大秦重载铁路计轴与轨道电路共缆传输方案研究

李鹏斐，李隽鹏

大秦铁路随着运行时间的推移，线路开始老化，污染日益严重，经常会出现道床漏泄电阻过低导致的“红光带”故障［1］。现场工区虽然对电压降低区段进行了针对性调整，但仍有个别区段发送器、接收器电压已调至极限，而轨道电路漏泄电流超标导致的“红光带”依然出现［2］。为此，太原局集团公司发挥主体作用，联合协作单位，从优化计轴叠加轨道电路角度出发，提出计轴与轨道电路共缆共芯的传输方案。2022年6月—2023年10月期间在大秦线袁树林站，采用计轴共缆叠加轨道电路的设备始终稳定运行，解决“红光带”问题效果明显。

1 背景介绍

2006年，原铁道部发布446号文《计轴加轨道电路解决自动闭塞“红光带”方案的指导意见》，提出利用计轴设备解决轨道电路漏泄“红光带”问题，明确了计轴加轨道电路的应用技术要求和运用维护要求，并对计轴加轨道电路进行举例设计，提出计轴施工工艺要求等。同年8月4日，在大秦线抚宁北—后营站间自动闭塞区段进行了功能验证试验，试验结果、系统性能均达到了预期要求［3］。但由于该方案需施工铺设计轴电缆，并不适用日均开行重车77.9列的大秦线路，因此该方案并未在大秦线推广应用［4-6］。

作为重载线路，大秦线长年进行煤炭运输，漏泄“红光带”问题非常严重。目前的解决方法是先调高轨道电路电压，确保区段空闲时接收器主轨道接收信号值大于240 mV，同时由电务人员进行实时盯控，当问题区段道床环境满足要求时，再及时将接收器电平调整至初始状态，防止出现轨道电路分路不良。该方法不但需要耗费大量的人力，还存在一定的安全风险［7-8］。为此，2021年太原局集团公司提出在446号文指导意见的基础上，从避免铺设电缆的角度，实施计轴与轨道电路的共缆共芯传输方案，以解决大秦线路轨道电路漏泄“红光带”问题。

2 方案设计

计轴与轨道电路共缆结构示意见图1。在不改变既有轨道电路，只断开轨道电路室内外电缆传输通道的情况下，将计轴室内外设备串接至轨道电路数字电缆两端，达到计轴与轨道电路共缆传输的目的。即利用既有轨道电路传输通道，实现计轴的室内外设备通信。

2.1 计轴设备结构

计轴设备分为感知层、计算层和判决层［9］。

1）感知层由室外传感器及信号处理模块组成，以检测点为单位，布置在闭塞分区的出入端，能够感知探测区段内是否有车轮，并且能够识别车轮驶入方向，输出表征状态和方向的时序信号。

2）计算层包括计轴信息调制模块和计轴通信模块，同样以检测点为单位，接收感知层输出的时序信号，判断识别出车轮数，并将轴数信息转换为数字信号输出；同时也接收判决层输入的轴数清零命令，判断该命令有效后，将记录的轴数清零。

3）判决层主要是计轴主机，以区段为单位，根据区段配置读取本区段所有检测点的状态，综合判断驶入本区段的车轮数和驶离本区段的车轮数。当驶入与驶离本区段的车轮总数相同时，判决层认为区段无车占用，给出空闲输出；当驶入不等于驶离车轮总数时，判决层认为区段有车，给出占用输出。

在轨道电路小轨道调谐区中间左右侧轨道分别放置计轴传感器，由双系计轴主机同时接收区段两侧轴数信息，并进行区段状态判断，并行输出驱动信号，共同控制计轴GJ。

2.2 室内外隔离设计

隔离装置设计示意见图2，可实现计轴信号、电源信号及轨道电路信号的叠加与隔离。在轨道电路信号输入端串接电感L1与L2，防止高频计轴信号进入轨道电路系统，同时不影响低频的轨道电路信号正常传输［10］。通过隔直电容实现直流电源信号与其他交流信号的隔离。为提高隔离装置可用性，防止由于电容失效导致直流信号进入轨道电路系统损坏相关设备，将C1与C2并联后串接至轨道电路信号传输线路中，这样当其中一个电容失效后，另外一个电容仍能保证隔离装置正常工作。

图2 隔离装置设计示意

L3、C3、L4、C4构成的并联谐振电路既可阻挡轨道电路信号进入计轴，还可为计轴信号耦合到叠加信号输出端提供传输通道。

2.3 断轨检查设计

当轨道电路发生漏泄“红光带”时，由计轴实现区段状态检查。在保留计轴设备通用功能的基础上，增加断轨检查功能［11-13］。以图3叠加系统为例，计轴设备断轨检查步骤如下。

图3 叠加系统示意

Step 1通过位于计轴室外柜中的8位拨码开关，配置本区段频率、电气/机械绝缘节、计轴点入/出信息等。例如11010010代表本区段频率为1 700 Hz，电气绝缘节、计轴传感器计入点与列车运行方向一致。

Step 2计轴室外设备将采集到的轨道电路移频信号及拨码开关配置状态转发至室内解调设备，由解调设备对拨码开关配置进行解析，识别有用的轨道电路信息，并将相关信息及拨码开关配置情况转发至计轴主机。计轴解调设备1负责解析室外柜1拨码开关配置，将轨道电路设备PT2中2 300 Hz、1 700 Hz信号电流信息转发至计轴主机1；计轴解调设备2负责解析室外柜2的拨码开关配置，将轨道电路设备PT3和PT4设备中1 700 Hz电流信息转发至计轴主机1，并将PT4中2 300 Hz电流信息转发至计轴主机2。

Step 3计轴主机根据配置信息判断接收的轨道电路信号，从而确定列车运行方向。计轴主机1对PT3和PT2中1 700 Hz电流进行比较，若PT3中1 700 Hz电流大，则确定列车运行方向为由计轴传感器1至计轴传感器2；否则，列车为反向运行。

Step 4计轴主机判断主轨道及小轨道是否断轨。计轴主机1将PT2中1 700 Hz电流与预设的阈值进行比较，若小于阈值，则判定主轨道断轨并进行报警；若大于阈值，则说明钢轨状态良好。计轴主机1将PT4设备中1 700 Hz电流与预设的阈值进行比较，若小于阈值，则判定小轨道断轨并进行报警；若大于阈值，则说明钢轨状态良好。

Step 5依次循环上述步骤。

3 工程改造

计轴共缆叠加轨道电路方案实施时，计轴按照既有工程实施相关要求执行；运转室控制台按照计轴加轨道电路自动闭塞结合电路设计。共缆叠加涉及的工程改造分为室内和室外。室内改造主要有轨道电路接口柜、移频柜；室外改造有轨道电路调谐匹配单元。

3.1 接口柜改造

接口柜改造的目的是将既有轨道电路信号引入计轴设备内部，与计轴信号实现共缆叠加后，通过既有轨道电路传输通道输出。改造步骤如下。

Step 1确定目标区段模拟网络电缆侧发送信号、接收信号的线缆位置，将线缆从端子上拔出，移到本架组匣侧面空端子处。

Step 2将该目标区段模拟网络电缆侧发送信号、接收信号引入计轴设备内部。

Step 3将计轴设备输出的共缆信号引入本架组匣侧面空端子处，与目标区段模拟网络电缆侧发送信号、接收信号线缆连接，实现叠加信号输出。

3.2 移频柜改造

移频柜改造的目的是实现计轴GJ与轨道电路GJ并行输出，驱动总GJ。当轨道电路发生漏泄“红光带”问题时，由计轴实现区段的占用空闲检查［14］。

以图4叠加系统GJ结合电路为例，假如C区段为漏泄区段，CGGGJ为C区段轨道电路继电器，CGJGJ为C区段计轴继电器，CGZGJ为C区段总轨道电路继电器，QHJ为切换继电器，QZJ为区间正方向继电器，QFJ为区间反方向继电器，BG⁃ZGJ为C区段前一区段总轨道电路继电器，DG⁃ZGJ为C区段后一区段总轨道电路继电器。

图4 叠加系统GJ结合电路

当CG轨道电路发生漏泄“红光带”问题时，通过QHJ将计轴GJ接入。为提升CGZGJ信号输出的可用性，如图4虚线框内电路所示，根据列车运行方向，将前一区段总GJ状态引入，这样只有在前一区段空闲时，才会将CGJGJ状态输出，用于驱动CGZGJ。

改造步骤如下。

Step 1在继电器组合架新增3个JWXC-1700型继电器，作为CGGGJ、CGJGJ、QHJ，将原CG轨道电路继电器作为CGZGJ。

Step 2确定原CGGGJ驱动信号端子位置，拔出端子上接线移到本移频柜零层空端子处。

Step 3将原CGGGJ驱动信号通过线缆与新增的CG轨道电路继电器电源端子连接，用于驱动CGGGJ。

Step 4将CGJGJ驱动信号通过线缆与新增的CG计轴继电器电源端子连接，用于驱动CGJGJ。

Step 5通过电缆将CGZGJ驱动信号引入原CGGGJ驱动信号端子上。

Step 6按照图4完成结合电路相关信号的连接。

3.3 室外调谐匹配单元改造

室外调谐匹配单元改造的目的是将室内发送的计轴与轨道电路叠加信号进行隔离，将计轴信号送入计轴室外设备，将轨道电路信号送入轨道电路室外设备。以图5为例，改造步骤如下。

图5 室外调谐匹配单元改造示意

Step 1将原室外调谐匹配单元设备E1、E2端子上的接线断开，把从轨道电路电缆送来的信号引入计轴室外柜端子1、2上。

Step 2将计轴室外柜端子3、4上的信号通过电缆接入既有轨道电路室外调谐匹配单元E1、E2端子上。

4 技术要求

当道床漏泄电阻超标，轨道电路出现“红光带”时，经电务与工务共同确认无断轨安全隐患，车站值班员确认区段无车后，根据调度命令采用人工导入方式，实现计轴加轨道电路检查区段状态。

在计轴叠加轨道电路方式下，区间轨道区段空闲、占用检查由计轴设备完成，轨道电路只进行机车信号传输，其信息传递及灯光转移关系，应满足自动闭塞和机车信号的主要技术条件，并保证车站办理列车进路、闭塞的办法和手续不变；机车信号的显示方式和内容不变［15-16］。

在轨道电路方式下，计轴设备应保持正常工作状态，但其输出条件不加入信号控制。因外界干扰或其他原因造成计轴轨道区段呈占用状态时，为恢复其正常状态，推荐采用预复零方式。轨道电路GJ和计轴GJ输出状态不一致时应予报警，并纳入微机监测。计轴设备的接地电阻值室内应不大于l Ω，室外不大于4 Ω。特殊地段可根据需要采用浮地方式［17］。

5 测试与验证

5.1 实验室测试

使用真实轨道电路电缆，依托现场环境，在实验室搭建计轴与轨道电路共缆传输技术实施方案，对叠加系统的功能与性能进行测试，测试环境见图6。

图6 实验室测试环境

5.1.1 计轴测试

1） 计轴启动时间为25 s，满足设计要求。

2） 计轴复零、预复零功能、趟车复零功能满足预期要求。

3） 计轴GJ反应时间小于1 s，满足设计要求。

4） 计轴反向过车功能正常。

5） 计轴远供电源衰减为5%，满足指标要求。

6） 轨道电路功出、轨入短路不影响计轴功能及性能。

7） 计轴传输通道断开后，再次建立连接时间为15 s，满足设计要求。

8） 区段占用后计轴通道故障，区段空闲后计轴通道恢复正常，计轴状态满足预期要求。

9） 计轴传输通道通信质量满足预期要求。

10） 计轴操作盘双系统GJ状态不一致报警功能正常。

11） 模拟轨道电路“红光带”故障，操作盘切入计轴功能正常。

12） 操作盘切入、切出计轴功能正常。

13） 操作盘区段状态指示灯状态符合要求。

5.1.2 轨道电路测试

1） 轨道电路在调整状态下，叠加断电/上电状态的计轴设备，轨道电路功出电压/电流、设备侧电压/电流、防雷侧电压/电流、电缆室内侧电压/电流、电缆室外侧电压/电流及BPLN钢轨侧电压/电流变化范围均小于3%，满足设计要求；测试距发送端50～500 m间每隔50 m的轨面电压变化范围小于2%，满足设计要求。

2） 轨道电路在分路状态下，叠加断电/上电状态的计轴设备，距接收端0～500 m间每隔50 m进行分路，功出电流变化范围小于2%，满足设计要求；设备侧电压/电流、防雷侧电压/电流、电缆室内侧电压/电流、电缆室外侧电压/电流及BPLN钢轨侧电压/电流变化范围均小于3%，满足设计要求。

3） 计轴对轨道电路分路状态、调整状态下的轨入、轨出、发送模网电缆侧、接收模网电缆侧、发送端BPLN钢轨侧信号频谱、接收端BPLN钢轨侧信号频谱无影响。

4） 在1 000～5 000 Hz频率范围内，计轴对轨道电路传输通道阻抗影响小于1%，满足设计要求。

5） 计轴对分路状态下的轨道电路功出、轨出信号波形无影响。

6） 共缆通道中关键隔离元器件开路、短路故障后，对轨道电路无影响，或轨道电路导向安全侧。

7） 计轴信号短路、开路对轨道电路系统无影响。

5.2 现场测试

在大秦线某试验站开展现场试验，现场基本信息为：区段长度617 m，载频2 300 Hz，发送电平10，接收电平146，发送端及接收端电缆补偿长度9.5 km，实际电缆长度0.5 km，补偿电容容值46 μF。

测试不同轨道电路状态叠加不同状态计轴时，轨道电路系统关键节点电气参数，论证共缆传输对叠加系统传输性能的影响。经现场试验得出如下结论。

1） 在调整状态下，叠加不同状态计轴对轨道电路发送电源电压、接收电源电压、功出电压无影响；对设备侧电压、防雷侧电压、电缆侧电压、轨入电压、轨出电压、GJ电压影响均小于1%，满足预期要求。

2） 在送端分路、受端分路状态下，叠加不同状态计轴对轨道电路发送电源电压、接收电源电压、功出电压无影响；对设备侧电压、防雷侧电压、电缆侧电压、轨入电压、轨出电压、GJ电压影响均小于2%，满足预期要求。

3） 现场模拟过车试验表明，共缆叠加设置的计轴系统可在轨道电路系统非正常工作情况下，有效检测钢轨占用和空闲状态。

6 结论

计轴共缆叠加轨道电路设备应用于道床漏泄引发轨道电路“红光带”区段，可避免重新铺设计轴电缆，从而可节省电缆费用及铺设电缆所需建筑安装费。以大秦、北同蒲等线路为例，全线因漏泄导致的“红光带”区段大约1 000个，若采用计轴共缆叠加轨道电缆设备，以整治一个区段使用3 km电缆为例，铺设电缆所需费用估计约需12万元，则保守估计整治所有漏泄区段可节省约上亿元电缆及施工费用。

大秦线计轴共缆叠加轨道电路的创新应用，可有效解决道床漏泄引发的“红光带”问题。不仅为大秦线运量保障奠定了坚实的技术基础，也为其他重载铁路技术改进起到了示范作用。实践表明，坚持技术创新与实际问题相结合是提升铁路技术水平、保障铁路安全运营的正确选择。随着计轴共缆叠加轨道电路设备的推广应用，大秦线道床漏泄导致轨道电路“红光带”问题有望彻底解决。