CN108021035A - 一种基于补偿漏泄电阻的分路残压幅值稳定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于补偿漏泄电阻的分路残压幅值稳定方法，属于高速铁路轨道电气系统的安全防护及电磁兼容技术领域。本发明在补偿电容的基础上，进一步地在两条钢轨之间添加可调电阻，与钢轨和道床产生的漏泄电阻形成并联电路，对平行双轨之间的原有漏泄电阻加以补偿。该方法不仅能保持轨道电路区段道床电阻的一致性，而且能有效的保证分路残压幅值稳定，降低轨道电路的误判率，结构简单实用，环境使用性强，灵活性强，对电磁干扰信号有衰减抑制作用，为高速列车的安全行驶提供了一个重要的技术保障。
Description
技术领域
本发明属于高速铁路轨道电气系统的安全防护及电磁兼容技术领域，具体涉及一种基于补偿漏泄电阻的分路残压幅值稳定方法。
背景技术
轨道电路是一个借助列车轨道构建出的、具备安全指示功能的电气回路，其信号传输主要依靠两条钢轨，通过分区间段的监视两条钢轨上的分路残压高低，判定轨道区段上是否有列车通过，为轨道网络系统提供安全性指示。轨道电路作为轨道电气系统的一个核心关键技术，如何提高其工作性能，对保障高速铁路轨道系统的安全运行和维护具有非常重要的价值和意义。
由于平行双轨历经不同的地质环境，因此，铺设在钢轨下的道砟、道床、地质以及周边气候条件等都会对平行双轨的电气性能产生重要影响。特别是在复杂的地质环境下，例如在雨水丰富的、盐碱地区、以及阴冷潮湿隧道等环境下，长时间的雨水浸泡以及盐碱的侵蚀都会导致钢轨生锈，造成平行双轨与道砟接触不良，使平行双轨间的漏泄电阻增大，进而引起轨道电路的分路残压出现大幅波动。除此之外，相邻轨道之间的电磁耦合干扰，也会造成分路残压出现幅度波动。分路残压的大幅波动会极大地增加轨道电路的误判概率，给高速列车在轨道上行驶带来严重的安全隐患。因此，如何减小因上述因素导致的分路残压幅度波动、降低轨道电路的误判概率、提高高速列车的运行安全性，已成为高速轨道电气网络系统研究中的一个技术难点。
近年来，国内外的研究人员做了大量相关研究工作，其中文献“唐建国.轨道电路分路不良双计轴设备控制系统的实现[J].铁道科学与工程学报,2011,08(4):120-123.”提出计轴方式，主要以轨道区段为基础，在轨道区段的入口处与出口处分别安装计轴设备，利用设备检测入口处与出口处的车轴数是否相同，从而判断轨道区段的占用情况。但这种检测方式抗干扰性较弱，且费用较高，不能满足铁路的经济需求。
文献“任国桥.基于轨道电路解决站内分路不良方案的研究[J].铁路通信信号工程技术,2008,5(5):41-44.”提出采用防锈熔覆技术，在钢轨表面形成一条导电带，防止因钢轨锈蚀造成接触电阻增大问题，但是，该方法对存在污物的区段则无能为力。
文献“何贵洋,华泽玺.轨道电路分路不良解决方案分析[J].铁路计算机应用,2012,21(1):46-48.”提出高压击穿法，给钢轨通大于10V的电压，目的是为了能够击穿钢轨面的锈层或污物。但这种方式对铁路设备的室内外构造要求较为严格，需要大量进行改造，工程量大，维护不便。
文献“王亚君.铁路信号系统轨道电路分路不良的危害及防治[J].科技创新与应用,2017(3):221-221.”提出建立分路不良台账，分类管理，目的是掌握分路不良与风雨侵蚀轨面生锈有关的区段信息，管理重点关注。该方法没有从根本上解决轨面生锈问题，而且维护量大。
发明内容
本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种基于补偿漏泄电阻的分路残压幅值稳定方法。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于补偿漏泄电阻的分路残压幅值稳定方法，包括以下步骤：
步骤1：构建平行双轨等效电路；
轨道电路系统结构包括调谐区、主轨道电路、发射端和接收端，调谐区是对相邻轨道电路区段信号的电气隔离，主轨道电路包括钢轨和补偿电容；轨道电路系统可看作一种均匀分布参数的传输线，其特性取决于轨道电路系统的一次参数：钢轨电阻R、钢轨电感L、道砟漏泄电导G、道砟漏泄电容C；各参数沿轨道电路系统均匀分布，钢轨电阻R和钢轨电感L感抗的向量和称为钢轨阻抗；道砟漏泄电导G和道砟漏泄电容C容纳的向量和称为漏泄导纳，通常用漏泄电阻表示；发射端发射信号，信号经过主轨道电路后由接收端接收。
均匀分布参数的传输线的传播常数γ和特性阻抗Zc是轨道电路的二次参数：
其中ω为发射端发射信号载频的角频率，j为-1的平方根，一般情况下，传输常数γ为复数，其实部α为衰耗常数，反映了每公里钢轨线路电压、电流衰耗的程度；虚部β为相移常数，反映了每公里钢轨线路的电压、电流相位的变化程度。
在上述等效电路中，依照空间间隔Δ，对每个区段的钢轨做进一步划分，并将每一段长为Δ的钢轨等效成二端口网络；由于轨道电路系统中等间距并联安装有补偿电容，为使钢轨特性参数尽可能呈现均匀分布，将每个补偿电容及其两侧Δ/2长度的钢轨视为一个单元，主轨道电路被划分为n个单元；每个单元的等效电路中，每Δ/2长度的钢轨由电阻与电感串联代替，并联电容代替补偿电容，并联电阻代替漏泄导纳；发射端的信号源是交流电压源，接收端为负载电阻。
步骤2：增加阻值可调的补偿漏泄电阻；
轨道电路区段有三种状态：分路状态，是指轨道电路区段上有列车通行；空闲状态，是指轨道电路区段上无列车通行；断轨状态，是指轨道电路区段出现钢轨断裂。本发明所述方法仅对分路状态接收端信号进行分析。
在分路状态下，采用标准的分路电阻Rf＝0.25Ω对轨道进行分路短路连接；分路短接的作用是模拟列车到达该区段时，两平行钢轨在其该区段位置产生短路连接；
在每个补偿电容处并联一个可变电阻，可变电阻代表增加的补偿漏泄电阻，用以对钢轨与道床产生的漏泄导纳进行补偿；调整可变电阻接入的电阻值，可改变分路残压的幅值。
步骤3：进行电路仿真分析；
利用电路仿真软件，对该电路进行数值仿真，得到不同漏泄导纳情况下的分路残压，将残压幅度值与安全门限值逐一进行比较；为保证高速列车行驶安全，分路残压的幅值应远小于安全门限值。
步骤4：重复步骤3的过程，通过比较补偿漏泄电阻对轨道电路主控信号和干扰信号的影响，优化补偿泄漏电阻阻值，使分路残压的幅值小于安全门限值；
通过理论优化计算出最佳补偿漏泄电阻阻值，通过调节旋钮调节补偿漏泄电阻阻值，再通过现场数据测量，对补偿漏泄电阻阻值微调至最优；
在实际应用中，补偿漏泄电阻可并联加入到补偿电容盒中，由此能免除独立设计补偿泄漏电阻的分接装置。
本发明所述方法类似于轨道电路系统中利用补偿电容对钢轨阻抗的补偿，所不同的是，本发明所述方法在补偿电容的基础上，进一步地在两条钢轨之间增加一个可调电阻，与钢轨和道床产生的泄漏电阻形成并联电路，对平行双轨之间的原有漏泄电阻加以补偿。本发明所述方法将此并联可调电阻称之为补偿漏泄电阻。由并联电路特性可知，两个阻值不等的电阻并联，其等效电阻值取决于其中较小的阻值。如果将并联的补偿漏泄电阻设置到一个恰当的阻值，即使双轨之间原有的漏泄电阻阻值因污物、雨水、酸碱腐蚀以及气温的变化等因素出现增大，此补偿漏泄电阻均可将双轨之间的等效漏泄电阻阻值恒定在补偿漏泄电阻阻值附近，起到对双轨传输线电气性能稳定作用，降低电磁干扰信号幅值，保证轨道电路信号在轨道传输线上的幅值稳定，减小分路残压的幅值波动，降低轨道电路的误判率，提高高速列车在轨道上的行驶安全性。
本发明的有益效果是：
(1)通过增加补偿漏泄电阻，本发明能够保持轨道电路区段道床电阻的一致性，避免同一区段不同位置的道床电阻因所处特殊环境而出现大的波动，影响钢轨线路的传输特性；
(2)结构简单实用，成本低，有很好的应用价值；
(3)环境适应性强：针对铁路所处的不同特殊环境，气候变化等因素，都能通过此方法找到合适的补偿漏泄电阻；
(4)灵活性强：并联接入钢轨间的可变电阻作补偿漏泄电阻，其阻值可进行适当调整来满足实际需要；
(5)对电磁干扰信号有一定的衰减抑制作用；
(6)本发明补偿漏泄电阻可与补偿电容并列放置，无需特殊的独立分接装置，并且降低分路残压信号幅度波动显著，为高速列车的安全行驶提供了一个重要的技术保障。
附图说明
图1为本发明中轨道电路系统结构图；
图2为本发明中等效轨道电路图；
图3为本发明中添加补偿漏泄电阻的分路状态等效轨道电路图；
图4为本发明中分路状态下添加补偿漏泄电阻前后，分路残压的幅值随漏泄电阻变化的曲线图；
图5为本发明中分路状态下干扰信号随着漏泄电阻的改变，添加补偿漏泄电阻前后，分路残压的幅值随道砟/道床漏泄电阻变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
步骤1：构建平行双轨等效电路；
轨道电路系统结构如图1所示，包括调谐区、主轨道电路、发射端和接收端，调谐区是对相邻轨道电路区段信号的电气隔离，主轨道电路包括钢轨和补偿电容；轨道电路系统可看作一种均匀分布参数的传输线，其特性取决于轨道电路系统的一次参数，本实施例采用的主轨道电路长800m，每公里轨道电路的参数为：钢轨电阻R0＝1.25Ω/km、钢轨电感L0＝1136μH/km、道砟漏泄电阻1/G0＝5.76Ω/km、道砟漏泄电容可忽略不计；各参数沿轨道电路系统均匀分布，钢轨电阻和钢轨电感感抗的向量和称为钢轨阻抗；道砟漏泄电导和道砟漏泄电容容纳的向量和称为漏泄导纳；发射端发射信号，信号经过主轨道电路后由接收端接收。
均匀分布参数的传输线的传播常数γ和特性阻抗Zc是轨道电路的二次参数；一般情况下，传输常数γ为复数，其实部α为衰耗常数，反映了每公里钢轨线路电压、电流衰耗的程度；虚部β为相移常数，反映了每公里钢轨线路的电压、电流相位的变化程度。
本实施例中，Zc＝1.9Ω，γ＝0.4932+j9.7348。
如图2所示，在上述等效电路中，依照空间间隔Δ，对每个区段的钢轨做进一步划分，并将每一段长为Δ的钢轨等效成二端口网络；由于轨道电路系统中等间距并联安装有补偿电容，为使钢轨特性参数尽可能呈现均匀分布，将每个补偿电容及其两侧Δ/2长度的钢轨视为一个单元，主轨道电路区段被划分为n个单元；本实施例不考虑调谐区，补偿电容间距即空间间隔Δ＝80m，分段数n＝10。
如图3所示，每个单元的等效电路中，每Δ/2长度的钢轨由电阻与电感串联代替，其中L01＝L0×Δ/2/1000＝45.44μH，R01＝R0×Δ/2/1000＝0.05Ω；并联电容代替补偿电容，其中Cb1＝Cb2＝…＝Cb10＝25μF；并联电阻代替漏泄导纳，其中电阻阻值取值为R1＝R2＝…＝R20＝2×(1/G0×Δ/2/1000)＝140Ω；频率为2600Hz，幅值为4V的电压源代替轨道电路区段发射端主控信号，源阻抗和负载阻抗Z0＝Zc＝1.9Ω。
步骤2：增加阻值可调的补偿漏泄电阻；
轨道电路区段有三种状态：分路状态，是指轨道电路区段上有列车通行；空闲状态，是指轨道电路区段上无列车通行；断轨状态，是指轨道电路区段出现钢轨断裂。本发明所述方法仅对分路状态接收端信号进行分析。
在分路状态下，采用标准的分路电阻Rf＝0.25Ω对轨道进行分路短路连接；分路短接的作用是模拟列车到达该段区时，两平行钢轨在其该段区位置产生短路连接；在每个补偿电容处并联一个可变电阻，可变电阻代表增加的补偿漏泄电阻，用以对钢轨与道床产生的漏泄电阻进行补偿；可变电阻的阻值Rb1＝Rb2＝…＝Rb10，开始先将可变电阻按最大量程接入，可视为断路状态；调整可变电阻接入的电阻值，可改变分路残压的幅值。
步骤3：进行电路仿真分析；
利用电路仿真软件，对该电路进行数值仿真，得到不同漏泄导纳(用漏泄电阻表示漏泄导纳)情况下的分路残压，将残压幅度值与安全门限值逐一进行比较；为保证高速列车行驶安全，分路残压的幅值应远小于安全门限值，本实施例中的安全门限值设定为220mV。
分别对步骤1和步骤2中的轨道等效电路进行仿真。所得结果表明，在未加入补偿漏泄电阻的情况下，即步骤1中的等效电路所得的分路残压Vout＝215mV，非常接近门限电压，极易引发分路不良故障，以及导致轨道电路系统误报概率增加。对于步骤2中等效电路，则结果有明显好转。从图4中可以看出，未添加补偿漏泄电阻时，当轨道原有漏泄电阻阻值大于220Ω时，其分路残压就大于门限值，轨道电路出现分路不良；添加补偿漏泄电阻后，分路残压值减小，低于门限值，并且幅值波动变化范围减小。图4中Rg表示漏泄电阻阻值，Rfout1代表不添加补偿漏泄电阻接收端电压，Rfout2代表添加补偿漏泄电阻后接收端电压，G1代表接收端门限值。
对于邻道耦合干扰信号，采用同样的步骤进行。用频率为1700Hz，幅值为0.6V的干扰信号替代主控信号，对不同轨道漏泄电阻的阻值Rg分别为20Ω、40Ω、60Ω、…、480Ω、540Ω、700Ω、800Ω、900Ω、1000Ω逐一进行仿真。从图5中可以看出，添加补偿漏泄电阻后，干扰信号耦合到接收端的电压幅值降低，对干扰信号起到重要的抑制作用。图5中Intef1代表不添加补偿漏泄电阻接收端电压，Intef2代表添加补偿漏泄电阻后接收端电压。
步骤4：重复步骤3的过程，通过比较补偿漏泄电阻对轨道电路主控信号和干扰信号的影响，优化补偿泄漏电阻值，使分路残压的幅值小于安全门限值；最后得到补偿漏泄电阻阻值为50Ω，对应的分路残压值Vout＝180mV，远小于门限阈值G1＝220mV。在此阻值下，轨道电路的分路残压幅度波动得到了很好的抑制，使轨道电路的安全指示得到了很好的保障。
Claims (3)
1.一种基于补偿漏泄电阻的分路残压幅值稳定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建平行双轨等效电路；
轨道电路系统结构包括调谐区、主轨道电路、发射端和接收端，调谐区是对相邻轨道电路区段信号的电气隔离，主轨道电路包括钢轨和补偿电容；轨道电路系统可看作一种均匀分布参数的传输线，其特性取决于轨道电路系统的一次参数：钢轨电阻R、钢轨电感L、道砟漏泄电导G、道砟漏泄电容C；各参数沿轨道电路系统均匀分布，钢轨电阻R和钢轨电感L感抗的向量和称为钢轨阻抗；道砟漏泄电导G和道砟漏泄电容C容纳的向量和称为漏泄导纳，通常用漏泄电阻表示；发射端发射信号，信号经过主轨道电路后由接收端接收；
在上述等效电路中，依照空间间隔Δ，对每个区段的钢轨做进一步划分，并将每一段长为Δ的钢轨等效成二端口网络；由于轨道电路系统中等间距并联安装有补偿电容，为使钢轨特性参数尽可能呈现均匀分布，将每个补偿电容及其两侧Δ/2长度的钢轨视为一个单元，主轨道电路被划分为n个单元；每个单元的等效电路中，每Δ/2长度的钢轨由电阻与电感串联代替，并联电容代替补偿电容，并联电阻代替漏泄导纳；发射端的信号源是交流电压源，接收端为负载电阻；
步骤2：增加阻值可调的补偿漏泄电阻；
在分路状态下，采用标准的分路电阻Rf＝0.25Ω对轨道进行分路短路连接；分路短接的作用是模拟列车到达该区段时，两平行钢轨在其该区段位置产生短路连接；
在每个补偿电容处并联一个可变电阻，可变电阻代表增加的补偿漏泄电阻，用以对钢轨与道床产生的漏泄导纳进行补偿；调整可变电阻接入的电阻值，可改变分路残压的幅值；
步骤3：进行电路仿真分析；
利用电路仿真软件，对该电路进行数值仿真，得到不同漏泄导纳情况下的分路残压，将残压幅度值与安全门限值逐一进行比较；为保证高速列车行驶安全，分路残压的幅值应远小于安全门限值；
步骤4：重复步骤3的过程，通过比较补偿漏泄电阻对轨道电路主控信号和干扰信号的影响，优化补偿泄漏电阻阻值，使分路残压的幅值小于安全门限值；
通过理论优化计算出最佳补偿漏泄电阻阻值，通过调节旋钮调节补偿漏泄电阻阻值，再通过现场数据测量，对补偿漏泄电阻阻值微调至最优。
2.根据权利要求1所述的基于补偿漏泄电阻的分路残压幅值稳定方法，其特征在于，步骤1中的等效电路中，均匀分布参数的传输线的传播常数γ和特性阻抗Zc是轨道电路的二次参数：
<mrow>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mfrac>
<mrow>
<mi>R</mi>
<mo>+</mo>
<mi>j</mi>
<mi>&omega;</mi>
<mi>L</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>G</mi>
<mo>+</mo>
<mi>j</mi>
<mi>&omega;</mi>
<mi>C</mi>
</mrow>
</mfrac>
</msqrt>
</mrow>
<mrow>
<mi>&gamma;</mi>
<mo>=</mo>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>+</mo>
<mi>j</mi>
<mi>&beta;</mi>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>R</mi>
<mo>+</mo>
<mi>j</mi>
<mi>&omega;</mi>
<mi>L</mi>
<mo>)</mo>
<mo>(</mo>
<mi>G</mi>
<mo>+</mo>
<mi>j</mi>
<mi>&omega;</mi>
<mi>C</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msqrt>
</mrow>
其中ω为发射端发射信号载频的角频率，j为-1的平方根；传输常数γ为复数，其实部α为衰耗常数，反映了每公里钢轨线路电压、电流衰耗的程度；虚部β为相移常数，反映了每公里钢轨线路的电压、电流相位的变化程度。
3.根据权利要求1所述的基于补偿漏泄电阻的分路残压幅值稳定方法，其特征在于，在实际应用中，补偿漏泄电阻可并联加入到补偿电容盒中。
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