（交通信息工程及控制专业论文）机车信号邻线干扰的分析与测量.pdf

北京交通大学硕士学位论文 y8 7 8 5 9 6 摘要 摘要 机车信号邻线干扰是主体机车信号系统研究中的重要课题 对其进 行量化分析 确定邻线干扰的最大值是机车信号系统研究中亟待解决的 问题 本文深入研究了轨道电路四端网等效电路分析法和轨道电路边界 条件分析法 用轨道电路边界条件分析法建立了轨道电路的邻线干扰的 数学模型和机车信号邻线干扰的数学模型 以u m 7 1 轨道电路的实际参 数 在相邻轨道电路长度相等的条件下进行了机车信号邻线干扰的仿 真 对机车分路点位置 道碴电阻 载频频率 轨道电路长度等参数与 机车信号邻线干扰的关系进行了分析 其主要结论有 1 机车迎着邻线轨道电路发送方向运行时的邻线干扰要大于其背 离运行时的干扰 邻线有车时干扰最大值大于邻线无车时的干 扰最大值 且邻线干扰最大值出现在两列列车头部位置平行时 2 道碴电阻变小时机车信号邻线干扰最大值变大 3 邻线轨道电路载频增大时机车信号邻线干扰最大值会有所增 大 4 轨道电路长度增加时机车信号邻线干扰最大值增大 根据机车信号邻线干扰的数学模型及上述结论 在轨道电路各种参 数已知的条件下 可以定量计算机车信号邻线干扰的最大值及其列车分 路点位置 最后设计了基于虚拟仪器技术的机车信号邻线干扰硬件测量系统 提出了机车信号邻线干扰的测量方案 关键词 邻线干扰 机车信号 边界条件分析法 数字仿真 北京交通大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fi n t e 疵r e n c e 疗o mn c i 曲b o 血gl i n e i n l h a sa l r e a d y b e c o m ei m p o r t a n ts u b j e c ti nt 1 1 er c a r c ho f p r i n c i p a lc a b s i g n a ls y s t e m t h e q u a n t i t a t i v ea i l a l i st o 龇i n l f m d i n gm em a i m a lq u a n t i t yo fi n t e r f 讯n c e i su r g e mi s s u e t h i sp a p e r t 王1 0 r o u g h yi n v e s t i g a t e di nt r a c kc i r c l l i tu s i n gt l l ee q u i v a l e m a 1 1 a l y s i so ff o u r t e h n i n a ln a c km v o r ka n a l y s i sm e m o da i l dt l l eb o u n d a r y c o n d i t i o na n a l y s i sm e m o d b yb o u n d a r yc o n d i t i o na n a l y s i sm e t l l o d t h e m a m e m a t i c sa n a l y s i sm o d e l so fm ei n lo ft r a c k c i r c u a n dc a b s i p 皿a lh a v e b e e nb u i l tu p w l l i l e 龇舰c k c i r c u i tl e n g mo fl o c a la i l dn e i g h b o r i n gs e c t i o n i se q u i v a l e n t t l l ed i g i t a ls i m u l a t i o nh a sb e e nw o r k e do u tw i t ht h ep r a c t i c a l p a r a m e t e r so fu m 7 11 m c kc i r c u i t a i m e da ts o m es p e c i a lp a r a m c t e r s s u c h a sm ep o s i t i o no ft r a i ns h l m t b a l l a s tr e s i s t a n c e c a r r i e r 疔e q u e n c ya n dt h e l e n g t l lo ft m c kc i r c u i t t 1 1 er e l a t i o n s h i p s v i t ht l l ei n lo fc a b s i 印a lh a sb e e n c a f r i e do u tr e s p e c t i v e l y t h e r ea r cs e v e r a lc o n c l u s i o n si ns i m u l a t i o nr e s u l t s 1 w h e nt i l et r a i nm o v et os e n d i n ge q u i p m e n to f t l l en e i g h b o r i n g t r a c k t l l en 呵lo fc a b s i g n a li sm o r es e r i o u st l a nd o e si nt 1 1 ea d v e r s e d i r e c t i o n t h em a x i m a li n li s b i g g e ri ft 1 1 e r e a r e 仃a i ni n n e i g h b o r i n g 仃a c ka n dm eb i g g e s ti n lr e a c h e di nt h ec o n d i t i o no f t w o 仃a i ni nt l l es 锄ep o s i t i o n 2 w i t hb a l l a s tr c s i s t a 芏1 c ei ss m a l l e r t l l ei n lo fc a b s i g n a lb e c o m e m o r es e r i o u s 3 t h eh j g h e r 训e rf e q u e n c yi s m eb i g g e rm a i m a li n t e r f e r e n c e o c c u r r e d 4 t h el o n g e rt t l el e n 垂ho ft r a c k t h eb i g g c rm a x i m a li n t e r f e r c n c e h a p p e n e d b 骶e do n 也em a t l l e m a t i c sa n a l y s i sm o d e lo ft h ei n la i l d t 1 1 e s e c o n c l u s i o n s t l l em a i m a li n la i l d 删np o s i t i o nc a nb eq u a i l t i t a t i v ea i l a l y s i s a t l a s t t h ep a p e rh a sd e s c r i b e d 也ea c t l l a lm e a s u r es y s t e mo fi n lb a s e d o n r t u a li n s m l i l l e n t v i t e c i l i l o l o g y m e a s u r e m e n ts c h e m eh a sb e e ns e t f o r t ha s w e l k e r o r d s i n t e m r c e 疔o mn e i 曲b o r i n gl i n e c a bs i 印a l b o l l l l d a r y c o n d i t i o na l l a l y s i sm e t h o d d i g i t a ls i i n u l a t i o n i i 北京交通大学硕士学位论文第一章 第一章综述 1 1 机车信号邻线干扰 机车信号 1 的主要功能是预告列车前方信号机的显示 机车信号工 作原理是通过安装在机车上的传感器接收通过钢轨线路传送的地面信 息 经过放大 滤波 信息译码后 最后在显示机构上显示 邻线干扰 2 3 来源于地面轨道电路 在有多条轨道电路路面上 不同 轨道回路将互相干扰 轨道电路邻线干扰是指相邻的不同轨道回路上的 电信号通过特定的传递媒介 而在本轨道回路中产生干扰信号 形成机车信号邻线干扰的直接原因是轨道电路的邻线干扰 当轨道 上有车占用时 机车信号系统的接收设备可能接收到轨道电路的邻线干 扰信号 而产生错误的译码 导致机车信号显示错误 超速防护设备误 动 甚至可能出现机车信号升级现象 威胁行车安全 1 2 问题的提出 1 2 1 邻线干扰与行车安全 在轨道电路的实际应用中 由于轨道电路的邻线干扰而引发的问题 时有发生1 4 5 j 据 中国铁路信号史 记载 1 9 8 0 年1 1 月 头泉上行第 一离去区段移频轨道电路 当列车刚驶入本区段时 轨道继电器落下 列车继续运行时 限幅器输入电压逐渐升高到1 8 0 m v 大于接收盒灵敏 度 致使绿灯继电器吸起2 秒左右 出现信号显示升级故障 后来判明 是邻线干扰引起的 1 9 8 4 年2 月2 7 日 列车在岩峰站4 道待避 当上行i i 道有列车通 过时 干扰电平最大达8 1 i n v 大于机车信号的实测灵敏度5 6 r n v 造 成机车信号由白灯变为绿灯 出现了因受干扰而显示升级故障 同年2 北京交通大学硕士学位论文第一章 月2 8 日 4 6 1 次列车在测石站3 道停车 当时i 道停有列车 机车信号 因受干扰也发生了误动的故障 以上都是铁路运输中邻线干扰的实例 由于邻线干扰情况比较复 杂 危害比较严重 对邻线干扰的研究是解决机车信号安全性和可靠性 的关键部分 1 2 2 研究邻线干扰现实意义 随着国民经济的发展 对铁路运输自动化的要求也越来越高 列车 速度越来越快 不再以机车信号作为辅助信号 而要以机车信号作为行 车的凭证 即机车信号的主体化 机车信号在列车运输中的地位发生了 本质的变化 但是这也要求了机车信号应具有更高的可靠性 再者 机车信号与列车运行控制系统相结合 除了显示前方信号机 的状态 还可以实现列车速度 方向等控制信息的传递 继而实现相关 的控制 如a t p 列车自动防护系统 的实现 可见机车信号在铁路运 输自动化中起到了相当重要的作用 为了保证铁路运输的可靠性 安全 性 不允许机车信号邻线干扰事故的发生 综上所述 对机车信号邻线干扰的研究是极具意义的 但是目前为 止 我国铁路信号在机车信号邻线干扰方面的资料很少 同时在理论方 面的研究还很不深入 特别是缺乏对机车信号邻线干扰的定量研究 机 车邻线干扰问题已成为机车信号发展的关键性问题之一 本论文正是对 机车信号邻线干扰的问题做了分析和研究 1 3 机车信号邻线干扰的研究现状 近些年来 邻线干扰问题逐渐引起了人们的重视 但是与电气化干 扰研究的成果 6 吨 相比 机车信号邻线干扰方面的研究比较薄弱 北京交通大学硕士学位论文第一章 1 3 2 邻线干扰途径及影响因素分析 钢轨之间的干扰途径主要为空气泄漏 钢轨互感和大地泄漏 空气 泄漏既是指邻线机车直接接收到由主串回路钢轨的信号 经空气泄漏直 接感应到的信号 运用电磁场理论 当机车感应线圈与钢轨距离远大于 钢轨等效半径时 感应线圈接收到的信号与距离的平方成反比 因此在 机车信号邻线干扰中 空气泄漏可忽略不计 而钢轨互感和大地泄漏的 变化可直接反应在轨道电路邻线干扰或机车信号邻线干扰的参数模型 上 我国目前广泛采用移频自动闭塞系统 1 4 1 采用集中发送方式 例如 u m 7 1 轨道电路和1 8 信息移频轨道电路 即将信号的发送设备放在机械 室 通过传输线 电缆 向钢轨发送移频信号 在这一过程中 轨道电路 的邻线干扰的产生可能的原因除了钢轨之间由于钢轨互感和大地漏泄 而造成干扰 还包括构成传输线的对称电缆之间产生串音干扰 串音干 扰是主串电缆回路在被串电缆回路终端产生的串音电流流经终端负载 阻抗 钢轨回路的输入阻抗 产生的干扰源 经初步研究 机车信号邻线干扰的影响因素有 载频频率 轨道电 路长度 机车分路点位置 机车信号接收灵敏度及电缆传输线特性等诸 多因素 1 3 3 防干扰可采取的措施 秦沈客运专线引进法国列车运行控制系统 轨道电路采用的 u m 2 0 0 0 载频和u m 7 l 相同 这是u m 系列轨道电路 第一次作为站 内轨道电路来使用 其使用的抗邻线干扰措施有通过减少轨道电路的长 度 降低 x 塞奎望奎兰堡圭兰垒兰塞 篁 童 邻线干扰 2 在轨道电路中加入补偿电容 减小轨道电路入口端和出口端的短 路电流差 3 根据实际情况相应降低机车信号灵敏度 4 对于集中发送方式的轨道电路 其一让相邻线路及不同区段的传 输电缆线分开布线 其二使对称电缆线适当的交叉走线 达到减 少串音干扰的目的 1 4 论文的主要工作和论文组织 本文总结了轨道电路四端网等效电路分析法和轨道电路边界条件 分析法 针对机车信号邻线干扰的形成原因 采用轨道电路边界条件分 析法分别建立轨道电路及机车信号邻线干扰分析的数学模型 应用 m a t l a b 数学仿真软件 1 5 l 以u m 7 l 无绝缘轨道电路的实际参数对机车信 号邻线干扰作数字仿真 进行了对其最大值及机车相对位置定量的分析 后得出一些关于机车信号邻线干扰的结论 论文的主要内容和章节安排如下 第一章综述了机车信号邻线干扰的研究背景 第二章介绍了轨道电路的两种分析方法 轨道电路的等效四端网 分析法和边界条件分析法 第三章提出邻线干扰分析的数学模型 分别建立了轨道电路及机 车信号邻线干扰的分析模型 推导了相关计算公式 第四章对机车信号邻线干扰进行了仿真和定量的分析 得到在一 定条件下 关于机车信号邻线干扰的一些结论 第五章提供了对邻线干扰进行测量的思路 构建了机车信号邻线 干扰的硬件测量系统 并介绍了其硬件构成及软件实现 第六章总结本文的主要结论 并展望了进一步研究前景 北京交通大学硕士学位论文第二章 变化的规律 其中 丽 丽 m 兰i 二兰 兰 墨 丛墨 z m 9 2 9 1 2 一z 1 9 1 2 y 1 1 至粤 y 2 1 y 警 口1 9 1 2 z 1 z 2 2 z m 9 1 z l 9 2 2 2 口2 0 1 2 2 一z 矗 9 1 9 2 函9 1 2 9 2 9 1 2 兰i 二刍 星 曼 坚墨 z 2 一 z m y 1 2 2 v 毛一z m 2 22 y 2 式 2 2 2 中 4 l 一2 爿3 和爿4 均为积分常数 根据每个具体电路的 边界条件 求出这四个积分常数 就可得到轨道电路各点电压和电流值 也可计算出轨道四端网的系数 本文称这种轨道电路的分析方法为边界 条件分析法 对于一次参数呈对称分布的钢轨线路来说 有下列关系成立 2 i2 2 2 蜀2 l e y 1 2 p 2y2 y m 1 一1 y l l y 2 1 z 未 y 1 2 一y 2 2 z 盏 其中 e 扛丽 z b o 5 e z 丽i z b 予 z 2 z l 一2 m y2 q z g z b 2 o 5 z b p 9 1 2 g g 9 1 2 o 5 9 这里 p 一钢轨线路的表面电导系数 y 钢轨线路的地线传播常数 y 钢轨线路的相线传播常数 y 对称钢轨线路的传播常数 北京交通大学硕士学位论文 第二章 z b 一对称钢轨线路的特征阻抗 因而对于对称的钢轨线路 沿钢轨线路的电压与电流方程为 l 4 c h y l x 4 2s h y l x 呜c h 肛 4 4s h 肄 u 2 4 lc h y l x 彳2s h y l x 一 爿3c h 贸 一4s h h 产 一ls h y l x 彳2c h y i x 产 4 s h 彳4c h 肄 b l b 2 11 l j l 4 is h i x 4c h y l x 一 一 4 3s h 肄 一4c h 肄 2 2 2 边界条件分析法对轨道电路的分析 2 2 4 本小节利用边界条件分析法对非电化区段有绝缘轨道电路进行分 析 如图2 4 所示为调整状态下非电化区段有绝缘轨道电路的等效电路 i i s 1 1 53 i 五 i 兰爿 五一 图2 4 非电化区段有绝缘轨道电路的等效电路 如图2 4 中 e 是传输网络输出的等效电源 z 是钢轨线路发送 端的输入阻抗 z 钢轨线路的输出端的负载阻抗 在利用边界条件分析法进行轨道电路特性分析时 可列出如下边界 条件 北京交通大学硕士学位论文 第二章 l 2 l l l m l k一2 k 图2 6 串并联谐振型无绝缘轨道电路的等效电路 图2 6 中 调谐单元与空心线圈将钢轨线路分为7 个区段 a b c d e f 和g 图中以轨道电路接收端为坐标原点 以f 2 f m f f m 一2 f m 等表示各分界点的线路坐标 若分别以玩 小 d 小 丘小和厶 小 表示分界点x 左侧第一轨对地电压 第二轨对地电压 第一轨中的电流 和第二轨中的电流 以d 卜 d 2 小 j 卜和厶 小表示分界点x 右侧 的相应电压和电流 电压的方向均为由钢轨到地 电流的方向均为从左 向右 则轨道电路各分界点处的边界条件为 兰垒垒 旷y c 一 0 i 2 删 j 1 2 oj 壁垒慧笠籀 偿z o 2 一 o j x 2 m z 一 2 u 小2 u 一 u 2 u 2 一 l 2 i 砷一 2 一 2 移蚺 一驴 j 一 一 j 卜 z 北京交通大学硕士学位论文 第二章 u o u l 0 一 u 2 o 2 o 一 j i o j 2 o j l o 一 j 2 0 一 气叭 哪一屯 篆 u l o 一u 2 o u j x u u l 争i u 2 m u 2 小 2 2 1 3 1 2 l 一 2 f 卜l 其中 乙表示f f 2 f m n f m k 或 2 k 处钢轨线路间的并联阻抗 这些边界条件足以用来求解该轨道电路所有7 个区段线路的积分常数 并可进一步导出轨道四端网系数 进行轨道电路的各项特性分析 2 3 3 2 有电容补偿的分析方法 加入补偿电容后 轨道电路的传输衰耗明显降低 且轨道电路的 特性阻抗受道碴电阻的影响明显减小 改善了轨道电路的传输特性 1 8 因而 电容补偿式无绝缘轨道电路得到了广泛的应用 图2 7 电容补偿式无绝缘轨道电路的结构示意图 如图2 7 所示为电容补偿式无绝缘轨道电路的结构示意图 图中的 始 终端等效网络是串并联谐振型无绝缘轨道电路的谐振隔离区段及其 外方钢轨线路的等效表示 对于如图2 7 所示的电容补偿式无绝缘轨道电路 在第f 个 f 1 塞窒望奎兰堡主兰堡丝苎 至三塞 皇阜 一 u h g i g j 2 9 1 3 9 1 4 一u 2 9 1 2 一u h 9 1 3 一u 9 1 4 旦孕羔 一 一u k 9 1 2 u 2 9 1 2 9 2 g 9 2 4 一u 3 9 2 3 一u 4 9 2 d x 望孚王 一 一u i g 3 一u 2 9 2 3 u h 9 1 3 9 2 3 9 3 9 3 4 一 4 9 3 4 础 皇孥三 一 一u 1 9 1 4 一u 2 9 2 4 一 9 3 4 u 4 9 1 4 9 2 4 9 3 4 9 4 甜 d u 2 x d u 3 x d u 4 x d i l xd 1 2 xd l j x d l4 1 1 出出出出出出出l 矿 x 眇 u u 3 u 3 l 爿 0 o o 0 g l 9 1 2 9 1 3 9 1 4 一9 1 2 9 1 3 一9 1 2 9 1 2 9 2 9 2 3 9 2 一9 2 3 oo 0o o0 0o 9 1 3一g h 9 2 3一9 2 4 9 1 3 9 2 3 9 3 9 3 4 一9 3 4 一9 1 4一9 2 4一9 3 4 9 1 4 9 2 4 9 3 4 9 4 因此 上述八个微分方程有 y x 一4 矿 x 对此式进行拉普拉斯变换 得 j y j 一y o 一爿 矿 s 一1 8 z iz 1 2 z 1 4 z 1 2z 2z 2 3z 2 4 z 1 3z 2 3z 3z 3 4 z 1 4z 2 4z 3 4z 4 oooo 0 0o0 o000 000o 北京交通大学硕士学位论文第三章 再对此式进行整理并做拉普拉斯反变换得 y x e 刊 矿 0 3 1 1 式 3 1 1 中的v o 为x o 时钢轨线路的电压与电流向量 若根据钢 轨线路的边界条件解出此向量 就可以进一步计算出主串钢轨回路与被 串钢轨回路上任意点的电压与电流值 即可得到邻线干扰的量值 3 2 轨道电路邻线干扰分析 轨道电路的邻线干扰分析是机车信号邻线干扰分析的基础 有了邻 线干扰分析的数学模型以后 就可以对轨道电路邻线干扰进行分析 假设主串回路和被串回路的发送端在同侧 坐标轴原点位于主串回 路发送端 如图3 3 所示的钢轨线路区段中 x 是距钢轨线路始端的距 离 i l 1 2 1 3 1 4 s 1 1 j 1 2 i 1 3 j 1 4 i 分别是始端和终端各轨条上的电流 u 1 s u 2 u 3 u 4 u 1 j u 2 j u 3 j u 4 i 分别是始端和终端各轨条对地电 压 图3 3 轨道电路邻线干扰的简化示意图 如图3 3 中 u s 是传输网络的等效电源 z l 和z 2 分别是主串 被串钢轨回路的传输网络等效输入阻抗 z l 和z 2 分别是主串 北京交通大学硕士学位论文第三章 爿 矿 z o 即 oo l一1 oo o o 00 o0 o0 1 1 l o 5 z m o 0 l q s z d u o o o o 1 一o 5 z m 2 0 o l o 5 孑 2 o 根据公式 3 1 1 矿 e 矿 0 得 爿 p 7 矿 o o 又根据爿 y o t 可得出 卜 吲即 哪 惨 铡 z m 则 矿 x p y o 3 2 2 从而可以得到任意点上的电压和电流 被串钢轨回路上的邻线干扰 电流为1 3 或1 4 x 且1 3 k x 3 3 机车信号邻线干扰分析 3 3 1 主串回路无车时的机车信号邻线干扰分析 主串钢轨回路无车分路时 即主串钢轨线路空闲 被串钢轨线路被 咖咖咖咖如功勋加 北京交通大学硕士学位论文第三章 4 e 如 如一 e 矿 o o 又已知4 y o c 凼此 k 州 o 卜 吲 根据上式即可求得 哪 也 讧0 q 别 s t 又有 矿 p 矿 k 口 氏一 矿 b 一 p 厶 如一 p y o 3 3 2 而整个钢轨线路上的钢轨电流为 ro x x g 一时 y x p 一再 y o lx g x 时 矿 x p a 卜引t 矿 z 3 3 3 在被串钢轨线路分路点x g 处的分路电流i 尸1 3 g 1 3 g 1 4 争 1 4 g 机车 邻线干扰电流为i 孤 3 3 2 主串回路有车时的机车信号邻线干扰分析 主串及被串回路均被列车分路时进行机车信号的邻线干扰分析示意 图如图3 5 所示 图3 5 中 x g l 是主串回路列车分路点距始端的距离 u 1 c 9 1 u 2 9 1 u 3 x 9 1 u 4 x 9 1 1 1 x 9 1 1 2 x 9 1 1 3 x 9 1 1 4 9 1 为分路点x g i 处左侧各钢轨轨条 的对地电压及电流 u l x g l u 2 x g l u 3 x g l u 4 x g l 1 1 x g i 1 2 x g l 1 3 x g l 1 4 g l 为分路点 g l 处右侧各钢轨轨条的对地电压及电流 r f l 是主串 北京交通大学硕士学位论文 第三章 回路中的列车分路电阻 图3 5 主串钢轨回路有车时的机车信号邻线干扰分析示意圈 同样 x 9 2 是主串回路列车分路点距始端的距离 u l 萨 u 2 盛 u 3 x 9 2 u 4 9 2 i l x 9 2 1 2 9 2 1 3 9 2 1 4 窨2 为分路点x 口处左侧各钢轨轨条的对地电 压及电流 u l x 醇 u 2 x 9 2 u 3 x 9 2 u 4 9 2 i i x 9 2 1 2 x 萨 1 3 x 9 2 1 4 x 9 2 为分路点x 卫2 处右侧各钢轨轨条的对地电压及电流 r f 2 是被串回路中的 列车分路电阻 3 3 2 1 机车车位平行时 当x g l x 9 2 x g 时 此时只有3 个边界点 在x o 与x 处钢轨线路 的边界条件与3 2 节轨道电路邻线干扰分析中的完全相同 现对两列车平行时 即x 9 1 x 9 2 g 时做如下分析 设u l x g u 2 u 3 x u 4 1 1 x g 1 2 1 3 x g 1 4 g 为分路点x g 处左侧各钢轨轨条的对地 电压及电流 u l x g u 2 x g u 3 x g u 4 x g i l x g 1 2 x g 1 3 x g 1 4 x g 为分 路点x g 处右侧各钢轨轨条的对地电压及电流 r n r 也分别为主串回路 和被串回路中的列车分路电阻 塞奎望奎兰堡主兰堡丝奎一 i 兰 r o x x l 一时 矿 x p 一小 y 0 i 一x 小 x k 2 一时 y 曲 e y x 小 e 4 y x 弘 l 砀 x 时 矿 x e 州 y f 3 3 8 在主串钢轨回路分路点x g l 处分路电流i n 1 3 x 9 1 一1 3 g l 1 4 9 1 1 4 x g l 机 车信号邻线干扰电流为1 3 t o 同理 被串回路分路点x 9 2 处分路电流i 位 1 3 9 2 1 3 x 9 2 2 1 4 x 9 2 一1 4 x 防 机 车信号邻线干扰电流为1 3 x 9 2 一 以上只分析了x 9 1 x 口时 分析 方法和上述x l 口相同 只是在推导过程中需要注意机车位置的改变 3 3 本章小节 本章基于钢轨线路传输特性及轨道电路边界条件分析法建立了邻 线干扰的分析模型 并分别建立了轨道电路和机车信号邻线干扰的数学 模型 为进一步对机车信号邻线干扰的数字仿真做了理论铺垫 在分 析机车信号邻线干扰时的主要工作是根据轨道等效电路及列车占用位 置确定边界点及列出边界条件方程 3 0 匕京交通大学硕士学位论文第四章 第四章机车信号邻线干扰的仿真 4 1 仿真的目的 机车信号邻线干扰仿真的目的是为了分析轨道电路传输过程中的 各个参数和参数状态对邻线干扰的影响 本章将利用机车信号邻线干扰 的数学模型 进行机车信号邻线干扰特性的数字仿真 得到邻线干扰的 变化规律及其量值 以便在实践中晟大可能的避免由邻线干扰产生的不 利因素 从而保证列车行车的安全及效率 机车信号邻线干扰的仿真在两种情况下进行 主串回路无车和主串 网路有车 分析主串回路无车占用时的目的是分析钢轨线路中的各个参 数对机车信号邻线干扰的影响规律 分析主串回路有车占用时的目的是 研究机车的相对位置对邻线干扰的影响 4 2 仿真条件及参数的选择 整个轨道电路传输系统的状态及参数过于复杂 t e 确的选择仿真条 件及参数是分析机车信号邻线干扰的必要前提和条件 机车信号邻线干扰特性的仿真分析是基于u m 7 1 无绝缘轨道电路实 际参数进行的 输入信号类型为u m 系列轨道电路的固定编码信号 输 出的干扰信号为被串回路机车信号感应线圈下方的靠近发送端的钢轨 电流 即钢轨短路电路 4 2 1u m 7 l 无绝缘轨道电路 4 2 1 1i 刀 7 1 无绝缘轨道电路的组成 u m 7 1 无绝缘轨道电路设各 包括室外和室内两大部分 室内设备 u m 7 1 无绝缘轨道电路设备 包括室外和室内两大部分 室内设备 3 1 北京交通大学硕士学位论文 第四章 有发送器 接收器 方向逻辑电路 模拟电缆网络 轨道继电器和电源 设备 室外设备包括调谐匹配单元 空心线圈 补偿电容和电缆 谐振 式无绝缘轨道电路的等效电路如图4 1 所示 图4 一l 无绝缘轨道电路的等效电路图 如图4 l 中发送设备f s 经过电缆网络 及匹配变压器 高接到轨 道电路上 接收设备j s 也通过电缆网络 0 及匹配变压器 接到轨道 电路上 a 为轨道电路四端网络 轨道电路可以认为是由五个四端网络 a 和 级联而成 4 2 1 2 电气绝缘节的频率特性 u m 7 1 无绝缘轨道的电气绝缘节对不同的频率形成串联或并联谐 振 实现了同线相邻轨道电路的电气隔离 其调谐单元和钢轨问的引线 北京交通大学硕士学位论文第四章 对频率z 来说 调谐单元e 对频率z 串联谐振 故电气绝缘节的等 效电路如图4 3 所示 图4 3 电气绝缘节对z 的等效电路 z n 2 z i z e f 4 2 3 舰z 咄脚心 卜划 叫 z 品 r g 山l 三g 陋 月s 国l 上 上s r g z 2 国l 三2 4 2 5 对频率 来说 调谐单元曩对频率 串联谐振 故电气绝缘节对 的等效电路如图4 4 所示 zc 2 z t b f z l t 8 4 2 6 其中 z a 2 r 哆厶 l r z 哆厶一去j 也一 三暑 4 2 7 北京交通大学硕士学位论文 第四章 z b r g 2 三g 陋 r 5 国2 三 三s r g z d 2 三g 4 2 8 图4 4 电气绝缘节对 2 的等效电路 4 2 1 3u m 7 1 轨道电路的等效 根据u m 7 1 无绝缘轨道电路调谐单元的谐振特性及戴维南等效定 理 将发送端电缆网络及匹配变压器网络等效为电压源e s 和内阻z s 串 联的形式 将接收端的电缆网络及匹配变压器网络等效为一个无源负载 z j 得到u m 7 1 无绝缘轨道电路的等效电路图如图4 5 所示 图4 5u m 7 l 轨道电路等效电路图 其中 i l s 1 2 i l j 1 2 j 分别是始端和终端各轨条上的电流 u l u 2 u l j u 2 j 分别是始端和终端各轨条对地电压 z j i f 及z j i r 为谐调单元的零阻抗 如图4 3 谐调在频率z 时 其大 小为z 品 如图4 4 谐调在频率 时 其大小为z 么 北京交通大学硕士学位论文 第四章 z l 为谐调单元的极阻抗 如图4 3 谐调在频率z 来说为e f 间的阻 抗 其值厶 c 1 置 如图4 4 谐调在频率 来说为a b 间的阻抗 其 值为z l 厶 c 2 如 睁 c 3 马 z c o 为谐调单元与钢轨接续线的等效阻抗 其值为厶 r 在蠹鬻簦引剖 i 霸弼擘k 建一墓萋瑟 娶嚣踅嚣肇印妻鍪鍪羹攀 耋遗霎雾 萋薹 墓i 兰 矍 uq u 2 一 u 一u 一 镕一 l 一厶 一l 一 h x g j p u h g u 抛 u 吣 i 魄 i 婚 i 堍 1 4 有4 w t 矿 x s 一 一w y x s 其中 如一2 2 6 o o o o o o o o o o o o q o o o o 0 0 o o o 0 0 o o o o o 1 o 0 o 之 o o o 0 o 0 2 o l 0 o o o 之o 北京交通大学硕士学位论文 第四章 接收端的等效阻抗 经计算得 1 4 9 2 8 2 1 9 2 i o 频率2 3 0 0 h z 的轨道电路区段 发送器电压取6 7 v 发送器等效内 阻取 2 2 3 2 9 i q 时 经计算等效电压源为 9 5 5 6 2 6 5 0 2 6 i v 等效 电阻为 7 0 6 4 2 2 2 2 1 7 i q 接收端的等效阻抗为 1 6 9 9 5 2 3 2 3 i q 4 2 3 调谐区参数选择 发送端调谐区与接收端调谐区所取参数相同 空心线圈的阻抗值取 3 3 媚 引接线的电阻和电感如下表所示1 1 8 表4 1 引接线参数表 频率 h z 电阻 m q 感抗 m q 电感 h 1 7 0 03 13 22 9 9 5 2 0 0 03 43 7 52 9 8 4 2 3 0 03 64 32 9 7 5 2 6 0 03 8 4 8 2 9 3 8 在钢轨传输线路的左侧n 1 7 0 0 h z 右侧f 2 2 3 0 0 h z 的区段时 调 谐单元的实际参数如下表所示 表4 2 调谐单元取值表 类型元件实际值 工l 3 5 u h e c l1 2 0 n f 2 8 8 l l h ec 2 l o o u f c 3 2 6 6 l l f 北京交通大学硕士学位论文 第四章 制式下 其灵敏度应符合表4 3 的要求 表4 3 机车信号灵敏度表 载频 h z 1 7 0 02 0 0 02 3 0 02 6 0 0 钢轨最小短路电流值 1 l l a 5 0 05 0 05 0 04 5 0 钢轨短路电流值 3 1 0 4 72 7 5 4 12 5 5 3 82 3 5 3 5 机车信号 l a 灵敏度 主机电压值1 0 0 1 51 0 0 1 5 1 0 0 1 51 0 0 1 5 4 3 仿真分析 机车信号邻线干扰的仿真在两种情况下进行 主串回路无车和主串 回路有车 4 3 1 主串回路无车时的机车信号邻线干扰 4 3 1 1 短路电流与列车运行方向 当主串回路和被串回路的发送端同侧时 列车负方向运行时机车信 号的钢轨短路电流位置点小于分路点位置 取主串回路发送端为坐标轴 原点 如图4 7 所示 图4 7 列车负方向运行时的短路电流 一3 9 j e 京交通大学硕士学位论文第四章 重一些 而列车正向运行时 钢轨短路电流随着距离的增加而减小 以下的分析都在列车负方向运行时进行的 即被串回路发送端和主 串回路发送端在同侧 4 3 1 2 短路电流与道碴电阻 道碴电阻是钢轨线路中的一个重要的参数 它与道碴材料 道碴层 的厚度和清洁度 轨枕的材质和数量等因素有关 另一方面还会受到路 基和土壤的导电率以及气候的变化 如温度和湿度的变化 的影响 假 设发送移频信号的载频为1 7 0 0 h z 钢轨长度o 8 k m 道碴电阻r 分别取 o 5 q k m 1 q k m 和2 q k m 时 仿真得到短路电流与道碴电 阻的关系图如图4 一l o 所示 图4 1 0 短路电流与道碴电阻的关系图 由图4 1 0 可知 当道碴电阻变小时被串回路的钢轨短路电流最大 值变大 且衰耗幅度增大 这一点也可以根据道碴电阻的物理意义加以解释 道碴电阻越小 主串回路漏泄到被串回路的电流越大 故被串回路的钢轨短路电流越 大 北京交通大学硕士学位论文第四章 4 3 1 3 短路电流与大地比电导 大地比电导影响了单根钢轨对地阻抗和两根钢轨间互感大小 假设 发送移频信号的载频为1 7 0 0 h z 钢轨长度为8 0 0 m 道碴电阻固定在 1 q k m 时 大地比电导q 分别取1 2 1 0 1 4 c g s m 厘米克秒制 1 2 1 0 1 0 c g s m 及1 2 1 0 4 c g s m 得到短路电流与道碴电阻的关系图如 图4 1 1 所示 a 主串凹踞钢轨电流 b 被串回路钢轨短路电流 图4 一1 1 大地比电导改变时主串及被串回路的钢轨电流图 由上图4 1 l a 可见 大地比电导的大小并不能影响主串回路中钢轨 电流的衰减 以至于三条电流曲线重合 而随着大地比电导的增大 被串回路短路电流的最大值都有一定程 度的减小 幅度不大 如图4 1 1 b 所示 可见 大地比电导对整个轨道电路传输特性的影响及其有限 4 3 1 4 短路电流与信号频率 移频信号的频率改变直接影响了钢轨线路的一次参数和二次参数 北京交通大学硕士学位论文第四章 压取1 3 7 v 其它条件不变 主串回路钢轨电流及被串回路的钢轨短路电 流如图4 1 3 所示 a 主串回路钢轨电流 b 被串回路钢轨短路电流 图4 1 3 不同长度轨道下的主被串钢轨电流 由图4 1 3 可知 在主串回路无车的机车信号邻线干扰分析模型下 随着轨道电路长度的增加 发送功率相应增加 则机车信号邻线干扰将 增大 钢轨长度为1 5 0 0 m 和8 0 0 m 时 分路电流的最大值分别为1 2 5 8 m a 和5 8 5 r i l a 综合以上的分析可以得出以下结论 1 机车向着邻线发送端运行时 其机车信号邻线干扰值要大 于背离邻线发送端运行时干扰 2 道碴电阻变小时机车信号邻线干扰最大值变大 但衰耗幅 度也相应增大 3 随着大地比电导的增大 机车信号邻线干扰最大值有一定 程度的减小 4 机车信号邻线干扰随着载频频率的增大会有所增大 5 轨道电路的长度增加时机车信号邻线干扰将增大 北京交通大学硕士学位论文 第四章 4 3 2 主串回路有车时的机车信号邻线干扰 当主串回路的条件固定不变时 机车信号邻线干扰的随轨道电路各 参数的变化规律上一节已经得出结论 故本节分析的重点在于机车的相 对位置对邻线干扰的影响 该情况为机车信号邻线干扰的第二种情况 此时随着列车车位的不 同 钢轨线路的分晃点的位置和数量也不同 取主串回路发送端为坐标 轴原点如图4 7 假设主串钢轨线路分路点距离钢轨始端x 1 k m 被串 钢轨线路分路点距离钢轨始端x 2 k m 当x l x 2 时 钢轨线路有 4 个分界点 当x l x 2 时 钢轨线路有3 个分界点 4 3 2 1 主 被串回路分路点位置相同 x l x 2 此时钢轨线路有3 个分界点 将钢轨线路分为2 个区段 分别是o x 1 x 2 x l x 2 当主 被串钢轨上分路点同步移动时 选择不同的 条件 分别对主串和被串钢轨的电流特性进行仿真 分路点位置 道碴电阻与钢轨短路电流的三维关系图如下 图4 1 4 主串回路钢轨短路电流与道碴电阻及分路点位置三维关系图 俩 蛇 o o v n 掣盔墨霉 北京交通大学硕士学位论文第四章 由图4 1 4 可以看出 主串回路钢轨短路电流的大小随着分路点远离 发送端而衰减 短路电流随着道碴电阻的增大而增大 图4 1 5 被串回路钢轨短路电流与道碴电阻及分路点位置三维关系图 由图4 一1 5 可以看出 被串回路机车信号邻线干扰的最大值出现在道 碴电阻很小且分路点距离在1 2 0 m 时 下面进一步研究钢轨短路电流最大值的列车分路位置与道碴电阻 之间的关系 取道碴电阻分别取1 q k m 1 2 q k m 和1 5 q k m 时 被串 回路钢轨短路电流最大值出现位置与道碴电阻的关系如图4 1 6 所示 如图4 1 6 被串回路短路电流的最大值随道碴电阻的增大而减小 最大值出现时的机车分路位置点随着道碴电阻的增大而有细微的减小 在一般道碴电阻情况下出现在主被串回路机车都分路在1 2 0 m 附近 m v鉴毖等率 北京交通大学硕士学位论文 第四章 图4 1 6 被串回路钢轨短路电流最大值出现位置与道碴电阻关系图 对比图4 一l o 机车车位平行时邻线干扰的大小与主串回路空闲而被 串回路有车时相比 机车车位平行时邻线干扰明显更大 4 3 2 2 主串钢轨线路分路点在前 x l x 此时钢轨线路有4 个分界点 也将钢轨线路分为3 个区段 选择单 位对地漏泄导纳取1 s 1 1 1 1 分别仿真主串回路及被串回路分路电流 如图4 1 9 和4 2 0 所示 图4 1 9 主串回路钢轨短路电路与相对分路位置问的关系图 由图4 一1 9 可知 主串回路的钢轨短路电流与主串回路列车分路点在 前 x l x 时比较严重 4 机车信号邻线干扰的情况比较复杂 但在参数已知时的变 化规律可通过本文模型加以全面的描述 如图4 1 8 和图 4 一1 9 共同描绘了被串回路钢轨短路电流的变化情况 北京交通大学硕士学位论文第四章 4 4 本章小结 本章对u m 7 l 轨道电路的机车信号邻线干扰进行了综合分析 首先 分析了列车运行方向与机车信号邻线干扰电流关系 其次 分析了轨道 电路诸多参数对机车信号邻线干扰的影响 最后 根据短路电流的相关 曲线 分析机车信号邻线干扰的最大值出现情况和相对列车分路位置点 的关系 并得出最大短路电流值 本章的分析结论有 1 机车迎着邻线轨道电路发送方向运行时的邻线干扰要大于其背 离运行时的干扰 2 道碴电阻变小时机车信号邻线干扰最大值变大 但衰耗幅度也 相应增大 3 随着大地比电导的增大 机车信号邻线干扰最大值有小幅度的 减小 4 机车信号邻线干扰随着频率的增大会有所增大 5 轨道电路的长度增加时机车信号邻线干扰将增大 6 机车信号邻线干扰与主串回路列车分路点位置有关 且机车信 号邻线干扰在被串钢轨线路分路点在主串回路列车分路点之前 时比较严重 主串回路发送端为坐标轴原点 7 机车信号邻线干扰在机车车位平行的时候最大 北京交通大学硕士学位论文第五章 兰兰竺竺 鎏划一统l l 被串回路眭鹭一一一一 l 短 信号发送端 路 信号接啦 棒 卜 l x x 叫 图5 1 测量方案原理图 其中三为信号区间的长度 x 为测量点位置 不断改变z 的值即 可绘制出整个区间上的邻线干扰电流分布图 从而为后续相关验证分析 提供数据 5 3 测量系统综述 整个测量系统有两部分组成 数据采集模块和系统控制及数据分析 模块 数据采集模块基于单片机w 7 7 e 5 8 为核心 通过电流感应线圈 隔 离传感器 a d 转化器和数据存储模块 对钢轨上的电流信号进行实时 的采集 记录 并配置u s b 通信模块 将采集数据发送给上位机进行数 据分析 系统控制及数据分析模块为软模块 在上位机编写基于l a b v i e w 的处理软件 其中l a b v i e w 接口程序负责控制串行数据的流向 启动 停止及定义数据的格式 数据处理分析程序提供基本的滤波 存储及显 示功能 并进行相关的测量及各种谱分析 整个测量系统的框图如图5 2 所示 北京交通大学硕士学位论文第五章 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 一 一 一 图5 2 测量系统框图 5 3 1 数据采集模块的硬件构成 5 3 1 1 主控芯片 本系统采用w i n b o n d 公司与5 l 系列单片机兼容的高速微控制控制 芯片w 7 7 e 5 8 其主要特点有 3 l 3 8 4 个时钟周期为一个指令周期 晶振最高可达4 0 m h z 3 2 k 程序存储器 萤l k 的片内s r a m 3 个定时器 计数器 1 个程序看门狗定时器 5 3 1 2 传感器 对轨道上的电流进行测量时要求传感器满足以下条件 一是可以实 现对轨道电路上的电流或功率进行不间断的提取 二是要能实现传感器 件和轨道的电气隔离 三是要具备补偿线路 减小测量误差 因此 传感器由前端的具有自平衡电子补偿的钳型电流互感器 开 口半径为