400 km/h高速铁路ZPW-2000轨道电路器材适应性研究

高俊明 李明兵 唐乾坤 徐 越

(1.中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031；2.北京和利时系统工程有限公司， 北京100176)

ZPW-2000系列轨道电路作为铁路信号自动闭塞系统的基础关键设备，具有轨道占用检查、向列车连续传送行车信息的功能[1]。目前，350 km/h及以下高速铁路区间和站内已广泛使用了ZPW-2000系列轨道电路，ZPW-2000系列轨道电路系统设备也表现出了较好的适应性，轨道电路系统设备和配套扼流变压器、补偿电容等器材均工作性能良好。

随着高速铁路动车组运营速度的不断提高，动车组牵引电流越来越大，钢轨牵引回流也随之增大，而钢轨作为牵引回流的传输路径，其中通过的不平衡牵引电流及牵引回流谐波等会对轨道电路系统造成一定的影响。本文主要对钢轨中的不平衡牵引电流及牵引电流谐波对轨道电路的影响进行研究和分析，并根据分析结果对400 km/h铁路ZPW-2000系列轨道电路系统设备、配套器材和动车组牵引系统提出相关的要求及建议。

1 电气化铁路牵引供电方式和ZPW-2000轨道电路

1.1 电气化铁路牵引供电方式

电力机车普遍采用“交-直-交”传动系统[2]，动车组在铁路线路上运行时，是由牵引变电所通过接触网向动车组供电，牵引电流经列车轮对、钢轨回流至牵引变电所。

目前，我国电气化铁路牵引供电方式主要有直接供电方式(T-R)、带回流的直接供电方式(DN或T-R-NF)、吸流变压器供电方式(BT)和自耦变压器供电方式(AT)，以上几种供电方式的牵引电流均以钢轨作为回流通道[3]。理想状态下，两条钢轨上牵引回流分布均匀且回流大小相等，但实际应用中钢轨牵引回流受牵引回路自身阻抗不平衡和邻近牵引回路牵引电流的磁场耦合[4]等各种因素的影响导致电流大小不等，使得钢轨间存在不平衡牵引电流。

1.2 ZPW-2000系列轨道电路

ZPW-2000系列轨道电路是在法国UM71基础上研制的无绝缘轨道电路，目前高速铁路运用的ZPW-2000系列轨道电路主要包括ZPW-2000A、ZPW-2000S、ZPW-2000R等型号，其主要设备构成基本一致，系统特性和技术指标均符合TB/T 3206-2017《ZPW-2000轨道电路技术条件》标准要求。

ZPW-2000系列轨道电路主要由室内设备和室外设备两大部分组成，室内设备主要包括：发送设备、接收设备、衰耗设备、模拟网络设备、监测维护设备及通信接口设备；室外设备主要包括：匹配设备、调谐设备、空芯线圈、补偿电容、扼流变压器及钢轨等。系统结构如图1所示。

1.3 轨道电路设备受牵引电流影响所采取的措施和技术要求

ZPW-2000轨道电路属于无绝缘轨道电路系统，室外设置调谐区，通过调谐设备、空芯线圈及调谐区范围内的钢轨形成两相邻轨道电路间的电气绝缘分割。其中，空芯线圈承担平衡相邻轨道电路区段两根钢轨间牵引回流的作用，由于空芯线圈对50 Hz牵引电流呈现很小的交流阻抗(约10 mΩ)，对钢轨不平衡牵引电流电动势起到短路的作用，可有效平衡、分流两根钢轨间的牵引回流(如图2所示，I1≠I2)，减少不平衡牵引电流和牵引回流谐波干扰对轨道电路的影响[5]。

ZPW-2000轨道电路设置空扼流变压器，通过空扼流变压器或空芯线圈横向连接沟通上、下行牵引回流，实现上、下行线路间的等电位连接，此外还通过综合接地系统及贯通地线进行牵引回流多点、多重冗余、网状方式接地以引导牵引回流返回大地和牵引变电所。

轨道电路两钢轨中的牵引电流与不平衡系数满足：

(1)

1.4 轨道电路对机车牵引电流谐波的技术要求

为保障机车车辆与轨道电路之间的兼容性，GB/T 28807.2-2017标准规定了轨道机车车辆产生的干扰电流的限值要求以及验证机车车辆满足这些限值要求的测量方法。该标准对机车车辆的牵引谐波电流的限值要求做出了具体规定，其中ZPW-2000系列轨道电路工作载频的谐波干扰电流限制要求如表1所示[7]。

由表1可以看出，对于牵引谐波频率在ZPW-2000轨道电路信号频带内的干扰电流，限值I0RMS为0.3 A，持续时间T不超过0.3 s。

表1 ZPW-2000系列轨道电路工作载频的谐波干扰电流限制要求表

注：f0——轨道电路工作频率或者移频键控(FSK)条件下工作频道的中心频率；

△f——FSK带宽；

I0RMS——频率为f0(或△f范围内)的干扰电流限值(均方根值)；

T——干扰电流可能超出限值的最长时间

此外，GB/T 28807.2-2017标准中也规定了在 1 500～3 000 Hz工作带宽范围内且不在ZPW-2000轨道电路工作频带内的牵引电流谐波限值为3A。

2 400 km/h牵引电流对ZPW-2000系列轨道电路器材的影响分析

2.1 牵引电流基波对轨道电路的影响分析

TB/T 3073-2003《铁路信号电气设备电磁兼容性试验及其限值》规定的牵引电流基波及各次谐波分布，如表2所示[8]。

根据对表2中牵引电流基波及各次谐波分布情况分析可知，牵引电流产生的谐波主要分布在以50 Hz工频基波为主要能量的低频频段上，总体上频率越高，谐波能量越小，且奇次谐波相比偶次谐波所占比值更高。ZPW-2000轨道电路中心载频为 1 700 Hz、2 000 Hz、2 300 Hz、2 600 Hz，分别为50 Hz工频的34次、40次、46次、52次偶数谐波，轨道电路工作频率范围存在谐波信号。

表2 牵引电流各次谐波比例表

牵引电流在钢轨中以共模方式传输，轨道电路信号电流是以差模方式进行传输，调谐区牵引电流与信号电流流通路径示意如图3所示，其中Ig和Ic分别为共模的牵引电流和差模的信号电流。当牵引电流在钢轨中传输平衡时，即I1=I2时，牵引电流不会对轨道电路造成影响；当钢轨牵引电流不平衡时，即I1≠I2时，钢轨间形成的不平衡电流对轨道电路移频信号IC的传输造成影响。不平衡牵引电流主要通过对轨道电路设备及其配套扼流变压器等器材产生的热效应降低设备工作可靠性及性能指标参数。此外，由于调谐单元BA内有电容存在，在空芯线圈平衡牵引电流不畅时，较大的牵引回流涌入可能会导致电容击穿后使轨道电路产生故障。

图3 调谐区牵引电流与信号电流流通路径示意图

钢轨中的牵引电流不平衡是其固有属性，由于钢轨自身的不对称、钢轨长度不同及施工质量问题(焊接面积不同、引接线不符合规格要求等)、机车车轮与轨道的接触面积及压力不同等因素会导致牵引回路自身阻抗的不平衡。列车运行速度的提高，列车牵引功率增大，牵引电流和钢轨中的牵引回流随之增大，在相同的不平衡系数条件下，不平衡牵引电流也随之增大。

在350 km/h速度等级及以下的高速铁路系统中，ZPW-2000轨道电路设备在不平衡牵引电流限值内(不大于200 A)可以可靠工作，而在400 km/h高铁铁路系统中，牵引系统最大电流值暂按最高增加40%进行评估考虑，ZPW-2000系列轨道电路系统需适应牵引电流最大到 2 800 A、不平衡牵引电流280 A的工作条件。因此，为降低400 km/h速度等级的高速铁路不平衡牵引电流对轨道电路的影响，需要提高ZPW-2000轨道电路的抗不平衡牵引电流能力。

2.2 轨道电路抗不平衡牵引电流性能分析

根据ZPW-2000无绝缘轨道电路系统原理和设备特性，轨道电路系统抗不平衡牵引电流主要通过空芯线圈平衡牵引回流，并通过空扼流变压器进行横向连接，平衡并为牵引回流返回变电所提供良好路径。

目前，轨道电路空芯线圈设备电感为32.5～34.5 uH，电阻为13～24 mΩ，同时需满足短时间不平衡电流通流要求，中心点通流量60 min内300 A，最大通流量4 min内 1 000 A，设备温升在环境10 ℃～35 ℃时，空芯线圈中心点300 A时不超过90 K。在400 km/h高速铁路系统应用时，为满足牵引电流最大增大40%的要求，空芯线圈需在保持设备基本技术指标参数不变的情况下提高不平衡电流通流能力，中心点通流60 min内需达到420 A，最大通流量4 min内需达到 1 400 A。

ZPW-2000轨道电路系统在区间设置BE(K)-1000/ZPW型空扼流变压器，为平衡钢轨牵引回流，50 Hz工频阻抗应不大于0.01 Ω；为保证轨道电路系统设备可正常工作，空扼流变压器移频阻抗应大于17 Ω。随着牵引电流增大，钢轨中牵引回流也随之增大，为避免扼流变压器在大牵引回流工况下产生磁饱和，影响扼流变压器性能，需要使用通流能力 1 400 A或以上的扼流变压器。

2.3 牵引电流谐波分析

根据前期测试数据可知，350 km/h速度等级的高速铁路牵引电流谐波在各载频工作频带附近谐波和 1 500～3 000 Hz工作带宽范围内且不在ZPW-2000轨道电路工作频带内的牵引电流谐波限值均符合GB/T 28807.2-2017标准限值要求。运用过程中动车组牵引电流谐波在轨道电路载频工作频带(1 700 Hz、2 000 Hz、2 300 Hz、2 600 Hz)附近谐波值均未超过0.3A，在1 500～3 000 Hz工作带宽范围内的电流均方根值也未超过3A，ZPW-2000系列轨道电路能够稳定可靠工作，轨道电路接收器对标准限值规定内的谐波兼容适应性良好。

考虑到400 km/h的动车组牵引功率增大，在400 km/h高速铁路动车组各工作条件下的牵引谐波电流各载频频带和 1 500～3 000 Hz工作带宽范围内的最大值均符合GB/T 28807.2-2017标准限值要求的条件下，ZPW-2000轨道电路系统设备可在400 km/h速度等级高速铁路系统中可靠工作。

3 解决措施及建议

3.1 牵引电流影响解决措施

通过上述分析，牵引电流对ZPW-2000轨道电路的影响主要是不平衡牵引电流，可通过以下措施提高轨道电路设备抗不平衡电流干扰能力。

(1)提高空芯线圈抗不平衡牵引电流能力

提高空芯线圈通流能力主要是在避免大牵引回流工况下产生磁饱和，在保持设备基本技术指标参数不变的情况下，通过增大空芯线圈的线圈直径，提高设备散热抗温升能力，以满足中心点通流60 min内420 A，最大通流量4 min内 1 400 A的要求。

(2)提高空扼流变压器牵引电流平衡和通流能力

目前1 600 A空扼流变压器已经研制成功，并在重载铁路等场景进行应用，在400 km/h高速铁路系统中可采用，或者进一步改进 1 600 A空扼流变压器，满足ZPW-2000轨道电路抗不平衡牵引电流能力要求，并使牵引回流顺畅返回大地和牵引变电所。

通过提高空芯线圈抗不平衡牵引电流能力和提高空扼流变压器牵引电流平衡和通流能力，可满足400 km/h等更高等级的高速铁路运用ZPW-2000轨道电路的抗不平衡牵引电流的能力。

3.2 牵引电流谐波要求及建议

为保证ZPW-2000轨道电路系统设备在400 km/h速度等级下可靠工作，在各工况条件下的牵引谐波电流各载频频带内电流均需满足GB/T 28807.2-2017标准限值要求。

GB/T 28807.2-2017标准给出了验证机车车辆是否满足机车车辆产生干扰电流的限值要求的方法，因此可对400 km/h高速铁路使用的动车组产生的牵引电流谐波进行测试，以保证动车组产生的谐波满足ZPW-2000轨道电路系统设备的限制要求和适应性。

3.2.1 测试条件

测试频率范围：1 500～3 000 Hz；

采样频率：大于16 KHz;

ZPW-2000轨道电路工作频带：1 700 Hz±45 Hz、2 000 Hz±45 Hz、2 300 Hz±45 Hz、2 600 Hz±45 Hz；

测试周期：每个测试工况连续采集牵引电流回流信号，每个有效数据采样周期不小于1s。

3.2.2 建议动车组牵引谐波测试工况

(1)动车组静置工况测试

①动车组处于静置状态，断主断、降弓，测试并记录各牵引单元回流信号。

②动车组处于静置状态，升弓、合主断，仅辅助机组启动，测试记录各牵引单元回流信号。

(2)动车组动态工况测试

①运营工况1：列车以100%动力牵引到200 km/h，通过分合主断路器模拟过分相，再次加速至200 km/h后恒速运行，之后分别采用7级常用制动和EB停车，记录过程牵引谐波数据，分析记录谐波电流最大值。

②运营工况2：列车以100%牵引动力运行至300 km/h，通过分合主断路器模拟过分相，再次加速至300 km/h后恒速运行，之后分别采用7级常用制动和EB停车，记录过程牵引谐波数据，分析记录谐波电流最大值。

③运营工况3：列车以100%牵引动力运行至400 km/h，动车组手柄牵引满级加速至400 km/h，通过分合主断路器模拟过分相，再次加速至400 km/h后恒速运行，之后分别采用7级常用制动和EB停车，记录过程牵引谐波数据，分析记录谐波电流最大值。

需对测试结果与GB/T 28807.2-2017标准要求进行对比，在动车组产生的谐波满足标准要求时，轨道电路能够保证可靠工作。

4 结论

本文通过对比现有350 km/h高速铁路轨道电路相关标准，对400 km/h运行环境下牵引电流、不平衡牵引电流和牵引电流谐波对ZPW-2000轨道电路器材的适应性进行了深入研究，为保证在400 km/h高速铁路系统中ZPW-2000系列轨道电路系统设备可靠运用，需采取的措施和满足的条件为：

(1)需提高ZPW-2000轨道电路系统设备抗不平衡牵引电流干扰能力。主要通过提高室外空芯线圈设备性能参数和采用具备 1 600 A通流能力的大电流空扼流变压器等方案来保证ZPW-2000系统稳定可靠工作。

(2)400 km/h高速铁路动车组需满足GB/T 28807.2-2017标准限值要求。在各工况条件下动车组各载频频带及 1 500～3 000 Hz工作带宽范围内牵引电流谐波满足GB/T 28807.2-2017标准限值要求时，ZPW-2000轨道电路系统设备能够保证在400 km/h速度等级下可靠工作。