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站內(nèi)軌道電路迂回電路模型分析及案例

2015-05-10 10:29楊世武劉家良李文濤
鐵道學(xué)報(bào) 2015年11期
關(guān)鍵詞:軌道電路接收端區(qū)段

楊世武, 劉家良, 李文濤, 趙 明, 劉 澤

(1. 北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 北京 100044; 2. 中國(guó)鐵路總公司 運(yùn)輸局電務(wù)部, 北京 100844)

隨著高速鐵路的發(fā)展,為了降低鋼軌電位和減小牽引電流對(duì)軌道電路的干擾,橫向連接線(xiàn)在區(qū)間和站內(nèi)得到廣泛使用。另一方面,橫向連接線(xiàn)的廣泛使用易形成“第三軌”迂回電路,對(duì)軌道電路構(gòu)成潛在威脅。當(dāng)軌道電路信號(hào)通過(guò)扼流變壓器中心連接點(diǎn)與鄰線(xiàn)鋼軌、接觸線(xiàn)、保護(hù)線(xiàn)和貫通地線(xiàn)以及正饋線(xiàn)等構(gòu)成迂回電路,可能導(dǎo)致所謂“第三軌效應(yīng)”:即雙軌條傳輸通道以外,還存在一條回線(xiàn)(迂回電路)溝通電路,當(dāng)軌道區(qū)段一根軌條斷軌后,依靠該迂回電路(假想“第三軌”)仍可傳輸信息[1]。如果該區(qū)段接收端電壓偏高,會(huì)使軌道電路失去斷軌檢查功能,在特定情況下,甚至保持軌道繼電器的勵(lì)磁吸起,對(duì)行車(chē)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。此前,對(duì)迂回電路的研究比較有限,且主要集中在站內(nèi)25 Hz相敏軌道電路。同時(shí),研究的結(jié)果僅僅考慮完全斷軌條件下迂回電路信號(hào)在軌道電路接收端的干擾,并未考慮電氣斷軌條件下,斷軌殘壓在接收端的干擾疊加[1-4]。關(guān)于國(guó)內(nèi)主流軌道電路ZPW-2000系列的研究主要沿用了法國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范,鮮有文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行深入研究和計(jì)算。因此,有必要對(duì)站內(nèi)一體化軌道電路迂回電路及相關(guān)的安全性進(jìn)行深入研究和定量評(píng)估。目前幾種迂回電路的存在形式可總結(jié)為[4-5]:

(1) 站內(nèi)或區(qū)間由扼流變壓器中心連接板或空心線(xiàn)圈中點(diǎn)、吸上線(xiàn)、牽引回流線(xiàn)構(gòu)成的迂回電路,見(jiàn)圖1。

(2) 站內(nèi)通過(guò)相鄰區(qū)段扼流變壓器中心連接板和兩端咽喉上、下行正線(xiàn)等電位線(xiàn)構(gòu)成的迂回電路,借助相鄰區(qū)段扼流變壓器中心連接板和上、下行正線(xiàn)一處等電位線(xiàn),另一咽喉區(qū)間的橫向連接線(xiàn)或上、下行區(qū)間空芯線(xiàn)圈連接貫通地線(xiàn)構(gòu)成的迂回電路,見(jiàn)圖2。

(3) 站內(nèi)或區(qū)間借助橫向連接線(xiàn)、貫通地線(xiàn)構(gòu)成多個(gè)迂回電路,見(jiàn)圖3。

各種橫向連接的使用平衡了牽引電流,有效降低了鋼軌電位,但是帶來(lái)的問(wèn)題也不容忽視。尤其是影響列車(chē)安全可靠運(yùn)行的信號(hào)系統(tǒng)存在安全隱患。因此,有必要將鐵路系統(tǒng)作為整體考慮,對(duì)迂回電路形成的因素進(jìn)行分析計(jì)算,在此基礎(chǔ)上,對(duì)牽引供電系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃,建立更加完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。

1 迂回電路等效電路和模型

不失一般性,這里選取一種基本的迂回電路模型進(jìn)行研究,其簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。當(dāng)軌道電路區(qū)段1發(fā)生斷軌時(shí),信號(hào)會(huì)通過(guò)橫向連接線(xiàn)與鄰線(xiàn)鋼軌形成迂回電路形成“第三軌效應(yīng)”,對(duì)區(qū)段1接收端的接收電壓產(chǎn)生影響,有可能使軌道電路失去斷軌檢查功能。

迂回電路等效電路見(jiàn)圖5。其中,Z11和Z22表示本區(qū)段和相鄰區(qū)段完全橫向連接中扼流變壓器中點(diǎn)和大地的輸入阻抗,U1、I1為此軌道電路區(qū)段的輸入電壓電流,U2、I2為此軌道電路區(qū)段的輸出電壓電流,I4為“第三軌”中的等效電流。區(qū)段1軌道電路的長(zhǎng)度用L表示,迂回電路的等效長(zhǎng)度用L+2L3表示。其中U1A、U2A、U1B、U2B、U3A、U3B、U4A、U4B分別為迂回電路等效導(dǎo)線(xiàn)的對(duì)地電壓。根據(jù)模型電氣關(guān)系用微分方程描述等效電路,經(jīng)過(guò)計(jì)算得出此軌道電路的四端網(wǎng)絡(luò)。(除非特別說(shuō)明,本文電壓、電流和電阻單位均采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)量綱)

在區(qū)段1軌道電路中,信號(hào)沿鋼軌的變化規(guī)律可根據(jù)四端網(wǎng)原理推算[6-8]。軌道電路可等效為具有均勻分布參數(shù)的四端網(wǎng)絡(luò)電路,對(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)的均勻傳輸線(xiàn),其一次參數(shù)和二次參數(shù)是固定的,可推知其四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度L有關(guān)。其四端網(wǎng)絡(luò)A為

A=A(L)=

( 1 )

如果在輸出端接有負(fù)載ZZ,則四端網(wǎng)絡(luò)的輸出電流為

( 2 )

并可得輸入阻抗為

( 3 )

由此可求出Is。

斷軌時(shí),軌道電路等效四端口網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖6,鋼軌折斷相當(dāng)于在斷軌點(diǎn)介入了一個(gè)等效阻抗Ze。

根據(jù)文獻(xiàn)軌道電路的分析與綜合[9],等效阻抗Ze參考值為

(有扼流變壓器)

Ze=2·E·ZB·

(無(wú)扼流變壓器)

( 4 )

式中:E為大地常數(shù);p為表面導(dǎo)電系數(shù)。四端網(wǎng)N1和N2分別代表斷軌點(diǎn)左端和右端的鋼軌線(xiàn)路區(qū)段L1和L2。N1、N2、Ne系數(shù)矩陣連乘可得到整個(gè)鋼軌線(xiàn)路在斷軌時(shí)的四端網(wǎng)系數(shù)。

在迂回電路中,電壓電流按照下式變化[9]。

( 5 )

式中:B1、B2為積分常數(shù),根據(jù)軌道電路的邊界條件求得。依照?qǐng)D5,可得其邊界條件(6)~(9)。

X=0時(shí)

( 6 )

X=L2時(shí)

( 7 )

X=L3時(shí)

( 8 )

X=L+2L3時(shí)

( 9 )

在軌道電路區(qū)段1中,雖然有一條鋼軌發(fā)生斷路,但由于對(duì)地漏泄電流的存在,每一微分段中的兩條鋼軌中的電流仍然是大小相等方向相反的,因此軌道電路區(qū)段1中的鋼軌阻抗Z與單軌條鋼軌阻抗Z1和互感阻抗Zm關(guān)系為:Z=2(Z1-Zm)。

在斷軌條件下,鄰線(xiàn)鋼軌構(gòu)成了軌道區(qū)段1的信號(hào)迂回電路。其中每一微分段的兩條鋼軌的電流大小和方向都是相同的,因此這3個(gè)區(qū)段中的鋼軌并聯(lián)阻抗為0.5(Z1+Zm)。

因此,利用以上公式,根據(jù)軌道電路斷軌條件下通過(guò)鄰線(xiàn)鋼軌形成迂回電路的邊界條件求得四端網(wǎng)系數(shù)表達(dá)式

(10)

其中

k1=coshγ1(L+2·L3)+2·coshγ1L3·sinhγ1(L+L3)

k2=sinhγ1(L+2·L3)+2·sinhγ1L3·sinhγ1(L+L3)

k3=sinhγ1(L+2·L3)+2·coshγ1L3·coshγ1(L+L3)

k4=coshγ1(L+2·L3)+2·sinhγ1L3·coshγ1(L+L3)

k5=sinhγ1L1+2·coshγ1L1

k6=k1·coshγ1L2+k2·sinhγ1L2

k7=k3·coshγ1L2+k4·sinhγ1L2

L=L1+L2

式中:γ1為接地系統(tǒng)的傳播常數(shù);γ為鋼軌線(xiàn)路中的傳播常數(shù);Zm為鋼軌線(xiàn)路互感引起的阻抗;ZB為鋼軌線(xiàn)路的特性阻抗。

根據(jù)方程(10)可以得到通過(guò)迂回電路的接收端電壓和電流

(11)

圖6中的軌道電路終端扼流變壓器的等效模型見(jiàn)圖7。

圖7中I1為一次側(cè)電流,IΦ為激磁電流,I2為二次側(cè)折算到一次側(cè)的電流。Ic為損耗電流,Im為磁化電流。扼流變壓器由于鐵芯開(kāi)氣隙較大,在工作狀態(tài)中不會(huì)達(dá)到飽和,所以本論文建立的模型為假設(shè)工作在線(xiàn)性區(qū)段時(shí)的模型,即Lm和Rm為常數(shù)。當(dāng)扼流變壓器工作在2~3 V的正常工作電壓下時(shí)鐵耗等效電阻Rm取值約50 Ω,勵(lì)磁電感Lm取值約2.5 mH[5];由于線(xiàn)圈漏阻R1、R2和漏感L1、L2遠(yuǎn)小于Rm和Lm,忽略不計(jì)。

這里,股道間的橫向連接線(xiàn)采用70 mm2銅線(xiàn)規(guī)格,銅線(xiàn)的體積電阻率不大于0.017 241 Ω·mm2/m[4],故橫向連接等效阻抗約為0.246 3 Ω/m。

2 斷軌條件下軌道電路接收信號(hào)仿真計(jì)算和分析

斷軌類(lèi)型分為完全斷軌與電氣斷軌。完全斷軌時(shí),發(fā)送端信號(hào)僅通過(guò)迂回電路傳輸?shù)杰壍澜邮斩诵纬筛蓴_;而電氣斷軌時(shí)一部分信號(hào)仍通過(guò)斷軌點(diǎn)傳輸?shù)浇邮斩硕罅髯儔浩髋c迂回電路信號(hào)疊加對(duì)接收端造成干擾(本文所指的接收端指軌道電路接收端衰耗盒輸入端)。根據(jù)圖5結(jié)構(gòu)模型,軌道電路長(zhǎng)度L,迂回電路長(zhǎng)度Lyh和橫向連接線(xiàn)間距Lh關(guān)系為;L+Lyh=2Lh。

2.1 完全斷軌條件下軌道電路接收信號(hào)分析

站內(nèi)ZPW-2000軌道電路一般不超過(guò)650 m,完全橫向連接間距大于1 200 m,特殊情況不小于1 000 m[11]。取一段400 m長(zhǎng)ZPW-2000 A型軌道電路為例,設(shè)斷軌位置為軌道區(qū)段的中點(diǎn),模擬電纜10 km。參照文獻(xiàn)[12],考慮最不利條件下,即發(fā)送電源最大、道砟電阻分別取最小Rd=0.6 Ω·km最大Rd=∞情況下,接收端限入殘壓應(yīng)Uj不大于140 mV。利用MATLAB平臺(tái),仿真計(jì)算完全斷軌條件下,不同載頻、道砟電阻、迂回長(zhǎng)度以及斷軌阻抗等因素與接收端干擾信號(hào)關(guān)系。

道砟電阻Rd=0.6 Ω·km仿真斷軌時(shí)不同載頻條件下,迂回電路長(zhǎng)度與接收端限入殘壓關(guān)系見(jiàn)圖8。

由圖8可知,迂回電路越短,軌道接收端干擾越大;高頻信號(hào)隨迂回電路的長(zhǎng)度增加衰減較大,而信號(hào)頻率越低,迂回電路對(duì)軌道接收端干擾越大;信號(hào)載頻1 700 Hz,道砟電阻Rd=0.6 Ω·km條件下,迂回電路大于700 m,橫連間距大于550 m時(shí),接收端干擾信號(hào)小于140 mV。以載頻1 700 Hz信號(hào)為例,針對(duì)迂回電路長(zhǎng)度和道砟電阻進(jìn)行仿真見(jiàn)圖9。

由圖9可知,道砟電阻值較低時(shí),道砟電阻微弱變化都會(huì)引起軌道電路接收端干擾產(chǎn)生較大變化。而道砟電阻較高且趨向于無(wú)窮大時(shí),迂回干擾曲線(xiàn)變化較小。400 m軌道電路在道砟電阻無(wú)限大時(shí),迂回電路在1 540 m以上,橫連間距970 m以上時(shí),接收端限入殘壓小于140 mV。若道砟電阻任意選擇,要求其迂回長(zhǎng)度在2 700 m以上,橫向連接間距大于1 550 m時(shí),才能保證干擾不會(huì)引起繼電器誤動(dòng)。

道砟電阻Rd=∞、軌道電路長(zhǎng)度L分別取100、400、700、1 000 m時(shí),軌道電路接收端疊加干擾信號(hào)大小仿真見(jiàn)圖10。

由圖10可知道砟電阻Rd=∞時(shí),軌道電路越短,疊加在接收端的干擾信號(hào)越大。100 m軌道電路最小迂回電路為1 610 m,1 000 m軌道電路最小迂回電路為1 410 m。

2.2 電氣斷軌條件下軌道電路接收信號(hào)分析

下面分析斷軌阻抗對(duì)迂回電路影響,以1 700 Hz載頻400 m軌道電路為例,道砟電阻分別取Rd=0.6 Ω·km和Rd=∞,斷軌阻抗取值根據(jù)式( 4 )計(jì)算得到。迂回干擾疊加斷軌殘壓后,共同作用于接收端如圖11、圖12。

由圖11(a)可知道砟電阻Rd=0.6 Ω·km時(shí),斷軌殘壓是主要的干擾源,基本恒定為130 mV,與迂回干擾疊加作用于接收端。迂回電路大于2 550 m,橫連間距1 500 m以上時(shí),疊加干擾信號(hào)小于140 mV。

由圖11(b)可知道砟電阻Rd=∞時(shí),迂回干擾是主要的干擾源;斷軌殘壓基本恒定為10 mV,與迂回干擾疊加對(duì)接收端形成干擾。迂回電路大于1 700 m,橫連間距1 050 m以上時(shí),疊加干擾信號(hào)小于140 mV。

比較圖11(a)、11(b)可知,斷軌殘壓與迂回干擾都與道砟電阻有關(guān),二者隨道砟電阻變化此消彼長(zhǎng)。

針對(duì)道砟電阻對(duì)接收端干擾的影響,選取電氣斷軌條件下道砟電阻、迂回電路長(zhǎng)度為參數(shù),接收端殘壓關(guān)系仿真見(jiàn)圖12。

由圖12可知,在道砟電阻較小時(shí),斷軌限入殘壓與迂回干擾疊加后對(duì)接收端干擾較大,超過(guò)140 mV,無(wú)法保證斷軌檢查。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)迂回電路干擾因素仿真與計(jì)算可得基本結(jié)論:信號(hào)載頻越低、斷軌阻抗越小、軌道電路越短以及迂回電路越短,造成的迂回疊加干擾越大。站內(nèi)400 m軌道電路完全斷軌時(shí),要求迂回電路大于2 700 m,橫連大于1 550 m才能保證安全;電氣斷軌條件下,在道砟電阻較小時(shí)斷軌限入殘壓比較高,與迂回干擾疊加后對(duì)接收端干擾較大,難以保證做到斷軌檢查。

本文建立了斷軌時(shí)軌道電路仿真模型,仿真分析斷軌狀態(tài)影響軌道電路接收端工作電壓的因素,為軌道電路設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)與故障診斷提供了參考依據(jù)。

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