电缆参数对ZPW-2000A 轨道电路接收侧传输性能的影响研究

温术来 于树永 赵寰宇 张 磊

轨道电路是列车运行控制系统的重要组成部分，通过分析电路中信号的变化情况，检查轨道线路占用、空闲状态及完整性，以保证行车安全。作为轨道电路信号传输的重要环节之一，电缆的基本电气参数对轨道电路传输性能具有显著的影响。通过查找相关文献，发现目前针对电缆参数值对轨道电路传输性能影响的研究还未见公开报道。为此，本文在构建轨道电路传输模型的基础上，提出通过仿真的方法，找出电缆电阻、电感、电容及长度等参数对轨道电路接收侧传输性能的影响规律，以提高基于电缆固有属性设计的轨道电路故障排查效率。

1 仿真原理及计算方法

根据传输线理论，电缆长度越长，越容易引发缆线电压出现波动，因此考虑在建立轨道电路传输模型的基础上，采用分布参数模型，利用仿真计算的方法，模拟电缆各参数对ZPW-2000A 轨道电路接收侧输入电气参数的影响规律，具体计算方法如下。

已知电缆电阻R、电感L、泄漏电导G 及线间电容C，依据《信号传输原理》，可得电缆特性阻抗Z0及传播常数γ：

式（1）（2）中：ω=2πf为角频率；f为工作频率。已知电缆长度ld，则电缆的传输矩阵Tcable为

可得轨道电路接收侧电缆输入端电气参数：

式（4）（5） 中：Ucable为电缆输入端电压；Icable为电缆输入端电流；U为电缆输出端电压；I为电缆输出端电流；Zcable为电缆输入阻抗。

由此，计算轨道电路接收侧电缆输入端电气参数与电缆参数的函数关系，并研究电阻、电感、电容及电缆长度等参数对轨道电路接收侧传输性能的影响关系。

2 电阻的影响

1）电缆电阻值对轨道电路接收侧电缆输入阻抗的影响见图1。由图1（a）可见，随着电缆电阻值的增加，在不同载频下，电缆输入阻抗模值逐渐增加。如：载频为1700 Hz 时，电缆输入阻抗模值由172.28 Ω 增加至691.03 Ω；载频在2000 Hz 时，电缆输入阻抗模值由238.86 Ω 增加至622.16 Ω；载频为2300 Hz 时，电缆输入阻抗模值由328.65 Ω 增加至574.61 Ω；载频为2600 Hz 时，电缆输入阻抗模值由480.45 Ω 增加至522.23 Ω。由此可得，随着载频的增加，电缆输入阻抗模值增加的幅值逐渐降低。

图1 电缆电阻值对接收侧电缆输入阻抗的影响

由图1（b） 可见，随着电缆电阻值的增加，电缆输入阻抗相位角逐渐降低。对于载频1700 Hz、2000 Hz、2300 Hz 及2600 Hz，电阻值分别为30.72 Ω、28.32 Ω、25.76 Ω 及22.14 Ω，而电缆输入阻抗相位角为零时，表明电缆输入阻抗趋于阻性。

2）电缆电阻值对轨道电路接收侧电缆输入电压及电流的影响见图2。由图2（a）可见，随电缆电阻值的增加，接收侧电缆输入电压值逐渐增加，不同载频时电压增加幅值相差不大。由图2（b）可见，随电缆电阻值的增加，电缆输入端电流增加，且载频越大，其增加幅值越大。当载频为1700 Hz时，接收侧电缆输入电流由0.003 A增加至0.018 A；当载频为2000 Hz 时，接收侧电缆输入电流由0.0049 A 增加至0.016 A；接收侧电缆输入电流在2300 Hz 时由0.0057 A 增加至0.014 A；当载频2600 Hz 时，接收侧电缆输入电流由0.003 A 增加至0.018 A。

3 电感的影响

1）电缆电感值对轨道电路接收侧电缆输入阻抗的影响规律见图3。由图3（a）可见，随着电缆电感值的增加，接收侧输入阻抗模值逐渐增大，且增加幅值随载频的增加而增大。当载频为1700 Hz 时，接收侧电缆输入阻抗模值由410.46 Ω 增加至489.86 Ω；载频为2000 Hz 时，接收侧电缆输入阻抗模值由422.75 Ω 增加至502.15 Ω；载频为2300 Hz 时，输入阻抗模值由432.97 Ω 增加至505.63 Ω；载频为2600 Hz时，输入阻抗模值由442.38 Ω 增加至499.91 Ω。

图2 电缆电阻值对轨道电路接收侧电缆输入电气参数的影响

图3 电缆电感值对接收侧电缆输入阻抗的影响

由图3（b） 可见，随着电缆电感值的增加，电缆输入阻抗相位角也逐渐增加；在不同载频下，随着电缆电感值的增加，电缆输入阻抗由感性趋向阻性，且随着载频的增加，接收侧电缆输入阻抗相位角逐渐降低。

2）电缆电感值对接收侧电缆电气参数的影响见图4。由图4（a）可见，随电缆电感值的增加，接收侧电缆输入电压模值先低后高，且随载频的增加，电缆输入电压模值逐渐增加。由图4（b）可见，接收侧电缆输入电流模值随电缆电感值的增加而降低。即：当载频为1700 Hz 时，电缆输入电流模值由0.0091 A 降低至0.0081 A；载频为2000 Hz 时，电流模值由0.0094 A 降至0.0080 A；载频为2300 Hz 时，电流模值由0.0099 A 降低至0.0083 A；载频为2600 Hz 时，电流模值由0.0102 A 降低至0.0084 A。

4 电容的影响

1）电缆电容值对接收侧电缆输入阻抗的影响见图5。由图5（a）可见，随电缆电容值的增加，电缆输入阻抗模值出现先高后低的趋势，即在电缆容值为1～100 nF 范围内出现最大值。当载频为1700 Hz，电缆电容值为14.48 nF 时，电缆输入阻抗模值为506.66 Ω；当载频为2000 Hz，电缆电容值为12.08 nF 时，电缆输入阻抗模值为530.91 Ω；载频为2300 Hz，电缆电容值为11.33 nF 时，电缆输入阻抗模值为554.12 Ω；载频为2600 Hz，电缆电容值为13.11 nF 时，电缆输入阻抗模值为580.00 Ω。

图4 电缆电感值对接收侧电缆输入电气参数的影响

图5 电缆电容值对接收侧电缆输入阻抗的影响

由图5（b） 可见，随着电缆电容值的增加，电缆输入阻抗相位角出现先递减后增加的趋势。另外，对于轨道电路载频信号传输而言，其传输通道趋于阻性时为最佳，此时输入阻抗相位角为0°，因此有必要重点关注电缆输入阻抗相位角为0°时，载频及电缆电容值之间的关系。在1700 Hz、2000 Hz、2300 Hz 及2600 Hz 等4 种载频下，且电缆输入阻抗相位角为0°时，电缆电容值分别为15.79 nF、15.12 nF、14.14 nF 及13.47 nF，可见当电缆电容值在13～16 nF 范围内时，可使电缆输入阻抗相位角在4 种不同载频下均接近0°，即载频信号可在阻性通道内传输，有利于提高信号传输性能。因此在电缆设计时可考虑将其电容值设计在13～16 nF 范围内。

2）电缆电容值对接收侧电缆输入电气参数的影响规律见图6。由图6（a）可见，随电缆电容值的增大，电缆输入电压具有先减小后增大的趋势，载频越大，输入电压的减小或增大的速率越快。且在不同载频条件下，电缆电容值在1～100 nF 范围内存在最低值，随着载频频率的增加，电缆输入电压值的最低值逐渐降低。

由图6（b） 可见，随着电缆电容值的增加，接收侧电缆输入电流模值出现先降低后增加的趋势，且随着载频的增加，最低点对应的电流模值逐渐降低。

5 电缆长度的影响

电缆长度对轨道电路接收侧电缆输入阻抗的影响见图7。图7（a）显示，随电缆长度的增加，轨道电路接收侧输入阻抗模值出现先增加后降低的趋势。电缆长度在1～10 km 范围内，4 种载频情况下基本呈线性增加，且增加幅值基本保持一致；当电缆长度超过10 km 后，4 种载频下电缆输入阻抗模值呈现下降的规律，降低幅度出现分化，且随着载频的增加，降低速率逐渐加快。

图6 电缆电容值对接收侧电缆输入电气参数的影响

图7 电缆长度对接收侧电缆输入阻抗的影响

图7 （b） 显示，随着电缆长度的增加，接收侧电缆输入阻抗相位角逐渐减小，相位角由正值向负值转变，说明随着电缆长度的增加，接收侧电缆输入阻抗特性由感性转变向容性；且在4 种载频下，接收侧电缆输入阻抗随电缆长度变化规律一致。

电缆长度对轨道电路接收侧电缆输入电气参数的影响见图8。由图8（a）可见，在4 种载频下，输入电压模值随电缆长度的增加而增加。从图8（b） 可以看出，接收侧电缆输入电流模值随电缆长度的增加，出现先略微降低后逐渐增加的趋势，且电缆长度在1～10 km 范围内，4 种载频下变化情况基本一致；当电缆长度超过10 km 后，载频越大，则电缆输入电流增加越快。

6 频率的影响

图9 为工作频率对接收侧电缆输入阻抗的影响。由图9（a）可见，随着工作频率的增加，电缆输入阻抗模值逐渐降低，在1000～5000 Hz 频率范围内，输入阻抗模值由491.96 Ω 降低至270.28 Ω，电缆输入阻抗相位角由-5.12°降低到-43.02°。由图9（b）可见，随着频率的增加，电缆输入阻抗更加趋于容性。

图10 为工作频率对接收侧电缆输入电气参数的影响规律。图10（a）显示，随着工作频率的增加，接收侧电缆输入电压模值由4.13 V 单调降低至3.30 V；图10（b）显示，接收侧电缆输入电流模值随频率的增加，由0.0083 A 增加至0.0122 A，呈现单调递增的规律。

综上，通过系统地研究电缆电阻、电容、电感及长度等电缆参数对轨道电路接收侧电缆输入电气参数的影响，总结出电缆参数与接收侧电缆输入电气参数的函数关系。在现场实际应用中，由于电缆长时间在复杂环境中使用，极易出现局部老化或破损等故障，而这些故障往往会引起电缆输入或输出电气参数的变化，因此可通过测试电缆两端电压及电流等电气参数值，判断电缆是否故障，对故障电缆进行定性和定量分析，即通过测试相应载频下电缆的输入电压及电流数值，大致推断出电缆老化情况，以便尽早排除故障，保障轨道电路系统可靠应用。

图8 电缆长度对接收侧电缆输入电气参数的影响

图9 工作频率对接收侧电缆输入阻抗的影响

图10 工作频率对接收侧电缆输入电气参数的影响

7 结论

电缆是轨道电路信号传输的重要环节，发生故障时极易导致轨道电路系统可靠性降低，因此电缆故障监测及排查一直是技术人员普遍关注的问题。研究发现电缆故障容易引起电缆电阻、电容及电感等参数发生变化，进而研究电缆参数对轨道电路接收侧传输性能的影响规律，总结如下。

1） 随电缆电阻值的增加，接收侧电缆输入阻抗模值逐渐增加，输入阻抗相位角逐渐降低。

2） 随电缆电感值的增加，接收侧电缆输入阻抗模值逐渐增加，输入阻抗相位角逐渐升高。

3） 随电缆电容值的增加，接收侧电缆输入阻抗模值先增加后降低，输入阻抗相位角则出现先降低后增高的趋势。

4） 随电缆长度的增加，接收端电缆输入阻抗模值出现先增加后降低的趋势，输入阻抗相位角则出现逐渐降低的规律。

除了要掌握不同的电缆参数对轨道电路接收侧传输性能有着不同的影响外，还可以在电缆参数设计过程中，通过降低电缆输入阻抗相位角，使轨道电路对信号的传输趋于阻性，从而降低轨道电路信号在电缆传输过程中出现的无功损耗，进而提高轨道电路的传输性能。因此，本文研究内容对轨道电路工程应用具有重要意义。