郝 宾，余 跃，王运明

(大连交通大学电气信息工程学院，大连 116028)

引言

ZPW-2000型无绝缘轨道电路是铁路信号系统的重要设备之一，具有列车占用情况检测、完整性检查和向列车传输行车信息等功能，广泛应用于铁路工程中。ZPW-2000轨道电路具有结构复杂的特点，恶劣环境运行易发生故障并影响行车安全和运输效率[1]。轨道电路仿真设计是故障分析的重要手段，可为列车可靠运行提供技术支撑。

近年来，部分学者开展了ZPW-2000轨道电路的建模与仿真研究。董昱[2]提出基于粗糙集和模糊认知图的ZPW-2000轨道电路故障诊断方法；孙上鹏[3]根据均匀传输线理论建立无绝缘轨道电路机车信号感应电压幅值包络计算模型，分析电气绝缘节和补偿电容故障、道砟电阻及列车运行速度等对机车信号感应电压幅值包络线的影响规律；王梓 丞[4]基于Simulink建立ZPW-2000轨道电路单区段仿真模型，分析分路状态工作性能；张友鹏[5]分析了主轨道钢轨断裂对单独区段上分路电阻的影响；WEI D[6]对区段补偿电容故障造成的影响进行了测试分析；HU L Q，马涛等[7-8]基于灰度理论给出一种针对单区段主轨道电路故障的预测方法。上述研究局限于单段轨道电路和部分设备，对邻区段研究尚不充分。

通过分析ZPW-2000型轨道电路的组成和工作原理，采用Simulink仿真工具，给出各模块的设计方案，详细设计ZPW-2000型多段轨道电路仿真模型。仿真分析轨道电路处于调整状态、分路状态及调谐单元故障时对移频信号的影响。

1 ZPW-2000轨道电路结构和基本原理

ZPW-2000轨道电路分为室外、室内两大部分。具体结构如图1所示。

图1ZPW-2000移频轨道电路结构

ZPW-2000轨道电路采用移频信号传输低频控制信息。载频上行：2 000，2 600 Hz交替排列和下行1 700，2 300 Hz交替排列，频偏为Δf=11 Hz，低频fc在10.3～29 Hz按1.1 Hz递增共分18种。中心载频分布如图2所示。

图2 中心载频分布示意

2 基于Simulink的轨道电路仿真模型

参照ZPW-2000 轨道电路工作原理和数学模型[9]及电路模型[10-11]，参考FSK移频信号的调制解调原理[12]及其优化改进方法[13-14]，借助Simulink仿真工具，采用模块化设计思想，首先设计各设备的电路仿真模型，再集成单段轨道电路仿真模型，最后扩展以2 300，1 700，2 300 Hz为中心载频的连续3个区段的轨道电路仿真模型。

2.1 室外设备仿真模块设计

(1)主轨道单元仿真模块

调谐区距临近第1个补偿电容为75 m，其余补偿电容等间距设置，间距为Δ=(L-150)/(N-1)，其中，L为图1中主轨道电路长度；N为补偿电容数量。每个区段主轨道全长按L=750 m设计，补偿电容N=11个。主轨道Simulink仿真单元模块如图 3(a)所示。

(2)调谐区仿真模块

调谐区由BA1和BA2两个调谐单元及空心线圈跨接在钢轨上构成，调谐区长29 m。调谐单元用于本区段调谐单元与相邻区段载频构成串联谐振或并联谐振，实现电气绝缘。调谐区的Simulink设计如图3(b)所示。

(3)匹配变压器

变压器1线圈经调谐单元端子接至钢轨，2线圈接SPT电缆供出端，变比选240∶20。钢轨侧电路按相反极性串接两个电解电容，起隔直交连作用，防止直流成分造成变压器磁路饱和。接SPT电缆一侧串接两个电感，平衡与SPT电缆连接的容性，匹配变压器的Simulink设计如图3(c)所示。

图3 室外设备仿真模块

2.2 室内设备仿真模块设计

(1)发送器模块

按照FSK调制原理，选用两个Sine Wave DSP模块，分别设置固定频率：下偏频fa1和上偏频fa2；选用Pulse Generator方波发生器，设置频率为fc2(或fc2或fc3)，产生低频信号，设置占空比为50%；再使用乘法器、反相器和加法器合成FSK信号，控制受控AC电压信号源，设置信号幅值Va=34.2 V。根据FSK信号调制原理设计的Simulink移频发送器如图4(a)所示。Port+和Port-两端口间将发送低频为fc2=16.9 Hz，频偏为Δf=11 Hz的移频信号。

(2)带防雷电缆模拟网模块

根据文献[15]所述雷击路径，参考文献[16]所述几点防雷措施，带防雷电缆模拟网络应由带铁心低转移系数的同心变压器做隔离，工作频率设置与本区段中心载频相同，副边并接对称式限压防护接地，当电路中混入雷电冲激时将被击穿，将雷电能量迅速导入大地，对后续电路起到保护作用，带铁心电感组，补偿SPT电缆，后续并接限压器，进一步保护发送器或接收器，带防雷电缆模拟网Simulink设计如图4(b)所示。

(3)接收器模块

按照FSK信号解调原理，设计2个一阶切比雪夫带通滤波器，分别用于提取上下2个边带，选取2个Quantizing Encoder抽样编码器对提取出的边带进行抽样编码，实现包络检波。按照频偏Δf=11 Hz确定的时间进行定时抽样判决，还原低频信号。按照FSK信号解调原理的Simulink设计如图4(c)所示。Conn1和Conn2端口接收移频输入，1端口输出解调的低频信号。

图4 室内设备仿真模块

2.3 3个区段轨道电路模型

按照图1所示ZPW-2000型移频轨道电路结构将上述设计的Simulink模块组合成单区段轨道电路。主轨道由11个轨道单元级联得到，并在主要信号测试点添加Scope示波器模块。参考文献[17-18]对每一段单区段轨道电路主要电气特性参数进行仿真调试，达到最佳效果。之后参照图2中心载频分布的下行方向部分的结构特点，扩展得到连续三段轨道电路，如图5所示。从左到右依次为3、2、1区段的中心载频、低频频率分布，如表1所示。

表1 各区段参数分布

图5 三段轨道电路仿真

3 仿真分析

3.1 调整状态仿真分析

(1)调谐区电气绝缘性能仿真分析

在调谐区设备故障时，无绝缘轨道电路将失去电气绝缘功能，造成邻区段干扰，致使机车信号设备不能正常识别轨道电路信号[19-20]。

仅2区段发送移频信号，其他区段不发送信号时，调谐区两侧轨面信号如图6所示。

图6 仅2区段发送信号时调谐区两侧轨面电压对比

对比分析可见，调谐区本区段发送端一侧轨面信号正常，而邻区段接收端一侧信号大幅度衰耗，接近于零。仿真表明调谐单元电感电容值匹配恰当，构成谐振效果显著，对邻区段信号大幅衰减，有效实现了电气绝缘性能。

(2)各区段信号传输过程仿真分析

3个轨道电路区段分别发送携带13.6，16.9 Hz和26.8 Hz低频信息的移频信号时，每个区段各环节信号传输情况如图7所示。

图7 3个区段各环节移频信号传输情况

分析仿真结果可知，发送端轨面信号到接收端轨面信号略有轻微的频率选择性衰落和很小的全频带正常衰减，而低频信息并没有失真，确保信息完整正确传输及最终解调。说明主轨道等效网络仿真模型对移频信号的传递性能较好，实现携带不同低频信息的移频信号的稳定、可靠、全路径传输。

就各区段接收还原出的低频信息而言，除非常接近0时刻存在系统启动过程不稳定振荡造成的瞬时误码外，其后波形整齐，没有误码。经过测量，实际接收解调得到的3个区段低频信号频率依次为13.628，16.865 Hz和26.762 Hz，与发送端仅存在极小误差，表明调谐区电气绝缘性能良好，3个区段信号互不干扰、无失真传播和正确解码还原，轨道区段传输特性良好。

3.2 动态分路状态仿真分析

以轮对由3区段某处匀速经过2区段到达1区段的过程为例进行仿真，依据ZPW-2000轨道电路的多轮对动态分路模型[21]，并考虑到文献[22]所述易造成分路不良的几种实际情况，采用连续两个为一组的定时开关器模拟轮对组，如图8(a)所示，得到的仿真结果如图8(b)所示。

图8 模拟行车轮对定位仿真结果

由仿真结果可知，3个区段接收端还原的低频信号依次出现了空码。这是由于模拟轮对依次经过了3个区段，使得被分路区段接收端不能接收到移频信号，故出现相应空码，表征列车占用相关区段，符合实际情况。

3.3 调谐单元故障仿真分析

调谐单元是轨道电路在现场运行时最易发生故障的室外设备，发生的典型故障包括引接线脱落、电容失效和断轨等。通过模拟调谐单元上述3个故障，观察相关区段信号的变化特征，分析调谐单元故障对相关区段的影响。

(1)调谐单元引接线脱落

断开1区段接收端调谐单元与钢轨间的连线用于模拟引接线脱落，如图9(a)所示，仿真结果如图 9(b)、图9(c)所示。

图9 调谐单元引接线脱落仿真结果

由图9可见，1区段接收端不能接受到本区段移频信号，且由于不能对2区段1 700 Hz中心载频构成谐振，接收端轨面串入2区段的信号对相邻的2区段无明显影响。实际中若发现类似波形，可初步判断是相应调谐单元引接线脱落故障。

(2)调谐单元电容失效

断开1区段接收端调谐单元电容连线，模拟电容失效，如图10(a)所示，仿真结果如图10(b)、图10(c)所示。

图10 调谐单元电容失效仿真结果

由图10可见，调谐单元电容失效使得本区段信号明显失真，解调后出现误码，邻区段移频信号在发送端被大幅度损耗，其接收端不能有效接收和解调。现场实际中可据类似波形推断调谐单元电容失效。

(3)调谐区断轨

调谐区的两调谐单元之间钢轨出现有害裂纹，如图11(a)所示，产生影响如图11(b)、图11(c)所示。

图11 两调谐单元之间断轨仿真结果

分析可见，发生上述断轨情形时，由于不能对本区段信号构成“极阻抗”，故本区段信号在接收端有明显失真和频率选择性衰减，解调时上下边带不对称，所还原的低频信息脉宽变窄，失去含义。现场若两调谐单元之间断轨，移频信号波形失真明显，解调出现连续误码，对行车安全构成很大危害，应当避免调谐区钢轨的有害裂纹。

4 结语

通过分析ZPW-2000轨道电路原理，采用Simulink仿真工具搭建了ZPW-2000型多段轨道电路仿真模型。仿真分析了轨道电路处于调整状态和动态分路状态下连续3个区段移频信号的调制、发送、接收和解调的信号变化特征，模拟了调谐单元发生引接线脱落、电容失效和断轨等典型现场故障时，调谐区两侧区段移频信号变化过程。通过信号异常变化可推断故障类型和位置，可为轨道电路的设计开发、现场调试维护提供参考。