从轨道电路的运用看区间信号的发展

从轨道电路的运用看区间信号的发展李崇芬[摘要]区间轨道电路是铁路区间闭塞设备的重要基础设备，轨道电路不仅起到监督列车是否的占用线路、还负有向列车传递信息的作用，区间是否运用轨道电路反映了信号闭塞设备的先进程度。[关键词]轨道电路半自动闭塞自动闭塞移动闭塞列车运行自动控制系统[作者简介]李崇芬，女，柳州运输职业技术学院电子工程系主任，副教授。广西柳州,545007车站与车站之间的铁路线路称为区间，它与无数的车站连接成了铁路这条运送旅客和货物的国民经济大通道，区间闭塞设备是保证列车在这条大通道上畅通无阻、快速、安全运行的重要设备，而轨道电路是区间闭塞设备的重要基础设备之一。笔者从区间轨道电路的从无到有、又将从有到无的演进过程，简述铁路区间信号闭塞设备的发展。一、区间轨道电路从无到有（一）、区间无轨道电路1949年统计，当时72%的线路没有闭塞设备，其余大部分还是人工闭塞设备，那时，列车在区间行车时，安全毫无保证，根本谈不上运输效率的提高。50年代中期我国铁路工程人员自行设计并安装了区间继电半自动闭塞设备，如64D单线继电半自动闭塞，它是在相邻两站各设一台半自动闭塞机，经闭塞电话线将两台半自动闭塞机连接起来，列车要进入区间，首先需要两站值班员分别操纵闭塞机，控制发车站出站信号机的开放，列车出发，压上进站信号机内方的站内轨道电路时，出站信号机自动关闭。有车在区间运行时，闭塞机处于闭塞状态，无法通过操纵再去开放本站或对方站的出站信号机。列车到达接车站需人工确认是否整列到达后，再由接车站值班员操纵闭塞机，解除闭塞状态。64型继电半自动闭塞设备具有设备简单、使用方便、维修容易、投资少、安装快的优点，截至2005年底全路仍有61.7%的线路使用继电半自动闭塞设备来防护列车在区间行车安全问题。但是半自动闭塞设备存在很多的不足，如自动化含量不高，需要人工办理闭塞手续才能向区间发车，增加了列车在车站的停留时间；区间的通过能力很低，同一方向线路同时只允许一趟列车运行；再是区间没有轨道电路，不能从电气上去监督列车在区间运行的情况或检查区间是否遗留车辆，遗留车辆既阻塞线路还存不安全问题。随着我国经济的发展，行车速度提高、行车密度加大，半自动闭塞设备已不能适应铁路的需求，于是自动闭塞设备逐步取代半自动闭塞设备。（二）、区间运用轨道电路所谓自动闭塞主要是将区间划分成若干个闭塞分区，每个闭塞分区设为一段轨道电路，它的起点设有一架通过信号机防护，列车运行借助车轮与轨道电路接触发生作用，自动控制信号机的显示，因它是列车在运行中自动完成闭塞作用的所以称自动闭塞。从运输组织讲这种自动闭塞属于固定闭塞，前、后两列车的间距是用地面固定的轨道电路来检测的。轨道电路是自动闭塞的重要基础设备。在90年代之前，我国部分铁路主要运用的是50年代从苏联引进的交流计数电码自动闭塞和60年代我国自行研制的极频自动闭塞和4信息移频自动闭塞三种。对应不同制式的自动闭塞设备，便有不同形式的轨道电路，当时采用都是有机械绝缘节的轨道电路：1、机械绝缘轨道电路机械绝缘轨道电路就是以铁路线路的两根钢轨作为导体、两端加以机械绝缘节隔离、分别接上发送设备和接收设备而构成的电路。轨道电路最初在站内运用，如非电气化区段的站内交流50HZ轨道电路：送电端由交流50HZ轨道电源和限流电阻Rx、BG5变压器组成，受电端由BZ4变压器、轨道继电器GJ组成。当轨道电路内钢轨线路完整，且没有列车占用时，送电端的信号电流从一个方向畅通无阻地流向受电端，受电端接收到信号电流后轨道继电器吸起，GJ↑表示轨道电路空闲。如轨道电路有列车占用时，信号电流被机车轮对分路，轮对电阻远小于轨道继电器线圈电阻，此时流经GJ的信号电流大大减小，GJ无法工作失磁落下，GJ↓表示轨道电路被占用。在电气化区段站内运用的是交流25HZ相敏轨道电路。站内轨道电路上传递不管是交流50HZ还是交流25HZ的信号电流，这些信号电流不含任何信息，此时轨道电路只起到监督列车是否占用线路的作用，通过判断线路是否空闲，为开放信号、建立进路或构成闭塞提供依据。由于轨道电路具有监督列车是否占用线路的功能而被运用到区间，作为区间自动闭塞的重要基础设备，并把轨道电路的工作情况与区间通过信号机的显示等结合起来，如三显示移频自动闭塞的轨道电路：把两站之间的钢轨线路用机械绝缘隔离成若干段轨道电路如1G~4G,每段轨道电路称为闭塞分区，长度在1.2~2.5公里左右，每段轨道电路有由电子元器件组成电路的发送设备和接收设备，接收设备的执行元件是继电器，有LJ、UJ。相邻轨道电路采用不同的载频信号，如下行方向的1G、3G采用550Hz载频信号，2G、4G采用750Hz载频信号。发送设备采用频率调制的方法，用低频信号去调制载频信号，形成载频信号的频率随低频信号的幅度变化而变化的移频信息，此时轨道电路上传递的是迎着列车运行的方向流动的移频信息。当列车占用1G时，1G发送设备发送到轨道电路的移频信息被车轮短路，1G接收设备接收不到移频信息1LJ↓、1UJ↓，表示有车占用，用这个条件控制1G通过信号机自动点亮红灯，并控制2G的发送设备自动向2G发送含有26HZ低频的移频信息，2G无车时接收端收到移频信息后2LJ↓、2UJ↑，用这个条件控制2G通过信号机自动点亮黄灯，并控制3G的发送设备自动向3G发送含有15HZ低频的移频信息，3G无车时接收端收到移频信息后3LJ↑、3UJ↓，用这个条件控制3G通过信号机自动点亮绿灯。运用在区间的轨道电路不仅起到监督列车是否占用线路，还负有传递信息的作用，轨道上的移频信息，除可控制地面通过信号机显示不同的灯光外，还能通过电磁感应的原理传递到机车上，去控制机车信号机复示地面信号的显示。运用自动闭塞设备，不需要人工办理闭塞手续，司机根据信号机的显示，控制列车以不同速度在各分区运行，在整个区间里同时有两趟以上的列车运行，既保证了列车在区间的行车安全，还大大地提高了区间的通过能力。有机械绝缘的轨道电路，在正常情况下，移频信息只在本轨道电路朝一个方向传递，不影响相邻轨道电路的工作。可是有机械绝缘的轨道电路，存在一些弊端：如有的绝缘节因电气传输距离的原因需把好端端的一根钢轨锯断后才能安装上，有的机械绝缘节会随着天气的变化和车辆的载重情况容易破损，相邻轨道电路的信息互相干扰，造成轨道电路工作不稳定。“九五”期间为了适应铁路提速需要，区间大量敷设长钢轨，要求发展无绝缘轨道电路。于是具有自主知识产权的新一代的自动闭塞设备如“九五”期间开发的ZP.W1-18型、WG-21A型等和“十五”期间开发的ZPW-2000A型、ZPW-2000R型等无绝缘自动闭塞设备分别在不同路局运用。这些无绝缘自动闭塞设备采用的是无绝缘轨道电路，它可以改进有机械绝缘的轨道电路可靠性不够高、抗干扰能力不够强等问题。2、无绝缘轨道电路所谓无绝缘轨道电路就是不用机械绝缘节来隔离轨道电路，而是用自然衰耗隔离方式又称叠加式或是用电气隔离方式这两类隔离轨道电路。ZP.W1-18型自动闭塞采用自然衰耗隔离轨道电路，ZPW-2000A型自动闭塞采用电气隔离轨道电路。如ZPW-2000A型无绝缘轨道电路：把两站之间的钢轨线路用电气绝缘隔离成若干段轨道电路如1G~3G，每段轨道电路包括主轨道电路和调谐区的小轨道电路两部分组成，电气绝缘节由调谐单元、空芯线圈SVA及29m米钢轨构成。相邻轨道电路采用不同的载频信号,每个电气绝缘节，两端各设一个调谐单元，对于较低载频频率的轨道电路端用F1调谐单元,对于较高载频频率的轨道电路端用F2调谐单元。如2G主轨道电路发送器发送的移频信息向线路左右两侧传输，左侧接收端的调谐单元对本区段载频产生谐振呈现高阻抗，接收器接收到电压幅度较高的移频信息。右侧小轨道电路对发送的移频信息由相邻轨道电路的接收器接收后处理，形成小轨道电路轨道继电器执行条件，通过XGJ、XGJH送至本轨道电路接收器，作为轨道继电器2GJ励磁吸起的必要检查条件之一，本区段接收器同时接收到主轨道电路移频信息和小轨道电路轨道继电器执行条件，判断无误后继电器吸起2GJ↑，并以此判断区段的空闲与占用。而相邻轨道电路的调谐单元对该载频失谐呈现低阻抗，可靠地短路左区段的移频信息，防止了越区传输，实现了相邻区段信号的电气绝缘。小轨道电路的引入，还解决了调谐区断轨检查问题，实现了轨道电路全程断轨检查，并缩短了调谐区分路死区段长度。无绝缘轨道电路同样起到监督列车是否的占用线路和传递移频信息的作用，比较三显示移频自动闭塞，ZPW-2000A型无绝缘移频自动闭塞等根据需要能产生18种低频信息，可满足区间通过信号机四显示的需要，还可满足列车运行超速防护的需要。ZPW-2000A型无绝缘自动闭塞采用的电气绝缘隔离轨道电路，具有可靠的分路保证、断轨检查、抗电气化牵引大电流干扰，传输特性好、安全度较高的特点，自2002年5月通过铁道部技术鉴定后，已确定今后用它统一我国铁路自动闭塞制式。截至到2005年底，全路共装有8528KM铁路线安装了ZPW-2000A型自动闭塞设备。二、区间轨道电路从有到无随着计算机技术、通信技术、自动控制技术和网络技术的发展，铁路信号技术也将由开环控制向闭环控制发展，由孤立分散的控制向网络化、区域化控制发展和由单一的信号向通信信号一体化发展。区间的闭塞设备又将向新的模式发展，将由固定闭塞向移动闭塞发展，所谓移动闭塞是“列车安全追踪简隔距离不预先设定，而随列车的移动不断移动并变化的闭塞方式”，它的特点是前、后两列车都采用移动式的定位方式。采用移动闭塞，线路上不需要地面通过信号机划分闭塞分区，也不需要用轨道电路来监督列车是否的占用线路和向列车传递信息来保证行车安全。移动闭塞制式列车的安全运行是由先进的列车运行控制系统来保证，这个系统是将先进的控制技术、通信技术、计算机技术与铁路信号技术溶为一体的行车指挥、控制、管理自动化系统、它是现代保障行车安全、提高运输效率的核心、也是标志一个国家轨道交通技术装备现代化水准的重要组成部分。如德国铁路早在60年代就开始研究用于最高行车速度200km/h的连续式列车运行自动控制系统（LZB），LZB系列是目前世界上典型的连续式列车速度控制系统之一，它最突出的特点之一就是不用轨道电路，而是利用铺设在钢轨之间的轨道电缆实现车--地之间的双向信息传输，实现对列车运行速度的控制。我国全长1142公里共45车站、其中38个为无人车站的青藏铁路，也是引进了美国的列车运行控制系统（ITCS），这个系统不用轨道电路、也不用铺设在钢轨之间的轨道电缆，而是利用无线通信（GSM-R）完成车--地间双向、实时和连续的信息传输和以全球定位系统（GPS）实现列车定位（误差在6米以内），控制运行速度，保证行车安全。运用列车运行自动控制系统，区间不再采用裸露在光天化日下的钢轨来传输信息的轨道电路，可以减少购置、安装设备的投资、减少因气候或人为而造成的电气故障的发生率、减少维修、维护的工作难度，还可减轻运输、信号工作人员的劳动强度等。我国铁路目前还没有自主设计、生产出像德国或美国铁路那种先进的完整的列车运行自动控制系统，但2003年10月铁道部参照ETCS（欧洲列车运行控制系统）编制了中国列车运行控制系统CTCS的技术规范总则（暂行）并制定了今后的发展规划。中国列车运行控制系统CTCS根据功能要求和设备配置划分为五个应用等级（即CTC0级~CTC4级），级别越高设备越先进，CTCS4级主要是面向高速新线或特殊线路、基于无线通信的移动闭塞、地面完全取消轨道电路，由无线闭塞中心RBC和车载验证系统共同完成列车定位和完整性检查的列车运行自动控制系统。目前，我国铁路正在完善CTCS2级列车运行自动控制系统的建设，将朝着CTCS4级的标准去建设，实现铁路现代化的目标。总之，区间从最初没有运用轨道电路的人工闭塞、半自动闭塞区间闭塞设备发展到运用了轨道电路的自动闭塞设备，又将发展到取消轨道电路运用的移动闭塞设备。区间轨道电路从无到有，又将从有到无的演进发展，说明我国铁路的建设步伐在不断地发展。特别是近十几年来，铁路信号设备改造的步伐越来越