轨道电路(含电码化)产品认证测试方案的优化

崔　勇

(中国铁道科学研究院 标准计量研究所，北京　100081)

轨道电路(含电码化)(以下简称轨道电路)产品是铁路运输基础设备之一，为铁路的安全运营提供可靠保障。依据《铁路产品认证管理办法》[9]和《铁路专用产品认证采信目录》[10]，轨道电路产品需通过认证中心的认证检验才能上道使用。认证中心在对轨道电路产品进行认证检验时，需在实验室搭建模拟测试系统，对轨道电路产品中的各硬件及其所含软件和系统的功能进行测试，以确认其是否符合相关技术标准的要求。

在实验室搭建模拟测试系统时，钢轨线路采用轨道电路模拟盘(以下简称模拟盘)，其余部分采用实物设备。模拟盘是采用集中参数电路模拟实际钢轨线路的均匀分布参数电路的专设装置[7]。由于轨道电路制式的不同，其安全防护的方式也不同，对于采用载频防护的轨道电路，如国产移频轨道电路，就有550，650，750和850 Hz共4种频率，而频率不同对应的钢轨线路的均匀分布参数就不同；另外，轨道电路应用又分为电气化和非电气化2种情况；因此，为了对轨道电路产品进行全覆盖测试，必须搭建多种模拟测试系统，导致工作量较大、测试效率较低、测试成本较高等问题。

针对这些问题，本文提出利用仿真计算的方法，仿真计算各种条件下轨道电路采用不同载频时在钢轨线路各位置的机车信号电流(即钢轨短路电流)，寻找机车信号电流最小所对应的轨道电路工作条件，即为产品应用的最不利条件；针对该最不利条件，分别仿真计算、室内测试空闲条件下各部位的电压和分路条件下各分路位置的机车信号电流，验证建立的各设备仿真模型的合理性。在实验室内仅在该最不利条件下搭建模拟测试系统、对轨道电路产品进行认证测试，从而实现轨道电路产品认证测试方案的优化。

1　仿真模型的建立

以不对称高压脉冲轨道电路叠加移频电码化(以下简称移频电码化)产品认证为例阐述认证测试方案的优化。

移频电码化系统结构如图1所示，主要设备有钢轨线路、防雷变压器(FL)、匹配变压器(GZ·BPM1)、扼流变压器(GZ·BEM)、轨道变压器(GZ·BGMC)、国产移频发送器(FS)、国产移频隔离盒(GZ·GM1)和电缆。根据设备的特性可将这些设备分为3类：钢轨线路、变压器和其他设备。采用MATLAB/SIMULINK分析软件对这些设备建立仿真模型。

图1　移频电码化系统结构图

1.1　钢轨线路模型

钢轨线路可以看作是均匀的传输线，其参数是均匀分布参数。在实验室内进行移频电码化产品的认证测试时，因实际钢轨线路很长，无法按照实际长度进行搭建，通常采用集中参数电路的模拟盘模拟钢轨分布参数。为进行准确模拟，分别建立钢轨线路的分布参数和集中参数2种模型，并对2种模型进行对比分析。

1)分布参数模型

(1)

(2)

其中，

ω=2πf

式中：f为载频的频率，Hz。

由于每公里钢轨的轨间电容C的值非常小，移频信号在钢轨线路上传输时，轨间电容对信号传输的影响很小，因此一般忽略每公里钢轨的轨间电容[1-2]，式(1)和式(2)可以简化为

(3)

(4)

其中，

式中：Z为每公里钢轨阻抗；β为轨道电路的送电端与受电端电压模值的衰减常数；α为轨道电路送电端与受电端电压相位的偏移常数。

2)集中参数模型

由于钢轨线路的条件是均匀相同的，为了等效分布参数模型，取长度为r(m)的1段线路作为1节集中参数单元，可将长度为d(m)的钢轨线路均匀分成n节集中参数单元，则由n节集中参数单元级联构成的钢轨线路的等效电路图如图2所示。

图2由n节集中参数单元级联构成的钢轨线路等效电路图

图3　单节参数单元的等效电路图

则有

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：Z0r为短接3和4端， 1和2端的输入阻抗；Z∞r为开路3和4端，1和2端的输入阻抗。

又因为

(10)

(11)

将式(5)、式(6)、式(7)、式(10)和式(11)分别代入式(8)和式(9)，整理可得

(12)

(13)

3)集中参数模型与分布参数模型的误差分析

以国产移频850 Hz载频的轨道电路为例，各参数取值分别为R=1.21 Ω·km-1，L=1.43 mH·km-1，G=1 S·km-1；根据认证检验时轨道电路的极限长度为900 m，取线路长度d=900 m。

=2.783 9∠40.499 9°

(14)

=2.505 5∠40.499 9°

(15)

(16)

(17)

集中参数模型与分布参数模型轨道电路钢轨线路的特性阻抗误差和传输常数误差分别为

(18)

(19)

为了获得上述数据，需要首先确定集中参数模型单节参数单元合理的线路长度。为此，取单节参数单元线路长度r=0～900 m，由式(15)、式(17)和式(19)可得均匀分布参数与集中参数的传输常数误差曲线，如图4所示。

图4集中参数单元长度不同时均匀分布参数与集中参数的传输常数误差曲线

从图4可知：集中参数单元的长度越小，误差越小；当集中参数单元长度小于100 m时，误差小于2.0%，可保证测试精度[8]的要求。再综合考虑模拟盘成本、轨道电路测试长度和测试取点等因素，取单节参数单元线路长度r=50 m。

由式(18)和式(19)计算可得到850 Hz时采用集中参数模型与采用分布参数模型钢轨电路的特性阻抗误差、传输常数误差。同理，可计算550，650和750 Hz这3种频率时的误差，结果均见表1。

表1　不同频率时的特性阻抗误差和传输常数误差

由表1可知，在4种频率下，特性阻抗误差最大为0.08%，传输常数误差最大为0.01%，均满足室内测试标准的要求。因此，认证测试时，在实验室采用n节集中参数单元级联构成长度为d的钢轨线路可以等效现场实际均匀分布参数单元长度为d的钢轨线路。

1.2　变压器模型

在移频电码化系统中，防雷变压器、匹配变压器、扼流变压器和轨道变压器等均可等效为如图5所示的T型模型[5]。

图5　变压器的T型模型

使用FRA5097频率响应分析仪对变压器进行测试，可以得到4种载频条件下变压器开、短路时的电阻和感抗参数。其中，由短路副边绕组测得短路时变压器的电阻RS和感抗LS；由开路副边绕组测得开路时变压器的电阻Rm和感抗Lm。各变压器的模型参数分别如下。

1)防雷变压器(FL)

防雷变压器的作用是保护室内移频发送器和接收器，其模型参数见表2。

表2　防雷变压器的模型参数

2)匹配变压器(GZ·BPM)

匹配变压器的作用是通过改变变比，调整传输系统的阻抗匹配关系，其模型参数见表3。

表3　匹配变压器的模型参数

3)扼流变压器(GZ·BEM)

扼流变压器的作用是隔离电气化区段牵引电流及其回流对室内设备的干扰和阻抗匹配。为了更有效地隔离牵引电流对信号的干扰，扼流变压器带有适配器BZE，适配器由电感和电容串联而成，对550 Hz以上信号呈高阻抗，对50 Hz工频信号呈低阻抗，从而可以有效地减小工频信号传入室内。扼流变压器的模型参数见表4。

表4　扼流变压器的模型参数

4)轨道变压器(GZ·BGMC)

轨道变压器用于非电化区段，对信号传输到钢轨起阻抗匹配作用，其模型参数见表5。

表5　轨道变压器的模型参数

1.3　其他设备模型

1)移频发送器

移频发送器的作用是发送移频信号，可以发送4种载频和4个电压档位的移频信号，其戴维南等效电路如图6所示[6]。移频发送器的功出电平级为1，2，3，4，对应的功出电压分别为30±5，35±5，40±5，50±5。移频发送器有内阻抗Rs和内感抗Ls，也是使用FRA5097频率响应分析仪测试得到，其模型参数见表6。

图6　移频发送器等效电路图

频率/HzRs/ΩLs/H8501300000203750121000020665011100002135501010000215

2)移频隔离盒(GZ·GM1)

移频隔离盒的作用是隔离电码化的高压脉冲信号，同时防止移频信号串入脉冲发送器。脉冲信号和移频信号在隔离盒上叠加之后通过电缆传输到钢轨。串联支路的模型参数分别为电阻Rs_GM1，电容Cs_GM1；并联支路中的模型参数分别为电阻Rp_GM1，电感Lp_GM1，电容Cp_GM1，移频隔离盒的等效电路如图7所示，其模型参数见表7。

3)电缆

室内测试时，对于使用的SPT数字信号电缆，当载频的频率不大于1 000 Hz、电缆长度不大于3 km时，在允许误差范围内，每公里电缆采用43 Ω电阻替代。本室内测试时，需要的电缆长度为2.5 km，所以使用107.5 Ω的电阻等效。

图7　移频隔离盒等效电路图

频率/HzRs＿GM1/ΩCs＿GM1/μFLp＿GM1/mHRp＿GM1/ΩCp＿GM1/μF850164462417517232750177070722522072650194081630029432550216196141941242

2　最不利条件的确定

以移频电码化产品认证为例，通过仿真确定其最不利条件。该系统分为非电气化和电气化2种结构，其差异在于轨旁设备不同，电化区段采用扼流变压器，非电化区段采用轨道变压器。载频的频率取850，750，650，550 Hz；钢轨线路的各参数取值分别为d=900 m，R=1.21 Ω·km-1，L=1.43 mH·km-1，G=1 S·km-1；道砟漏泄电阻取1 Ω·km；轨道电路的分路电阻取0.06 Ω。依据轨道电路调整要求，发送电平级为4级，防雷变压器的变比为170∶40，匹配变压器的变比为8∶1，扼流变压器的变比为10∶1，轨道变压器的变比为10∶1。

采用上文建立的仿真模型，仿真计算出移频信号4种载频在不同分路位置的机车信号电流，如图8所示。由图8可知：非电气化与电气化的机车信号电流的变化规律相同；分路位置距离发送端越远，则机车信号电流越小，当分路位置位于受电端时，机车信号电流最小；当分路位置距离发送端大于50 m以上时，频率越高，则机车信号电流越小。因此移频电码化轨道电路的机车信号最小时对应的工作条件为：频率850 Hz，钢轨线路长度900 m，分路位置在受电端。此条件即为该轨道电路的最不利条件。

同时，根据仿真计算结果(见图8)可知，分路位置在受电端时，机车信号电流最小值为179 mA(非电化)和196 mA(电化)，满足TB/T 2465—2010《铁路车站电码化技术条件》850 Hz机车信号电流大于27 mA(非电气化)/66 mA(电气化)的要求[8]。

图8移频信号4种载频在不同分路位置的机车信号电流曲线

3　测试验证

为了验证仿真计算结果的可信度，以移频电码化非电气化轨道电路的最不利条件为例，对空闲条件下轨道电路各部位的电压和分路条件下轨道电路各分路位置的机车信号电流分别进行仿真计算和室内模拟测试，并计算仿真计算结果与室内模拟测试结果的相对误差，其结果分别见表8和表9。

表8仿真计算和室内模拟测试轨道电路各部位的电压及其误差

位置电压/V仿真计算模拟测试误差/%功出5030050000060FL钢轨侧170000170500-030BPM1侧2130021200050GM1侧2130020700280送端轨面18101820-060受端轨面03200315160

表9仿真计算和室内模拟测试轨道电路各分路位置的机车信号电流及其误差

位置/m机车信号电流/A仿真计算模拟测试误差/%50251726605381001739187070115013041360412200103310602552500849086012830007160725124350061506170324000536053905645004710475084500041804200485500372037508060003330336089650029903031327000269027521875002420249281800021902273528500198020638890001790189529

由表8和表9可知：电压最大误差为2.80%；机车信号电流最大误差为7.01%，平均误差为2.34%；均满足仿真精度的要求，说明建立的各种设备的仿真模型是合理的、可以接受的。

4　结　语

本文提出了计算机仿真分析与实验室实物测试相结合的产品认证测试方案优化。以移频电码化产品认证为例，采用MATLAB/SIMULINK仿真软件建立钢轨线路、各变压器和其他设备的仿真模型，通过仿真计算得出轨道电路(含电码化)产品认证测试的最不利条件为：载频850 Hz，钢轨线路长度900 m，分路位置在受电端。然后在实验室内仅在该最不利条件下搭建模拟测试系统，对轨道电路产品进行认证测试，从而实现认证测试方案的优化。采用该优化方案进行轨道电路产品认证测试，既可达到轨道电路产品全覆盖测试及认证的目的，也可减少测试成本，提高测试效率。

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