流流过该轨条时会形成电位差，因而在另一根轨条通过轨道电路信号电流的同时，也会有少量牵引回流流过，这个牵引回流的分量对轨道电路会产生干扰。对于单轨条轨道电路，将主要流过牵引回流的轨条称为“牵引轨”或“回流轨”，对应另一根轨条称为“信号轨”。牵引回流越大，牵引轨阻抗越大，轨道电路受到的干扰也越大。考虑到牵引回流对50 Hz相敏轨道电路的影响，轨道电路的长度会受到限制。

单轨条50 Hz相敏轨道电路虽具有一定的频率和相位选择性，能较好地防护来自牵引电流的各种谐波干扰，但在实际运用中，还存在一定的抗干扰能力问题。例如:轨道电路在受干扰后，会出现列车未占用提前显示红光带、列车离去红光带滞后消失、列车占用时跳闪或不显示红光带等现象。列车占用时跳闪或不显示红光带现象将危及行车安全。

2 牵引回流干扰测量

牵引回流对轨道电路的干扰同牵引变电站和列车有关。列车采用大电流高电压的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)器件由直流电机牵引变为变频交流牵引，车辆的主干扰频带也相应提高到了几千赫兹级。在列车起动、加速、惰行、再生制动和载重变化等工况下，列车的牵引电流会发生变化，并产生丰富的谐波干扰成分，从而动态、随机地干扰轨道电路的正常工作。如果50 Hz谐波成分的干扰量足够大，则会引起相敏轨道电路的误动，进而影响城市轨道交通的正常运营，甚至危及行车安全。

2.1 轨面与二元二位继电器轨道线圈侧干扰测量

牵引供电是通过12相或24相脉波整流得到的。在钢轨轨面测得的干扰脉冲波形、周期及频谱如图4所示。当列车接近时，在轨道线圈测得的干扰波形(叠加在50 Hz相敏轨道电路上的12相整流干扰)如图5所示。

图3 WXJ 50型微电子相敏轨道电路

图4 轨面干扰脉冲波形及频谱

图5 列车接近时二元二位继电器轨道线圈波形

2.2 列车牵引电流干扰测量

上海轨道交通1、2号线全线全时段实现了8节A型车编组列车高密度运营，根据供电专业提供的数据，其牵引回流可达10 000 A以上。如此高的牵引回流是否会对50 Hz相敏轨道电路产生干扰，需通过不同工况下(包括列车牵引、制动、惰行等)的测量来加以认证。测试方法如图6所示。

图6 8节编组列车牵引电流干扰测试方法

2.3 测试结果分析

在1号线全线实测单列列车正常空车运行时，总牵引回流中含有50 Hz的同频干扰。其程度为:干扰电流有效值达到3 A时，持续时间约为5 s;干扰电流有效值达到8 A时，持续约为1 s。不同工况测得2号线8节编组列车3个受电弓中50 Hz电流总和小于1 A，但有时电流峰值最大可达到3 A;但大于1 A限定值的电流峰值持续时间小于200 ms。

1号线二元二位相敏轨道电路的干扰限值为:在频率(50±3)Hz范围内，干扰电流有效值达到3 A的持续时间不得超过300 ms。2号线PF轨道电路的干扰限值为:在频率(50±5)Hz范围内，干扰电流有效值达到1 A的持续时间不得超过200 ms。对照上述干扰限值可知，1号线部分列车的干扰超过信号限制标准，需要给予优化，而2号线基本满足信号供应商的技术要求。

3 获得最大干扰的最不利条件与优化设计

3.1 获得最大干扰的最不利条件

50 Hz的同频干扰可以理解为分路残压叠加干扰，当分路残压叠加达到一定程度时，就会引起落下的轨道继电器错误吸起并上接点闭合。经分析，在发送端仅有一对轮对分路时，接收端受牵引回流干扰影响最大。此即为获得最大干扰的最不利条件，如图7所示。

图7 最不利干扰列车轮对分路示意图

3.2 抗干扰优化设计

通过测量、分析，笔者认为，通过以下优化设计可有效提高50 Hz相敏轨道电路对直流牵引回流的抗干扰能力。

(1)增大限流电阻。将发送接收端电阻由2.2 Ω增大到4.4Ω，以抑制直流磁饱和，同时减少信号轨流过的同频干扰分量。US＆S公司的PF轨道电路将发送和接收的变压器设置在信号机械室内，电缆线阻起到了增大限流电阻的作用。

(2)无岔区段长度控制在150 m。将1个长无岔区段切割为1个“1送1受”的无岔区段和1个“1送2受”的无岔区段;或将其改为1送2受方式，在无岔区段中间设送电变压器箱，两端设受电变压器箱，区段中间不设绝缘节，如图8所示。

图8 无岔区段“1送2受”方式

(3)减小长道岔区段。将长道岔区段切割为2个无岔区段和1个“1送2受”的道岔区段，或1个无岔区段和1个“1送1受”的道岔区段，或1个无岔区段和1个“1送2受”的道岔区段。

(4)增加安全延时电路。采用安全型时间继电器，使得轨道复示继电器延时吸起。

同时，在维护时按如下要求对轨道电路进行调整:

(1)控制失调角。受电端轨道线圈侧回路内串接电容进行调相，适当配置非标电容，准确调整相位。

(2)固定送、受电端限流电阻。拆除滑线变阻器调节功能，通过调整变压器电压来调整轨道电路，以避免调小限流电阻而恶化分路检查，引起直流磁化电流的增加和干扰增大，导致轨道电路不能正常工作的情况。

(3)控制分路残压。调整二元二位轨道继电器受端电压不大于17 V，分路试验残压小于3 V。

(4)增大电源屏轨道电路电源容量。因单个轨道电路功率的增大，可能需要增大电源屏容量。

4 结语

相敏轨道电路基于电压、相位和持续时间的多参数共同作用，有非常大的安全富裕度。所以，通过优化设计，改进调整状态，抑制信号轨中牵引回流分量，可以确保直流单轨条50 Hz相敏轨道电路的安全运用。

通过测试和分析直流牵引回流对50 Hz相敏轨道电路的影响，在上海轨道交通1号线人民广场站C4/C10复合轨道区段采用了 ALSTOM MICROCHRON延时继电器(设定为3 s)的方案，在上海轨道交通10号线停车库采用了分割轨道电路的方案，保证了相关区段轨道电路的稳定工作。另外，针对道岔区段钢轨漏泄电阻变小及微电子相敏轨道电路出现不稳定红光带的现象，于2012年采用US＆S公司的PF轨道电路对2号线微电子相敏轨道电路进行了全部更换，既解决了轨道电路不稳定红光带的问题，也保持了2号线全线相敏轨道电路的制式一致性。

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