基于机车信号在车综合检测系统和无线机车信号发码器测试机车信号设备电流灵敏度的可行性论证

黄玉祥

中国铁路武汉局集团有限公司电务部   430071

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一、机车信号灵敏度

机车信号设备的接收灵敏度分为电压灵敏度和电流灵敏度。

电压灵敏度指的是：为保证机车信号主机能够正常解码，外部提供的最低信号电压有效值。载频相同、主机软件相同时，电压灵敏度取决于机车信号主机的性能。

电流灵敏度指的是：为保证机车信号车载设备能够正常解码，钢轨提供的最低信号电流有效值。载频相同、主机软件相同时，电流灵敏度取决于机车信号主机性能、接收线圈性能、机车信号接收线圈的安装高度和连接电缆损耗。

由于机车信号主机电压灵敏度的影响因素只有主机性能本身，因此电压灵敏度的测试可以使用室内测试设备在机车信号主机上车前或者下车后进行室内测试；或者使用车上测试设备（在机车信号主机安装状态下进行现场测试。

而对于机车信号车载设备的电流灵敏度，假定机车信号主机的性能已经通过室内测试设备或者现场测试设备测试合格，并忽略正常情况下的连接电缆微小损耗，那么机车信号车载设备电流灵敏度的影响因素只有接收线圈性能和接收线圈的安装高度。所以，对于机车信号车载设备电流灵敏度的测试可以分为：

1）在接收线圈安装高度符合技术标准条件下，测试机车信号车载设备电流灵敏度是否合格。

2）在接收线圈安装高度不确定情况下，测试接收线圈安装高度和机车信号车载设备电流灵敏度，并根据事先验证的换算关系，判定机车信号车载设备电流灵敏度是否合格。

二、机车信号车载设备信号接收原理

    轨道电路信号交变电流在钢轨四周产生环状的交变电磁场，电磁场的分布与钢轨的形状有关。机车信号车载设备的两根接收线圈的四个绕组两两串联，感应钢轨中的交变电磁场产生交变感应电动势，并在串联绕组与主机板的负载电阻形成的闭合回路内产生交变感应电流，感应电流流经主机板负载电阻R，电阻两端的感应电压为V。

图2-1 机车信号车载设备接收原理

如图2-1，接收线圈下方钢轨中的电流为I，接收线圈的安装高度为H，

钢轨的外形/直径为D，主机的接收线圈负载电阻为R，则机车信号主机板接收到的信号电压V是I、H、D、R的函数，即V=f(I,H,D,R)。

三、机车信号车载设备电流灵敏度的测试

3.1环线导体为钢轨条件下的测试

使用与机车信号车载设备运用现场完全相同的钢轨来测试机车信号车载设备的电流灵敏度是最理想的测试方法，该方法参照《TB/T 3287-2013机车信号车载系统设备》第5.6的要求“钢轨两根，长度4 m，平直并排放置在地面，轨距1435 mm，在两钢轨一端用导线连接。接收线圈放置在距离测试钢轨导线连接端1.5 m处，接收线圈底面距钢轨轨面（155±5）mm，接收线圈底面中心在钢轨轨面垂直投影点，与钢轨轨面纵向中心线之间的距离不大于5mm。每组接收线圈并接4kΩ电阻器一只。”现场的测试布置应如图3-1所示。然后测试机车信号设备能够正常解码的最小钢轨电流，即为其电流灵敏度。

图3-1 环线导体为钢轨条件下的电流灵敏度测试方法

显而易见，如3.1所述的理想测试条件，不但测试环境布置困难，且测试效率很低，只适用于实验室条件下的测试，很难满足现场作业要求。在这个前提下，为测试现场机车信号设备的电流灵敏度，需要使用其它等效的测试方法，例如无线机车信号发码器模拟换线下的测试。

1）与环线导体为钢轨条件下的等效关系

无线机车信号发码器的外观与内部结构如图3-2所示，内部上侧为长条形发送线圈。使用时，无线机车信号发码器放置在钢轨上，并位于机车信号接收线圈下方，控制电路驱动发送线圈发送需求的轨道电路制式信号。

图3-2 无线机车信号发码器的外观与内部结构

如图3-3所示，无线机车信号发码器的电磁场分布与钢轨的磁场分布不同，但类似于软铜线的电磁场分布。如果在这种条件下测试电流灵敏度，则需要等效换算，即机车信号主机接收到的信号电压V=kf(I, H, D,R)，k为无线机车信号发码器与钢轨条件下的感应电压等效系数。

图3-3 环线导体为钢轨与无线发码器的电磁场分布对比

2）现场的布置需求

使用无线机车信号发码器布置环线可以等效的测试电流灵敏度，但为了减少等效误差，需保证如下布置措施。

由于无线机车信号发码器的电磁场分布位于发送线圈轴向中心线所在的垂直平面，所以为了减小测试误差，发码器的布置应如图3-4所示。

图3-4 无线机车信号发码器在钢轨上的纵向摆放位置

无线机车信号发码器的横向摆放需要位于接收线圈的中心线下方，否则将出现测试误差。无线机车信号发码器的外部软胶壳背部根据现场最多的60kg钢轨顶部外形做了设计，保障了无线发码器放在钢轨上时不左右位移、滑动，保证了测试准确性。如图3-5。

图3-5 无线机车信号发码器背部设计

图3-6 无线机车信号发码器激光测距

四、无线机车信号发码器条件下的测试可行性

由以上论述可见，使用无线机车信号发码器测试机车信号设备的电流灵敏度是一种等效测试，等效系数k需要事先在实验室验证。另外，无线机车信号发码器具有激光测距功能，测试误差校准后可达到±3mm，示意图如图3-6。因此实验室的等效系数验证分为两部分：

使用机车信号接收线圈标准试验工装，根据《TB/T 3287-2013机车信号车载系统设备》，使用性能良好的接收线圈和机车信号主机，接收线圈距轨面高度155mm模拟现场实际安装，钢轨中发送环线电流I1，测量机车信号主机接收到的信号电压为V1；停止钢轨中的环线电流，在接收线圈下方布置无线发码器，逐渐调整无线发码器的发送功率大小，并同步测量机车信号主机接收到的信号电压，当机车信号主机接收到的信号电压为V1时，记录此时无线发码器的发送功率P1，即可认为：如果无线发码器的发送功率为P1，等效于钢轨发送的环线电流I1，即：

I1→ V1← P1，得出P1→I1

以此类推，在155mm高度下，可以测得多个等效关系，P2→I2，P3→I3……，测量的间隔越小等效关系约近似。

钢轨发送固定的电流I，在140mm~170mm范围内逐渐调整接收安装高度H，并测量机车信号主机接收到的信号电压，得到一系列高度与接收电压的对应关系：H1→V1，H2→V2，H3→V3……

停止钢轨中的环线电流，在接收线圈下方布置无线发码器，根据步骤1）得到电流等效关系，无线发码器按照与环线电流I对应的功率P发送信号，并同步测量机车信号主机接收到的信号电压和安装高度，根据安装高度判断机车信号主机接收的信号电压是否在对应的误差范围内，以此来检测机车信号设备的电流灵敏度是否合格。

由以上论述可见，使用无线机车信号发码器测试机车信号设备的电流灵敏度完全可行。且该产品小巧、便携，现场易于布置，与机车信号在车综合检测系统结合后除可以进行机车信号的电流灵敏度测试外，还可以在线进行接收线圈安装高度、机车信号设备的输入输出电压、电压灵敏度、应变时间、接收线圈的电气性能，连接是否正确的综合测试。

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