姚向明

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100073）

數(shù)字無(wú)絕緣軌道電路調(diào)諧單元的諧振分析

姚向明

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100073）

介紹數(shù)字無(wú)絕緣軌道電路S型電氣絕緣節(jié)的工作原理，并對(duì)調(diào)諧單元進(jìn)行頻率特性和特性阻抗的分析。說(shuō)明數(shù)字無(wú)絕緣軌道電路的調(diào)諧單元具有良好的選頻特性，并分析改變調(diào)諧單元電氣參數(shù)所造成的影響。

數(shù)字無(wú)絕緣軌道電路；調(diào)諧單元；頻率特性；特性阻抗

1 研究背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，城市人口迅速增加，發(fā)展速度快、運(yùn)量大的城市軌道交通很自然的成了許多城市解決公共交通客運(yùn)問(wèn)題的首選方案，它安全、迅速、舒適、便利地在城市范圍內(nèi)運(yùn)送乘客，最大限度地滿(mǎn)足市民出行的需要。軌道電路作為城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的一種模式，對(duì)保障列車(chē)的運(yùn)行安全、提高列車(chē)運(yùn)行效率起著非常重要的作用。

數(shù)字編碼制式的無(wú)絕緣軌道電路為電氣隔離式軌道電路，同一個(gè)信號(hào)點(diǎn)為相鄰兩個(gè)軌道區(qū)段的分隔點(diǎn)，采用調(diào)諧單元構(gòu)成電氣隔離，是近年來(lái)城市軌道交通軌道電路的主要形式之一。其技術(shù)先進(jìn)，通用性強(qiáng)，電路的集成度高，軟件處理能力強(qiáng)。本文以國(guó)產(chǎn)化試驗(yàn)型數(shù)字軌道電路為研究背景，在長(zhǎng)春輕軌現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)配置的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)軌道電路調(diào)諧單元進(jìn)行分析，為合理配置傳輸通道中器材參數(shù)提供依據(jù)，并為數(shù)軌的最大有效傳輸提供理論基礎(chǔ)。

2 電氣絕緣節(jié)的工作原理

在無(wú)絕緣軌道電路中，電氣絕緣節(jié)有多種形式。其中，常用的主要有兩種：S型絕緣節(jié)和UM71絕緣節(jié)。前者主要用在地鐵、輕軌線(xiàn)路上，后者更多地被用在大鐵線(xiàn)路上。S型電氣絕緣節(jié)（簡(jiǎn)稱(chēng)S棒）的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 S棒的等效電路

S棒由兩段鋼軌和一條S型（多股銅絞線(xiàn)）連接線(xiàn)構(gòu)成。圖1中，支路1、2，9、10各為一段鋼軌，支路3、4、5，6、7、8各為S型連接線(xiàn)的一部分，支路0、15分別表示本區(qū)段和鄰區(qū)段軌道四端網(wǎng)的輸入阻抗，支路11、12，13、14分別為調(diào)諧單元到S棒的引線(xiàn)，C16、C18為調(diào)諧電容。

S棒發(fā)送端調(diào)諧槽路主要由支路6、7、8、9、13、14的電感和支路18的電容C18構(gòu)成。支路0的兩端是本區(qū)段輸出，支路15的兩端是鄰區(qū)段輸出。當(dāng)發(fā)送調(diào)諧槽路處于并聯(lián)諧振時(shí)，S棒的輸入阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)送器電源的內(nèi)阻以及信號(hào)傳輸電纜的阻抗，從而使發(fā)送器輸出的功率主要加在S棒上，保證本區(qū)段有較高的信號(hào)傳輸比。由于鋼軌支路1和S棒支路7緊密接觸鋪設(shè)，兩支路存在互感，使鄰區(qū)段輸出降低，保證S棒發(fā)送端有很好的隔離性能。

S棒接收端調(diào)諧槽路主要由支路2、3、4、5、11、12的電感及支路16的電容C16構(gòu)成。同一區(qū)段內(nèi)接收端、發(fā)送端調(diào)諧槽路的參數(shù)相同。當(dāng)接收調(diào)諧槽路處于諧振時(shí)，接收端有較高的輸入阻抗，保證信號(hào)的高效接收。同理，由于鋼軌支路10和S棒支路4緊密接觸鋪設(shè)，兩支路同樣存在互感，使接收端鄰區(qū)段輸出電壓降低，保證S棒接收端有很好的隔離性能。

由于引線(xiàn)11和引線(xiàn)12緊密捆綁在一起，兩者間的互感應(yīng)予考慮，互感會(huì)減少引線(xiàn)對(duì)調(diào)諧槽路的影響。同樣也要考慮引線(xiàn)13和引線(xiàn)14的互感。

3 調(diào)諧單元的諧振分析

調(diào)諧單元結(jié)構(gòu)和等效電路如圖2、圖3所示。對(duì)圖3進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖4所示。

圖2 調(diào)諧單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 調(diào)諧單元等效電路圖

圖4 簡(jiǎn)化電路圖

3.1 頻率特性分析

圖3電路發(fā)生并聯(lián)諧振，因此

可得，諧振頻率：

圖4中，由等效變換可得

圖4中的并聯(lián)諧振槽路的頻率特性如下：

根據(jù)上述理論公式，用matlab工具對(duì)相鄰軌道電路中心頻率分別為11.5 kHz和13.5 kHz的調(diào)諧單元頻率特性進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果如圖5所示。

數(shù)字無(wú)絕緣軌道電路正線(xiàn)軌道電路頻率配置為 9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5 kHz，頻率相差1 kHz。從圖5可以看出，頻率為11.5 kHz和13.5 kHz的相鄰軌道電路調(diào)諧單元的帶寬Bw分別為0.85 kHz和0.859 kHz，均小于1 kHz，說(shuō)明該軌道電路的調(diào)諧單元具有良好的選頻特性和電氣絕緣性能。

3.2 特性阻抗分析

本文以本區(qū)段頻率為9.5 kHz為例，由實(shí)驗(yàn)所測(cè)各部分參數(shù)數(shù)據(jù)帶入matlab程序中，分析結(jié)果如圖6所示。

在現(xiàn)場(chǎng)中，調(diào)諧單元與S棒間距離并非絕對(duì)相同，若調(diào)諧單元與S棒相距較遠(yuǎn)，鋼軌接續(xù)線(xiàn)較長(zhǎng)，相應(yīng)的R1與L發(fā)生變化。在頻率較大時(shí)，感抗的影響比電阻的影響更大。等效電路如圖7所示。

圖5 調(diào)諧單元頻率特性（鄰線(xiàn)頻率分別為11.5 kHz和13.5 kHz）

圖6 阻抗-頻率變化曲線(xiàn)圖

圖7 延長(zhǎng)鋼軌接續(xù)線(xiàn)等效電路圖

此處在L處再串聯(lián)一個(gè)小電感L1為1 μH模擬該情形，用matlab進(jìn)行分析，阻抗隨頻率的變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 延長(zhǎng)鋼軌接續(xù)線(xiàn)阻抗-頻率變化曲線(xiàn)圖

圖8與圖6比較可知，諧振點(diǎn)由9.5 kHz變?yōu)?.2 kHz。

在采用新調(diào)諧單元中，工藝發(fā)生變化，加長(zhǎng)了調(diào)諧電容的引線(xiàn)長(zhǎng)度。相應(yīng)的R2發(fā)生變化，并有感抗出現(xiàn)。在頻率較大時(shí)，感抗的影響比電阻的影響更大。等效電路如圖9所示。

圖9 延長(zhǎng)電容引線(xiàn)等效電路圖

此處在C的分支再串聯(lián)一個(gè)小電感L2為1μH模擬該情形，用matlab進(jìn)行分析，阻抗隨頻率的變化規(guī)律如圖10所示。

從圖10可知，諧振點(diǎn)為9.2 kHz，與加長(zhǎng)引接線(xiàn)長(zhǎng)度對(duì)調(diào)諧單元的阻抗影響類(lèi)似。

圖1O 延長(zhǎng)電容引線(xiàn)阻抗-頻率變化曲線(xiàn)圖

由此可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝和工藝變化可能造成調(diào)諧單元的諧振點(diǎn)發(fā)生變化，因此現(xiàn)場(chǎng)安裝情況改變預(yù)期時(shí)，必須進(jìn)行分析驗(yàn)證，必要時(shí)重新設(shè)置電氣參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)數(shù)字無(wú)絕緣軌道電路的軌旁調(diào)諧單元的頻率特性和特性阻抗進(jìn)行分析，可以看出，數(shù)字無(wú)絕緣軌道電路具有較好的絕緣特性，相鄰軌道區(qū)段相互影響較??；調(diào)諧單元的各部分參數(shù)變化均會(huì)對(duì)諧振產(chǎn)生影響。本文為調(diào)諧單元的諧振分析提供一種方法，對(duì)軌道電路的分析及指導(dǎo)軌道電路的調(diào)整具有現(xiàn)實(shí)意義。

［1］鄒雷濱，李曉月，王厲珘.數(shù)字編碼制式無(wú)絕緣軌道電路調(diào)諧單元探析［J］.城市軌道交通研究，2006，9（5）：43-45.

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The paper introduces the principle of S-shaped electrical insulated joints in digital jointless track circuit， and analyzes the frequency characteristics and characteristic impedance of the tuning unit. It explains good frequency selecting characteristics of the tuning unit， and illustrates the impact of changing electrical parameters of the tuning unit.

digital jointless track circuit； tuning unit； frequency characteristics； characteristic impedance

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.06.026

2013-02-04）