薛紅巖

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安　710043)

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ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路補(bǔ)償方案研究

薛紅巖

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043)

在現(xiàn)場的應(yīng)用中，ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路在安全性和可靠性方面有著顯著優(yōu)勢，但其分路特性的改善是需要關(guān)注的問題。采用電平衰耗法的計(jì)算方法，對無補(bǔ)償電容、有補(bǔ)償電容和有最佳補(bǔ)償電容時(shí)的無絕緣軌道電路的分路特性進(jìn)行分析，并用Matlab軟件仿真得到軌面各點(diǎn)的分路靈敏度和分路殘壓比較結(jié)果。結(jié)果表明，補(bǔ)償電容對軌道電路的分路特性有明顯的改善作用，而找到最佳補(bǔ)償電容值對軌道電路進(jìn)行補(bǔ)償，不但能同時(shí)保證軌道電路全程可靠分路，并且降低了分路殘壓，使得無絕緣軌道電路的分路特性更穩(wěn)定。

無絕緣軌道電路；補(bǔ)償電容；分路特性；分路靈敏度

1　概述

ZPW-2000A型無絕緣軌道電路具有較高安全性，自2003年至今，在全路得到了全面運(yùn)用，技術(shù)成熟。由于裝設(shè)無絕緣軌道電路不切割鋼軌，面對越來越高的列車運(yùn)行速度，無絕緣成為軌道電路必須具備的條件，這是各國紛紛采用無絕緣軌道電路的主要原因。無絕緣移頻軌道電路雖然在目前應(yīng)用廣泛，但也并不是盡善盡美的，根據(jù)現(xiàn)場使用的情況，仍需對其做進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，才能適應(yīng)快速發(fā)展的高速鐵路的要求。其中補(bǔ)償電容的設(shè)置對無絕緣軌道電路的傳輸特性和分路特性的提高起到了非常大的作用，但現(xiàn)階段的工程設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用中，對無絕緣軌道電路補(bǔ)償電容的容值的大小都是固定在某幾個(gè)值上[1]，這其實(shí)限制了補(bǔ)償?shù)淖饔茫谀承┨厥鈵毫訔l件下，并沒有達(dá)到最佳的補(bǔ)償效果。本文通過對不加補(bǔ)償電容、加裝補(bǔ)償電容的現(xiàn)有方式對ZPW-2000A型無絕緣軌道電路分路特性影響的分析，提出尋求軌道電路的最佳補(bǔ)償方案的方法，并結(jié)合工程實(shí)際，驗(yàn)證其可行性。

2　無絕緣軌道電路分路狀態(tài)現(xiàn)狀的分析

2.1不加補(bǔ)償電容時(shí)軌道電路分路靈敏度的計(jì)算

分路狀態(tài)最不利條件下(道床電阻為無窮大時(shí))，在沒有加補(bǔ)償電容時(shí)，ZPW-2000A型無絕緣軌道電路的等效電路如圖1所示[2，3]。

圖1　無補(bǔ)償電容時(shí)軌道電路的等效電路

列車在軌面任意點(diǎn)分路時(shí)，軌道電路衰耗為

(1)

式中，P0為發(fā)送設(shè)備向電氣絕緣節(jié)調(diào)諧單元的右側(cè)軌道輸入的功率；PJ為接收設(shè)備輸出給電氣絕緣節(jié)調(diào)諧單元和負(fù)載的功率。

根據(jù)圖1所示的軌道電路等效電路圖，用接收端的電壓UJ、電流IJ表示發(fā)送端的輸入電壓U0、電流

(2)

(3)

當(dāng)列車在軌道電路終端(接收端)分路時(shí)，x=0，這時(shí)的軌道電路衰耗為

(4)

將式(2)、式(3)代入式(4)中，可得

b0=4.343×

(5)

當(dāng)列車在始端(發(fā)送端)分路時(shí)，x=l，這時(shí)的軌道電路衰耗為

(6))

(7))

式中，K為接收器的返還系數(shù)。所以，列車在軌道電路終端和始端可靠分路必須滿足衰耗條件式(8)或式

(8)

(9)

式中，bmax為軌道電路允許的最大衰耗量。由于極限分路靈敏度在軌道電路的兩端[4]，所以無補(bǔ)償軌道電路的極限分路靈敏度必然在始端或終端，將式(8)、式(9)兩個(gè)不等式取等號，使其變?yōu)榈仁?，再用?shù)值迭代法即可求得發(fā)送端和接收端的的分路靈敏度。

由此推理出，在軌道電路任意點(diǎn)分路必須滿足的條件是

(10)

假設(shè)在頻率為1 700 Hz、軌道長度1.5 km時(shí)，軌面各點(diǎn)的分路靈敏度通過上述計(jì)算得到如圖2所示的曲線。

圖2　無補(bǔ)償電容時(shí)軌面各點(diǎn)的分路靈敏度

圖2中坐標(biāo)原點(diǎn)為軌道電路終端。從圖2可以看出，無絕緣軌道電路在無補(bǔ)償?shù)那闆r下，最難分路的地方在兩端，而有較好分路特性的地方在中間，也就是說，不設(shè)補(bǔ)償電容的軌道電路的長度只能在中間分路性能較好的范圍內(nèi)取值，且軌面各點(diǎn)分路的難易程度相差較大，不利于調(diào)整。

2.2加裝補(bǔ)償電容時(shí)軌道電路分路靈敏度的計(jì)算

在有補(bǔ)償電容的無絕緣軌道電路分路特性的分析中，很難定量計(jì)算出其軌面各點(diǎn)的分路靈敏度大小，而采用電平衰耗的方法對其分路狀態(tài)分析較為簡便[5，6]。

有補(bǔ)償電容時(shí)，終端分路的軌道電路等效電路如圖3所示。

圖3　終端分路時(shí)軌道電路等效電路

有補(bǔ)償電容時(shí)，始端分路的軌道電路等效電路如圖4所示。

圖4　始端分路時(shí)軌道電路等效電路

要得到其分路衰耗，先要計(jì)算一個(gè)補(bǔ)償節(jié)的T型等效電路的衰耗。補(bǔ)償節(jié)T型等效電路如圖5所示。

圖5　T型等效電路

圖5所示的T型等效電路的四端網(wǎng)系數(shù)為

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

此四端網(wǎng)的特性阻抗記作ZT，ZT與四端網(wǎng)A參數(shù)之間的關(guān)系

(18)

列車在軌道電路上分路所引起的衰耗主要有兩種[2]：一種是分路衰耗，另一種是失配衰耗。

終端分路衰耗

(19)

終端與鋼軌的失配衰耗

(20)

始端分路衰耗

(21)

式中，UeS為ZeS的端電壓。

始端與鋼軌失配衰耗

(22)

要使接收端可靠分路，必須滿足衰耗條件[2]

(23)

發(fā)送端可靠分路，必須滿足的衰耗條件是[2]

(24)

同樣將上述兩式的大于等于號取等號，再用數(shù)值迭代法即可求得發(fā)送端和接收端的的分路靈敏度。

加了補(bǔ)償電容后，極限分路靈敏度的位置很難確定，所以不便用分路靈敏度的方法來表征其整個(gè)軌道電路的分路特性，而采用ZPW-2000A的標(biāo)準(zhǔn)分路電阻(0.15 Ω)對軌道電路任意點(diǎn)分路時(shí)的分路殘壓來表征其分路性能。

在隴海線天蘭段天水至南河川區(qū)間下行14019G區(qū)段，頻率為1 700 Hz、軌道長度1.3 km， 同等條件下對無補(bǔ)償情況和有補(bǔ)償情況的全程分路殘壓比較如圖6所示。

圖6　隴海線天水之南河川區(qū)間14019G有補(bǔ)償和無補(bǔ)償軌道電路全程的分路殘壓比較

圖6中坐標(biāo)原點(diǎn)為軌道電路始端；橫坐標(biāo)為軌道長度(m)，縱坐標(biāo)為分路殘壓(V)；向下凹的光滑曲線為無補(bǔ)償?shù)姆致窔垑海ɡ司€為有補(bǔ)償?shù)姆致窔垑?。從分路殘壓的角度可以看出，補(bǔ)償電容對軌道電路整體的分路靈敏度有很大的提高，但是補(bǔ)償電容的加入打亂了原本軌道電路軌面各點(diǎn)分路靈敏度有規(guī)律的排列，使得軌面上各點(diǎn)的分路靈敏度情況復(fù)雜化。

3　最佳補(bǔ)償方案的研究

為了穩(wěn)定軌道電路在不同地點(diǎn)的分路靈敏度，尋求最佳的補(bǔ)償效果，圖7中繪出了頻率為1 700、2 000、2 300、2 600 Hz時(shí)，軌道區(qū)段均勻補(bǔ)償時(shí)的最佳補(bǔ)償電容值與道床電阻的關(guān)系曲線。

從圖7可以看出：在同頻的軌道區(qū)段內(nèi)最佳補(bǔ)償電容值隨著道床電阻的增大而減??；在不同頻的軌道區(qū)段內(nèi)最佳補(bǔ)償電容值隨著信號頻率的增大而減小。當(dāng)軌道區(qū)段的信號頻率一定的時(shí)候，鋼軌的阻抗值是一個(gè)固定值，集中補(bǔ)償方式的最佳補(bǔ)償電容值與道床電阻成反比；而當(dāng)?shù)来搽娮柚狄欢?、不同軌道區(qū)段的信號頻率變化的時(shí)候，鋼軌的阻抗值會(huì)發(fā)生變化，鋼軌阻抗值隨著信號頻率的增大而增大，所以補(bǔ)償電容值隨信號頻率的增大而減小。

圖7　頻率不同的軌道電路中補(bǔ)償電容與道床電阻的關(guān)系

4　最佳補(bǔ)償電容值的確定

最佳補(bǔ)償電容值也就是使整個(gè)區(qū)段內(nèi)的補(bǔ)償電容等效為一個(gè)連續(xù)的均勻分布的補(bǔ)償電容時(shí)的電容值[7，8]。確定最佳補(bǔ)償方式的補(bǔ)償電容值，也就是要使整個(gè)軌道電路的特性阻抗趨近于純阻性，并使傳輸衰耗最小[9]。最佳補(bǔ)償電容值也就是使等效的連續(xù)電容補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的衰耗常數(shù)達(dá)到最小時(shí)的集中補(bǔ)償電容值，可以用數(shù)值迭代方法確定。

實(shí)際電容補(bǔ)償就是按照等間距設(shè)置補(bǔ)償電容[10，11]。電容集中補(bǔ)償?shù)能壍离娐返牡刃型四端網(wǎng)絡(luò)如圖8所示。

圖8　T型等效四端網(wǎng)絡(luò)

經(jīng)過一系列矩陣變換，可以計(jì)算出包括補(bǔ)償電容C0在內(nèi)的三個(gè)級聯(lián)的四端網(wǎng)合并而成的四端網(wǎng)絡(luò)的系數(shù)A、B、C、D

(25)

由此可以推出

(26)

理想的連續(xù)電容補(bǔ)償?shù)能壍离娐泛幸粋€(gè)補(bǔ)償電容的T型等效網(wǎng)絡(luò)的衰耗常數(shù)由式(26)確定[12-13]?？梢钥闯鲕壍离娐返乃ズ某?shù)β′隨著g模值的增加而增加。所以，只要求出g的最小模值就求出了最小的衰耗常數(shù)[14-15]。

(27)

同樣以上述隴海線天蘭段天水至南河川區(qū)間下行14019G區(qū)段為例，頻率為1 700 Hz、軌道長度1.3 km。經(jīng)過迭代運(yùn)算得到：在1 700 Hz區(qū)段的最佳集中補(bǔ)償電容值為50.4 μF，即在軌道區(qū)段的每100 m處并聯(lián)1個(gè)50.4 μF的補(bǔ)償電容。同等條件下全程分路殘壓比較如圖9所示。

圖9　隴海線天水至南河川區(qū)間14019G最佳補(bǔ)償、實(shí)際補(bǔ)償和無補(bǔ)償軌道電路全程的分路殘壓比較

圖9中比圖6中多的較為光滑的波浪線為最佳補(bǔ)償?shù)姆致窔垑??？梢钥闯觯罴蜒a(bǔ)償電容比實(shí)際1 700 Hz區(qū)段中固定容值的補(bǔ)償電容更能提高軌道電路的分路靈敏度，且軌面各點(diǎn)的分路靈敏度雖仍有起伏，但已改善了很多。

5　結(jié)語

不加補(bǔ)償電容的無絕緣軌道電路，在分路的情況下，軌面各點(diǎn)的分路靈敏度分布曲線呈開口向下的拋物線，其極限分路靈敏度在軌道電路的始端或終端。而加了補(bǔ)償電容的無絕緣軌道電路分路時(shí)，軌面各點(diǎn)的分路靈敏度情況變得沒有規(guī)律，極限分路靈敏度的位置亦不確定。對于ZPW-2000A的無絕緣軌道電路來說，加了補(bǔ)償電容使得在任意點(diǎn)分路時(shí)的分路殘壓分布在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，降低了始、終端附近的分路殘壓，改善了分路狀態(tài)。而更精確地找到軌道電路的最佳補(bǔ)償電容值，不但能同時(shí)保證軌道電路全程可靠分路，并且降低了分路殘壓，較現(xiàn)有的集中補(bǔ)償電容值所得到的軌道電路全程分路殘壓曲線更優(yōu)、分路性能更好。

本文是從等間距(100 m)設(shè)置補(bǔ)償電容的角度出發(fā)來研究其對ZPW-2000A型無絕緣軌道電路的分路特性的影響，下一步還應(yīng)從調(diào)整補(bǔ)償電容的間距(或?yàn)椴坏乳g距)的角度進(jìn)行研究，以便找到穩(wěn)定軌道電路分路靈敏度的方法。

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Research on Compensation Capacitance Scheme of ZPW-2000A Non-insulated Track Circuit

XUE Hong-yan

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

The field application shows the obvious advantages of ZPW-2000A non-insulated track circuit in security and reliability， but its shunt characteristic still needs to be improved. The shunt characteristics of the track circuit with and without compensation capacitor and with optimal compensation capacitor are analyzed and shunt sensitivity and shunt residual voltage of the track circuit at each track surface point are compared and simulated with MATLAB simulation software. The results show that the compensation capacitor improves remarkably the shunt characteristic of the track circuit and the best compensation capacitance can not only guarantee track circuit reliability but also reduce the shunt residual pressure， and make the shunt characteristic of the non-insulated track circuit more stable．

Non-insulated track circuit， Compensation capacitor; Shunt characteristics; Shunt sensitivity

2016-01-20；

2016-02-19

薛紅巖(1983—)，女，工程師，2009年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)交通信息工程及自動(dòng)化專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：xue_hy@163.com。

1004-2954(2016)08-0139-05

U284.2

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.029