（电力电子与电力传动专业论文）电气化区段移频轨道电路参数在线测试技术的研究.pdf

，：。，里鹜翟盔兰三兰堡主主芝丝苎 r 础o n f r e q u e n c ys h i f tt r a c kc i r c u i tp a r a m e t e r s o nl i n et e s t i n g t e c h n o l o g y i ne l e c t r i f i e db l o c k a b s t r a c t s a f e t y i st h el i f e l i n eo fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n t r a c kc i r c u i t s i g n a lc a ne n s u r er a i l w a yt r a n s p o r t r a i l sa r eu s e da st r a n s m i s s i o nl i n e t oe n a b l et r a i nc o m m u n i c a t ew i t hs i g n a lp r o c e s s i n ge q u i p m e n t t h et w o r a i l sa r en o to n l ys i g n a ll i n e so ft r a c kc i r c u i t s ，b u ta l s ol o o pl i n ef o r l o c o m o t i v et r a c t i o nc u r r e n ti ne l e c t r i f i e dr a i l w a yb l o c k i n d u s t r i a l f r e q u e n c yt r a c t i o nc u r r e n tm a yh a v es i g n i f i c a n ti n t e r f e r e n c ew i t hf s k s i g n a l t h ee l e c t r i cp a r a m e t e r so ft r a c kc i r c u i ts u c ha sc u r r e n t ，v o l t a g e ， p h a s em u s tb em e a s u r e dp e r i o d i c a l l yt om a k es u r et r a c kc i r c u i t sa n d s i g n a le q u i p m e n t sr u nn o r m a l l yi no r d e rt oa v o i da c c i d e n t t h ec o n t e n to ft h i st h e m ei sa sf o l l o w ：w i t h o u tt i m e ，w i t h o u to p e n ， w i t h o u ts t o p p i n gr a i l w a yt r a n s p o r t ，a n dw i t h o u ti n t e r r u p t i n gt r a c t i o n c u r r e n to fb l o c kt e s t e d ，t r a c kc i r c u i tp a r a m e t e r si ne l e c t r i c a la n dn o e l e c t r i c a lb l o c k si sm e a s u r e dw i t ho n l i n e ，d y n a m i ca n dr e a l - t i m e t h e s ep a r a m e t e r si n c l u d ev o l t a g e ，c u r r e n ta n dp h a s eo ff s k s i g n a l t h i sp a p e rs h o w si nd e t a i la b o u th o wt or e s o l v es o m et e c h n i c a l p r o b l e m sf o ro n - l i n et e s t i n gc i r c u i t sp a r a m e t e r si ne l e c t r i c a lr a i l w a y i nt h i s p a p e r ，s i g n a l c o n v e r s i o nm e t h o d ( p r o c e s s i n gb e f o r e a n a l o g u e ) a r eu s e di n c l u d i n gr ca c t i v ea n do na c t i v en o t c h i n gf i l t e r s ， r cl o wp a s sf i l t e r s ，d o u b l etf i l t e r s ，s w i t c h e dc a p a c i t o rf i l t e r sa n d h e t e r o d y n em e a s u r e m e n tm e t h o d ，e t c a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ff r e q u e n c ys h i f tt r a c kc i r c u i t s ， t h i s p a p e rh a sa n a l y z e ds i g n a la c q u i s i t i o nm e t h o d so fv o l t a g ea n d c u r r e n tm e a s u r e m e n to nl i n e i np h a s em e a s u r e m e n t ，t h ei n s t r u m e n t u s e dz e r o - c r o s s i n gs h a p i n gc i r c u i t ，z e r o d r i f tc o m p e n s a t i o nc i r c u i ta n d s o f t w a r eb u r rr c j e c t i o nt e c h n i q u e i th a ss o l v e dp r o b l e m so fd e a d - z o n e a n df i l t e rc i r c u i t se r r o r si np h a s em e a s u r e m e n t t h ew h o l es y s t e mh a sb e e nu s e d8 0 9 8m i c f o d r o c e s s o ra sc e n t r e lu n i t 哈尔滨理l 大学i 学硕士学位论文 k e y w o r d sf r e q u e n c y s h i f t t r a c k c i r c u i t ；h e t e r o d y u e m e a s u r e m e n t m e t h o d ；f i l t e r 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 t 1 任务的提出及其目的和意义 本课题来源于铁道部科学研究院通信信号研究所的项目“移频轨道电路专 用仪表的研究”。 铁路是国民经济的大动脉，它对于促进城乡物资交流，繁荣社会经济起着 非常重要的作用。为了提高铁路的运输能力，配合列车不断提速的新要求，除 增加新干线，积极改革动力外，信号通信设施的技术改造以及新增干线通信设 旋的配套建设，大力发展铁路自动化，有着十分重要的意义。 铁路信号又称铁道信号，是铁路上用的信号、连锁、闭塞等设备的总称。 铁路信号的主要功能是保障行车安全和提高运输能力。随着铁路信号技术的发 展和先进设备的广泛应用，铁路信号已成为提高铁路区间和车站通过能力，增 加铁路运输经济效益、改善铁路职工劳动条件的一种现代化管理手段和发展前 沿的科学技术【l l 。铁路信号设备是铁路运输基础设备之一。它犹如人的耳目和中 枢神经，担负着路网上各种行车设备状况的信息传输和调度指挥控制的作用。 在信息社会的今天，信号已成为铁路信息技术的三大支柱( 即通信、信号、计 算技术) 之。进入2 0 世纪9 0 年代以来，铁道部已把信号技术列入牵头发展 的领域，使其得到较快的发展，已经取得明显的社会效益与经济效益。 安全是铁路运输的生命线，信号则是火车行车的千里眼。在铁路运输过程 中，为了使列车的运输管理直接与信号设备发生关系，通常是把钢轨作为信号 的传输导线，其间的轨缝用按续导线连接起来，在一定的轨道区段( 1 k m ) 两 端的接缝上要装有绝缘，一端送电，另一端受电，构成了这样一段又一段的轨 道电路。在我国轨道电路分为以下几种制式：交流轨道电路；移频轨道电路； 相敏轨道电路：无绝缘轨道电路等。通常情况下钢轨的两轨之间的电压为 0 3 v 1 5 v ，流经的电流为0 3 a - 1 5 a ，电路道渣阻抗一般为0 1o 1q ，在移频轨 道电路中，最小电压5 0 m v ，最小电流5 0 i l i a 。轨道电路因各地的地理条件，如 地势、土质、温度、湿度、气候等差异，或呈感性，或呈容性。铁路部门只有 定期检测轨道电路的电压、频率等参数，才能确定轨道电路及其信号设备是否 处于最佳状态，及时消除故障隐患，确保铁路安全行车1 2 | | 3 1 。 目前，我国轨道电路参数测试普遍存在的问题是：由于干扰信号的存在， 尤其电气化区段电力机车牵引电流及谐波的干扰，又没有专用的动态“在线” 测试仪器，因而没有开展_ i _ f 常的测试轨道电路综合参数的工作。必须测试时 只好中断铁路运输，或将被测区段电力牵引电网“开天窗”测量，即将被测区 段电力牵引电网的电源断电，再进行一系列的信号参数预试。所用仪器均为机 电工业通用测试仪器，其频率响应范围较窄，而轨道电路的被测信号均为特殊 频率的信号，而机电工业通用测试仪表不能满足轨道电路信号检测的特殊要求， 这既影响测试结果，又没有反映出铁路运输过程中的各种参数的大小及其动态 相互关系。给行车安全，行车速度及行车密度带来极大的影响。现行的信号综 合参数的测试方法及测试手段已远远落后于迅猛发展的铁路运输业。近几年我 国铁路不断提速，而增加行车速度和行车密度的保证是准确无误的行车信号系 统。我国现已开始上准高速铁路，已营运的广深线的车速达1 6 0 公里d , 时i 1 。 研究铁路轨道电路信号的综合参数“在线”测试已势在必行。 1 2 几种制式的移频轨道电路 1 2 1 国外移频制式轨道电路的频率配置 法国u m 7 1 无绝缘移频轨道电路，上行线载频的中心频率f o 是2 0 0 0 h z 、2 6 0 0 h z ，下行线采用的中心频率f 。是1 7 0 0 h z 和2 3 0 0 h z 两种载频频率，频偏时为 l l h z 。低频调制频率f 1 从1 0 3h z 起，按1 1h z 等差级数递增至2 9h z ，共1 8 个 低频信息。法国u m 7 1 无绝缘移频轨道电路采用1 7 0 0 h z 以上的载频频率，便 于实现两闭塞分区的电气化绝缘，但频率越高，在钢轨中衰耗越大，给信号的 传输带来了极大的不利，因此每隔1 0 0 m 就在轨间并联一个补偿电容，以延长 轨道电路的长度。载频及调制频率由晶振经分频产生。 英国西屋公司的f s 2 5 0 0 轨道电路也是f s k 制式，其载频采用1 7 0 0 、2 0 0 0 、 2 3 0 0 、2 6 0 0 ( h z ) 4 种，调制频率为4 个：1 3 2 、1 5 6 、1 8 、2 0 4 ( h z ) ，频偏 f 为1 2 5 h z 。西屋公司新开发的应用于地铁的f s k 制式轨道电路载频为：4 0 8 0 、 4 3 2 0 、4 5 6 0 、4 8 0 0 、5 0 4 0 、5 2 8 0 、5 5 2 0 、6 0 0 0 ( k ) 。调制频率1 4 个，从2 8h z 到8 0 k ，间隔4h z 。 日本f s k 制式轨道电路载频选用1 7 0 0 、2 3 0 0 、2 9 0 0 、3 5 0 0 ( h z ) 。调制频 率采用两种：一种是l o 个信息，其频率为l o 、1 3 、1 6 、1 9 、2 3 、2 6 、3 1 、3 4 、 3 7 、4 1 ( h z ) ，此时频偏采用4 0h z 。另一种是1 5 个信息，其频率除上面l o 个外增加4 5 、5 5 、6 1 、6 7 、7 3 ( h z ) ，而频偏为7 0h z 。 阻上所列举的几种制式中频率的配置各不相同，它们都从各自的具体情况 来设置的。它们的共同特点是载频频率高，信号频率准确，这对信号的抗于扰 很有利。另外除了英国西屋公司高载频的制式外，其它制式的调制频率之间都 2 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 不存在倍数关系，这对信号的可靠接收是有利的。英国西屋公司高载频制式的 调制频率存在倍数关系，但它的特殊性是载频很高，载频高有利于信号的抗干 扰，信号受到干扰的影响小，这已为信号的可靠接收提供了很有利的基础1 7 l o l 。 1 2 2 我国移频制式轨道电路的特点 我国现有4 信息移频轨道电路信号上行线采用的中心频率f o 是6 5 0 h z 8 5 0 h z 两种载频频率交替配置，下行线采用的中心频新。是5 5 0 h z 和7 5 0 h z 两 种载频频率交替配置，频偏为5 5 i - i z ，与上述国外移频制式相比，由于我国特 殊的设计和使用背景，它有以下的不利特点： ( 1 ) 信号载频低。信号载频越低受到5 0 h z 牵引电流谐波干扰就越大，这 是因为5 0h z 牵引电流的谐波分量的分布规律大体上是低次谐波能量大，高次 谐波能量小。 ( 2 ) 调制频率的准确性差。现有移频轨道电路的调制频率由l c 振荡器产 生，频移范围为2 ，频移是比较大的。 ( 3 ) 频偏为5 5 h z ，因此相邻载频的移频信号的一个边带重叠。如6 0 5 h z 信 号是以6 5 0 h z 为中心的上边频：而5 9 5 h z 的信号是以6 5 0 h z 为中心的下边频，二 者相差不大，接近重叠，这对信号的抗干扰性不利。 ( 4 ) 接收设备接收到的信号幅度小，非电化区段要求机车接收钢轨最小短 路电流2 7 n 认，电化区段6 6m a 。而引进的法国u m - 7 1 轨道电路钢轨的最小短 路电流5 0 0 m a ，两者相比差距是很大的。信号小对信号抗干扰不利。 ( 5 ) 轨道电路的长度长，最长2 6 k m ，并且不设轨道补偿电容。因此对机 车信号的接收来讲轨道电路的终端接收信号与始端接收信号相差甚大，即信号 的动态范围很大。这对机车信号接收不利n 。 1 3 符合信号安全要求的信息传输系统 随着铁路不断提速，基于通信的信号系统( c b s ) 已经提上了议事日程。但是， 通信技术用于信号领域必须严格遵循信号安全准则一故障导向安全。对于通信 技术而言，又必须涉及到两个方面：设备的故障导向安全以及信息传输的故障 导向安全。对于前者已经引起国内的广泛重视：而对于后者，尚未引起国内专 家的足够关注。 在国外，尤其是在欧洲共同体，对此课题极为重视，他们将满足故障导向安全 的信息传输系统称为“按照安全要求构造的通信系统”，并由欧洲电工技术标 准化委员会f c e n e i 正。制订了相应的技术标准。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 根据访问系统的用户是否获得授权以及系统的其他特性，在c e n e l e c 技 术标准中，将安全信息传输系统分为封闭式和开放式两大类。 封闭式安全信息传输系统定义同时满足以下三个前提的传输系统称为封闭 式安全信息传输系统： ( 1 ) 传输信道是封闭的，或者说用户必须是经过授权的。 ( 2 ) 连接到传输信道上的设备的数量或者最大数量是可知而且固定的。 ( 3 1 传输信道的特性是相对稳定的。 通常，用电缆或光缆或数据总线组成的信息传输通道( 称为第一类封闭式安 全信息传输系统1 以及用轨道电路或轨间电缆或应答器作为信息传输通道，通过 车载天线实现车一地数据传输的系统( 称为第二类封闭式安全信息传输系统) 都 被归属于封闭式安全信息传输系统。 目前，城市轨道交通信号系统的车一地之间的信息传递大多采用第二类封闭 式信息传输系统对它的安全要求为： ( 1 ) 必须通过编码技术来保证发送与接收数码的同步； f 2 ) 必须通过冗余编码技术来保证信息传输系统具有检纠错能力，为此，对 于连续式信息传输系统，其海明距应足够大；对于点式信息传输系统，其海明距 必须更大。对于点式信息传输系统，还必须具有信息冗余功能，在进行车一地之 间信息传输时，同一组数据必须至少传输三次1 9 - 1 1 1 。 1 4 我国轨道电路测试工作的现状及国外的发展水平 由于历史等各方面的原因，我国在轨道信号电路测试方面的研究处于落后 状态，与先进国家相比仍有一定的差距。我国一直没有开展同时检测轨道信号 电路的综合参数：电压、电流、相位、频率等的测试装置的系统研究。现行的 电路参数测试手段越来越落后于铁路设旌及运输管理的发展，随着我国经济及 铁路运输业的发展，这方面的矛盾越来越突出。 随着国民经济的发展，近年来，我国电气化铁路的修建速度也在逐年加快。 电力牵引适合高速、重载和大密度的要求，是铁路理想的牵引动力。但同时， 电气化铁路本身又是一个极大的干扰源，它对铁路沿线的通信信号设备产生很 大的干扰。对这些干扰的研究与防治，通信领域己做了大量工作，比如国际上 c g i t t 的电力线路对通信的影响的计算导则、我国的四部协议等等。 这些技术文件已在前人的工作成果上对通信设备的干扰工作提出了一系列的建 议和标准。但是对信号设备而言，目前尚无相应的建议和标准。 在国外，原苏联、法国、日本等发达国家都相继完成了这方面的深入研究， 4 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 并生产出适合其本国国情的轨道电路参数专用测试仪器。法国的无绝缘轨道电 路，行车速度为3 0 0 公里小时；日本的磁悬浮列车的行车速度大5 0 0 多公里， 小时。其信号综合参数测试均为带电在线测试，尤其在电气化区段，可在行车 过程中同时测量几个电参数n 。，。 1 5 本课题研究内容、要求及技术指标 为了解决我国轨道电路测试手段落后的状况，解决电气化区段干扰下的检 测，完成在线检测轨道电路的参数，因此，我们研究了适合我国国情的轨道电 路参数测试仪。本课题完成了移频轨道电路的综合参数测试工作。 本课题要解决的问题是：在电气化铁路区段，牵引电流有时高达1 0 0 0 a ，两 条钢轨中不平衡电流一般为数十安，有时超过1 百安，这对移频轨道电路信号 构成极大干扰，而且多个频率接近信号同时存在。在这种情况下，通过一定的 技术方法和手段，把被测信号从干扰信号中分离出来，通过微机采集、处理、 运算完成“在线”测量轨道电路的综合参数( 以，、咖) 。 技术要求如下：为适应电气化区段移频轨道电路的要求，本仪器采用交直 流供电，液晶显示，适用于野外及现场测试；电流钳输入，在线测试。 主要技术指标： 调制频率：7 h z 、8 h z 、8 5 h z 、9 h z 、9 5 h z 、1 1 h z 、1 2 5 h z 、1 3 5 h z 、 1 5h z 、1 6 5 h z 、1 7 5h z 、1 8 5h z 、2 0 、2 1 5h z 、2 2 5 h z 、2 3 5h z 、 2 4 5h z 、2 6 h z ： 频偏：5 5 h z ； 载波频率：5 5 0h z 、6 5 0 h z 、7 5 0 h z 、8 5 0h z ； 移频信号电压：2 0 m v 巧o v ； 电流：5 0 m a 一1 0 a ； 准确度：电压读数1 1 个字 电流读数2 1 个字 相位1 。 测试功能：同时测量并显示电压、电流、相位。 堕笙堡婆王丕主三兰堡圭堂垡丝塞 第2 章轨道电路的原理 2 1 轨道电路的构成 列车的运行需要可靠的轨道信号做保证，通过轨道电路把交流信号传送到 铁轨上，同时也把轨道信号送回信号楼，通过仪器可以监督列车运行的状况， 保障行车安全。 为了使列车的运行直接与信号设备发生关系，把钢轨作为传输导线，其间 的轨缝用接续线连接起来，在一定的轨道区段的两端的轨缝装上绝缘，一端送 电，另一端受电，构成这样的一段一段的电路，叫做轨道电路，其构成如图2 1 所示。 阢l 轨道继电器g j 缘 图2 1 轨道电路的构成 f i g 2 - 1 t h ec o n s t i t u t i o no ft r a c kc i r c u i t 钢轨线路是由轨条、轨端接续线( 亦称连接线或导接线) 和钢轨绝缘等组 成。轨端接续线是轨条沟通轨道回路用的，钢轨绝缘则是为了分隔或划分回路 而设置的。 送电端( 亦称电源端或始端) 是由轨道电源和限流器等组成。根据轨道电 路的类型不同，轨道电源可以用铅蓄电池浮充供电( 或其它直流电源) ，也可 以用轨道变压器或信号发生器供电。限流器一般可以用电阻器或电抗器构成， 它的作用是保护电源设备，当轨道电路被机车车辆分路时，防止电流过大而损 坏电源，并保证在列车占用轨道时，轨道继电器能可靠地落下，对某些交流轨 道电路而言，它还兼有相位调整的功效。轨道电源使用电子设备时，一般都不 需要限流器。 6 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 受电端( 亦称继电端或终端) 的主要设备是由轨道继电器g j ，用它来接收 轨道信号电流来反映轨道电路的工作状态。电子轨道电路的接收设备一般采用 电子器件，其作用和轨道继电器相同。送、受电端的设备，都是通过引接线( 钢 丝绳) 接向轨道的1 1 3 j 。 工频电源( 2 2 0 v ) 由轨道变压器b g l 的一次侧引入，变压后经限流r 及 引线从轨道电路的始端出发，经过轨道线路传导轨道电路终端，在经中继变压 器实行阻抗变换后，由电缆传至设霞在信号楼的轨道继电器的交流输入端子， 通过桥式整流将交流电变成脉动直流电，带有铁芯的继电器线圈通过直流后， 便产生磁力，吸引衔铁，使轨道继电器呈励磁状态。当轨道区段内有车辆占用， 或者发生断路故障时，流经轨道继电器的电流将急剧地减少，致使衔铁失磁落 下，轨道继电器呈失磁状态。 2 2 轨道电路的工作原理 轨道电路是铁路信号基础设备( 如自动闭塞、电气集中等) 的基础，借助 它可以监督列车在线路上的运行情况，并借助它可传递与行车有关的各种信息。 最简单的轨道电路结构形式如图2 2 所示。 图2 - 2 轨道电路工作原理图 f i g 2 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft r a c kc i r c u i t 平时，列车未进入轨道电路，即线路空闲时，电流流过轨道继电器线圈， 使继电器保持在吸起状态，接通信号机的绿灯电路，允许列车进入轨道电路， 如图2 2 f a l 所示。当列车进入轨道电路区段内，即线路被占用时，电流同时流过 机车车辆轮对和轨道继电器线圈，由于轮对电阻比轨道继电器线圈电阻小得多， 使电源输出电流显著加大，限制电阻( 限流器) r 上的压降随之也增大，送向 7 p 堕玺鎏垄三盔堂三e 堂堡主兰垡鎏苎 两根钢轨间的电压降低。因而流经轨道继电器线圈的电流减小到继电器的落下 值，使轨道继电器释放衔铁，用继电器的后接点接通信号机的红灯电路，向续 行列车发出停车信号，以保证列车在该轨道电路区段内运行的安全，如图2 2 ( b ) 所示。 就这样，轨道继电器g j 监督着轨道电路的工作状态，继电器的接点又控制 着信号机的显示，信号又指示着列车的运行，列车的运行又改变着轨道电路的 工作状态，这样反复循环地实行着自动控制，如图2 3 所示。 图2 - 3 轨道电路的自动控制作用逻辑关系框图 h g 2 - 3 b l o c kd i a g r a mo ft r a c kc 岫i ta u t o m a t i cc o n t r o ll o g i c 从以上分析可见，轨道电路能否正常工作，直接关系到行车安全和行车效 率。为此对轨道电路提出下列要求： ( 1 ) 当轨道电路无列车占用时，轨道继电器应可靠吸起，保持正常工作； ( 轨道电路在任何一点被列车占用时，即使只有一根车轴进入轨道电路， 轨道继电器的衔铁应可靠落下； ( 3 ) 当轨道电路设备发生故障( 如轨道折断、绝缘破损等) 时，轨道继电器 应立即失磁，使之关闭信号。 i 一1 接收端 图2 4 移频轨道电路原理幽 f i g 2 4s c h e m a t i cd i a g r a mo ff r e q u e n c y - s h i f tt r a c kc i r c u i t 一8 一 移频轨道电路和其它轨道电路一样，也是利用两根钢轨作为传输信息的通 道。由于它在钢轨上传送的是低频调制过的音频信号。所以移频轨道电路属于 音频轨道电路范畴。图2 4 是移频轨道电路原理图。送电端发送的信号，由功 率放大器直接馈送到轨道上。 2 3 移频自动闭塞的工作原理 电气化铁路本身有很强能力，但是如果没有一个好的自动闭塞系统进行合 理的行车调节和安全控制，这个能力是发挥不出来的。自动闭塞是列车运行自 动化的基础设备，它对保证行车安全，提高区间通过能力起着重要作用。在非 自动闭塞区段，是利用车站来隔离列车。也就是说，两个车站之间只允许一个 列车运行。当列车从甲站发出并进入甲乙两站之内( 区间) 后，必须等待列车 到达乙站才允许甲站发出第二趟列车。因此区间的通过能力受到限制。自动闭 塞就是利用时间和空间来隔离列车的一种方法。这些信号机的位置是根据一定 的列车时隔通过列车牵引计算确定的。它们把两个车站之间的空间分割成若干 段小空间，这些小空间我们称它为闭塞分区( 其长度一般为1 2 0 0 1 3 0 0 米，大 于列车的制动距离) 。设在闭塞分界处的信号机称为通过信号机( 均为色灯信 号机) 。采取这种措施后，在两站之间允许多个后续列车运行。这样就提高了 区间的通过能力1 2 j 。 自动闭塞按列车追踪运行时隔长短一般分为1 0 分钟制、8 分钟制和6 分钟 制三种；按显示的数量可分为二显示，三显示和四显示三种。目前我国大部分 时1 0 分钟或8 分钟制。 由于车速提高使列车制动距离加大，对于高速行使的列车，原有的前后两 列车之间所间隔的闭塞分区长度已不能满足列车从司机看到红灯到完全停下来 所需要的制动距离。为了保证行车安全，只能使两列车之问所闻隔的闭塞分区 由一个增加到2 个，这样就需要更多的信息显示。 移频自动闭塞是一种选用频率参数作为信息的闭塞制式。它是利用调制方 法把这些低频信息搬移到较高频段并形成振幅不变，频率则由，1 、厅交替变化 的信号波形，并且以两条钢轨为传输通道，达到指挥列车运行的目的。因此， 它是一种方波调制系统1 “。 区间轨道电路的频率配置和信号的传输方式： 移频轨道电路的频率配置和信号传输方式是在同一线路的两相邻闭塞分区 必须采用不同的频率，而且两相邻的平行线路也应该采用不同频率。为此一般 上行线规定采用的中心频率0 是6 5 0 h z 和8 5 0 h z 两种载频频率交替配置，下行 9 线规定采用的中心频率南：是5 5 0 h z ：f 0 7 5 0 h z 两种载频频率交替配置，频偏f 为 5 5 h z 。图2 5 是上下行线频率配置的原理图。其信息的传输方式如下： 上，厅方向 下行方囱 幽2 5 上f 行频率配置原理圈 f i g 2 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fu pd i r e c t i o na n dd o w nd i r e c t i o nf r e q u e n c ya l l o c a t i o n 假设上行线有两列追踪列车a 、b 运行。a 列车是在1 g 分区，b 列车是 在4 g 分区。由于1 g 有列车占用，故a 信号点的黄、绿灯继电器u j 、u 均处 于落下状态，利用这种条件，使信号机a 显示红灯，同时a 点的发送设备自动 向2 g 发送2 6 h z 调制信号的移频信号。b 点的接收设备接收n 2 6 m 的低频信 息后，b 信号点的黄灯继电器u j 吸起，利用u j 吸起条件，使b 点信号机显示 黄色灯光，同时使b 点发送设备向3 g 发送1 5h z 调制信号的移频信号。c 信号 点的接收设备接收到1 5h _ z 低频信息后，绿灯继电器u 吸起，使c 点信号机显 示绿色灯光。并且c 点的发送设备自动向4 g 发送1 1f k 调制信号的移频信号。 由于后续列车b 已进入4 g 分区，信号机c 显示绿色灯光，列车按绿灯速度继 续运行。如果列车a 由于某种原因停在1 g 区间，则当后续列车b 进入到3 g 分 区，则信号机b 显示黄灯则应减到黄灯速度。当后续列车b 进入到2 g 分区时， 由于前方信号机a 显示红色灯光，司机开始使用常规制动措施，使列车b 能在 红灯信号机a 的前方停住。这样就可实现根据列车占用分区的状态，自动改变 地面信号的显示，准确地指挥以规定的速度运行，使区间自动闭塞信号实现自 动控制的目的。 2 4 轨道电路的干扰 我国现有的自动闭塞制式几乎都是以轨道作为信息传输通道和列车占用表 示。同时，数百安的牵引电流也以钢轨作为回到变电所的通道。这个牵引电流 回流是轨道电路和机车信号极大的1 一扰源。它影响了轨道电路和机车信号的正 1 0 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 常工作，从而影响了运营效率的提高，造成了各种行车事故。因此，在电气化 铁路迅速发展的今天，摆在信号工作者面前的一个大的任务是：如何有效地防 止电气化铁路的干扰，有效地在干扰中测量其信号( 电压、频率等参数) ，从 而有效地控制行车，避免行车事故，确保行车安全，提高效率。 2 4 1 轨道电路干扰的分类 按干扰的性质分类，电气化铁路对信号设备的干扰大致可分为五类： ( 1 ) 轨道电路和机车信号受钢轨中不平衡牵引电流回流的传导性干扰； ( 2 ) 信号传输电缆受牵引网络系统的感性、容性耦合的干扰； ( 3 ) 运动中的电力机车上的电动力系统对下面的轨道电路的感应性干扰： ( 4 ) 沿线及站场的固定电力电子设备( 区间自动闭塞的收法设各、调度集中 设备、信号设备的检测系统、电气集中设备、自动闭塞电源系统等) 受电力牵 引系统的放射、耦合、回流地电位升高等的影响： ( 5 ) 机车上机车信号、自动停车及相应的传输等受电力机车的电、磁、电 磁放射源的影响。如图2 6 为电力机车供电系统线路图1 2 h 4 1 1 1 4 1 。 图2 6 电力机车供电系统线路图 f i g 2 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r i c a ll o c o m o t i v ef e e ds y s t e m 除了上述五类外，还存在着危险电压对维修人员人身安全的影响。在实际 分析中，可将此类归到第二类中。 2 4 2 轨道电路的技术缺陷 由于在轨道电路存在以上五种干扰，因此在轨道电路的信号检测过程中存 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 在以下技术缺陷。 ( 1 ) 抗干扰性能差。 一般各种制式的轨道电路都不能防护5 0 h z 工频及交流电气化区段牵引电 流的干扰。如图2 - 7 为电气牵引区段轨道电路框图。 绝缘结i oi l 主号电雷 【晕引电龋 r 一 li o1 2 厂 门 = ：= = = = = r r 圈2 - 7 电气牵引区段轨道电路 f i g 2 - 7t r a c kc i r c u i to ft h ee l e c t r i f i e dt r a c t i o nb l o c k ( 2 ) 轨道电路的钢轨绝缘的破损的防护能力差 目前，我国轨道电路的钢轨绝缘是一个薄弱环节，它在车轮的冲击易破损。 所采取的相位交叉( 直流轨道电路也称为极性交叉) 的防护是不可靠的。所谓 相位交叉( 极性交叉) 就是使相邻两轨道区段，在绝缘节处，电极性相反。在 两区段空闲时，发生绝缘破损，两轨道的电源因极性相反，产生叠加，其结果 是：一是使流过轨道继电器的电流减小，阻致继电器失磁落下( 条件是：1 、两 区段均在空闲2 、两边电压大体相等) ，二是相互之间产生干扰。 2 4 3 工频干扰下的信号检测 研究信号设备在上述五种干扰下的测试，解决轨道电路的技术缺陷应完成 如下三项测量： ( 1 ) 在干扰情况下，准确地测量轨道电路信号的参数。 ( 2 ) 干扰参量强度的测量和受干扰程度的测量。 ( 3 ) 信号设备在受干扰的工作环境下误动的灵敏度测量。 目前，我国仍然采用传统的开短路法测量轨道电路参数，还没有全面开展 在干扰情况下，准确地测量轨道电路信号的参数。仅仅在干扰( 施扰电参量强 度的测量) 和受干扰程度的测量中完成动态测试和系统分析中有一定进展。 在对传统测试方法分析其缺陷的基础上，本文提出了一种在线测试轨道电 1 2 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 路的方法。针对开、短路法测试轨道电路参数必须要点进行，将影响j 下常行车秩 序的问题。本文采用电流钳采样，利用不同的滤波技术，结合“外差法”测相 位原理，设计了“在线”测试轨道电路参数的测试仪。 2 5 移频轨道电路信号的频谱分析 轨道电路采用的是相位连续的键控移频信号，设键控移频方波信号f ( t ) 的 频 率为f l ，载频的上边频频率为 ，下边频频率为如频偏为，经一系列数学变 换，移频信号的时间表达式为p 胴 s c 归鲁叁击阶+ n 烛警c o s 等一c o s 等s i n 等) + ( 一1 ) “m 一万) ( s i n 等c a ) s 等+ c o s 等s i n 等) 】) x c o s ( 砜+ 2 n 硝) f n - - 一2 , - 1 ，0 ，1 2 ( 2 1 ) 式中爿矿一移频信号的振幅； f r 一载频的中心频率，y o = f h 一及f j + f 5 广移频指数胂= a f f 1 。 由( 2 1 ) 式可知，移频信号的频谱是以新出现的频率f o 为中心频率，以y l 为等差级数向两边展开的，频谱图如图2 7 所示。由( 2 1 ) 式可导出中心频率分 量的相对幅度为： i n ( n ) i = 1 。i s i n 等i n=0(2-2) 奇次边频分量的相对幅度为 i h o ( n ) l = m c o ，s ( m 1 。r 2 ) m 。一九。 偶次边频分量的相对幅度为： l n o ( n ) | - i m - s i n ( m j ，t 2 ) n = l 、3 、5 ( 2 3 ) n = 2 、4 、6 ( 2 - 4 ) 由式( 2 - 3 ) 、式( 2 4 ) 可得出如下结论： 为使相对幅度h 。或h 。最大，在确定的频率下，n 的取值应接近于m ，但由 于正弦和余弦函数的值差别很大，所以n 取奇数时相对幅度h 0 最大还是偶数时 相对幅度h e 最大，需由具体的低频调制频率决定。 1 3 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 移频信号的频谱是以载波为中心，以调制频率为间隔的谱线组成，谱线的 能量越靠近f o + 处越大，如图2 8 所示。 ( a ) 频谱分布规律 旺均 ( 8 5 0 + 3 x 2 6 ) ( b ) 矧z 移频信号频谱 图2 - 8 频谱图 f i g 2 - 8f r e q u e n c ys p e c t r u md i a g r a m 调制频率越高，移频频谱分布越分散，信号的频带就越宽。信号频带越容 易受到干扰。当5 0 h z 的牵引电流频率有漂移时，5 0 h z 的高次谐波产生与谐波 次数成正比的漂移，这时高次谐波就有可能侵入到信号的频带内。 2 6 轨道电路参数的传统测试方法 轨道电路综合参数测试常用的测试方法是开路短路受端电压表法如图2 9 所示。测试时，需停止行车，要时间，“要点”进行。上述测试方法在电气化 铁路测量过程中俗称为“开天窗”测量法，即将被测区段上方的电力牵引电网 电源断电，再进行一系列的信号参数测试。所有测试仪器均为机电工业用仪表， 这既影响测试结果的准确度，又没有反映出电气化铁路有电力机车牵引时的牵 引电流干扰情况下的各种电参数的大小及其相互关系，而且还要进行一系列的 复杂运算。下面简单介绍传统的测试方法以及传统测试方法的仪表设备的选用 和误差估计1 1 2 1 。 交流开路短路受电端电压表法 测试方法： 在受电端开路时，在送电端测量轨面电压队和送电电流，u ，同时在受电端 测量出终端轨面电压址。 在受电端短路时，在送电端测量轨面电压u ，和送电电流。 尹书： 坩 l i 、 。一 图2 - 9 交流开短路电压表法测试电路图 f i g 2 - 9 s c h e m a t i c d i a g r a m o f a c o p e n a n ds h o r t v o l t a g e m e t e r t e s t i n g 上述测试均不考虑干扰情况进行测试的。下面的各种情况均会影响测试误 差： ( 1 ) 轨端绝缘和轨距保持杆绝缘是否良好。 2 ) 测试时一定要在轨面上测量，不得在电缆盒或继电器箱的端子上测量。 否则引起较大误差。 ( 3 ) 在每次开路和短路测试间隔内，不得有列车通过并应在最短时间内测 出。 上述分析表明轨道电路参数均采用指针式仪表进行测试本身引起误差较 大，加上各种条件的限制，以及测试过程中均不考虑干扰。测试结果不是十分 理想。而且不可在线测量，这影响铁路运输状况。因此，克服各种条件的限制， 研制可在线测量的数字式仪表势在必行。本文通过理论分析及误差分析，应用 微处理技术在线测试轨道电路参数。 通过对以上测试方法研究与分析，由于传统轨道电路参数测试均采用指针 式仪表进行测试，其本身引起误差较大，加上各种条件的限制，以及测试过程 中均不考虑干扰。测试结果不十分理想。而且不可在线测量，这严重影响铁路 运输状况。因此，克服各种条件的限制，研制可在线测量的数字式仪表势在必 哈尔滨理：r 大学工学硕士学位论文 行。 2 7 轨道电路参数的在线测量方法 随着电气化铁路的发展和行车密度的增加，采用传统的开、短路法测量轨 道电路参数，越来越感到不便和困难了。主要表现在：r 1 ) 应用开、短路法测 量轨道电路参数，需要终止轨道电路的正常工作，必须“要点”进行。这将给 行车带来干扰，在运输繁忙的区段，这项测量工作很难进行。在电气牵引区 段，构成开路条件是相当麻烦的，如果考虑不周，还会带来安全问题。( 3 ) 因为 道渣电阻是随气候条件而变化的，所以进行轨道电路参数测量需要把握“时机”。 而利用“开天窗”时间或“给点”时间实施测量，则往往失去良机。( 4 ) 从理论 上讲，轨道电路的钢轨阻抗，在线路结构已定的情况下，对于非电化区段，其 值主要取决于传输信号的频率高低；对于电化区段，由于轨条被牵引电流所磁 化，其值既要由信号的频率所决定，还要受牵引电流对磁条的磁化影响。采用 开、短路法在电气牵引区段测量轨道电路参数时，为了构成开路条件，必须中 断被测区段的牵引电流，这样所测得的钢轨阻抗值必然与牵引电流的实际情况 有所偏差。 为了适应电气化铁路发展的需要，确保信号基础设备轨道电路的稳定 工作，尽快研究解决适用于电气化牵引区段、能够“在线”测量轨道电路参数 的有效方法和技术设备，就成为铁路信号部门当前一项急迫任务。 2 8 本章小结 本章主要介绍了轨道电路的构成及工作原理，讨论了轨道电路的干扰源。 分析了移频轨道信号的频谱特点在分析传统测试方法的基础上，提出了进行轨 道电路的在线测试法。 第3 章信号的采集与处理 3 1 滤波电路 3 1 1 轨道电路的信号干扰 在调频系统中，由于内部噪声干扰的影响，调频波的振幅会发生变化；同 时，在调频过程中，振荡幅度也与频率有关，也会伴随着信号的幅度调制，这 称为寄生调幅。调频波的这些幅值变化必须在进入鉴频器前予以消除，否则它 们将在鉴频器中有所反映。为此在鉴频器前采用滤波器，以消除干扰信号对调 频波的影响以及抑制消除系统固有的寄生调幅的影响0 4 1 。 在电气化铁路轨道电路中，两条钢轨既是轨道信号的传输线，又是电力机 车牵引电流返回变电所的回流线。工频牵引电流对移频信号带来极大的干扰， 图3 1 为带有干扰的移频信号波形。为了消除干扰、把被测信号从牵引干扰电流 的基波及其谐波中分离，采用滤波器去除高次谐波干扰。 目3 1 带干扰的移频信号波形 f i g 3 - 1f s ks i g n a lu n d e ri n t e r f e r e n c e 1 7 ， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 1 2 只c 带阻滤波器 滤波器是一种选频网络，它只允许特定频率成分的信号通过，对其余频率 成分的信号极大地衰减。滤波器的作用是提取有用信号，滤去无用信号。滤波 器是在一定通带内传送信号，所以希望在此通带内的幅频特性、相频特性满足 不失真测量的要求；在通带外的频率成分应在滤波以后尽可能小i t 圳。 滤波器可定义为电阻、电容、电感和晶体管等电气元件互相连接形成的网 络，它对外旖信号( 也叫做输入信号或激励) 进行加工或处理，从而产生一个 信号叫做输出信号或响应，激励和响应将随网络所作的处理或滤波的不同有所 差异。 广义地说，滤波乃是一种选择过程。滤波器的输出乃是输入的一个经过选 择的子集。由基本的信号理论可知：任一周期为2n m r 的周期波形可用傅立 叶级数展开式表示为： s ( ) = n 。+ a ko o s k r o k t + b ks i n 七n ，t ( 3 - 1 ) 其中趾和k 确定了s ( t ) 的谐波分