胡飛龍 賈 姣

（通號（北京）軌道工業(yè)集團有限公司軌道交通技術(shù)研究院，上海 200436）

1 調(diào)諧單元的由來

在ZPW-2000A型無絕緣移頻閉塞系統(tǒng)中，對于相鄰軌道的信號隔離，不再通過機械的方式來實現(xiàn)電氣絕緣，而是在相鄰軌道之間引入一些特殊的電路，能在一定的條件下將兩個相鄰的區(qū)段進行電氣隔離，從而保證本區(qū)段信號的有效傳輸，并阻止相鄰區(qū)段的信號通過鋼軌串入本區(qū)段。將實現(xiàn)兩個相鄰軌道之間的電氣隔離電路稱為調(diào)諧電路，將調(diào)諧電路構(gòu)成的設(shè)備稱為“調(diào)諧單元”。

2 調(diào)諧單元的設(shè)計原理

調(diào)諧單元的設(shè)計原理是基于諧振電路。串聯(lián)諧振電路在其諧振頻率工作時，電路中總阻抗呈最小值。充分利用這一特性，實現(xiàn)諧振頻率信號在相鄰區(qū)段的入口處被短路衰減，阻止其串入到相鄰區(qū)段。

同理，并聯(lián)諧振電路在其諧振頻率工作時，電路中總阻抗值呈最大值。當信號加載到諧振電路時，鋼軌因與其并聯(lián)獲得需要傳輸?shù)男盘?，從而實現(xiàn)本區(qū)段的信號保真?zhèn)鬏敗?/p>

然而，在ZPW-2000A型無絕緣移頻閉塞系統(tǒng)中并不是簡單的使用諧振電路，而是在此基礎(chǔ)上進行深入的再開發(fā)，其設(shè)計原理相對較為復(fù)雜。

2.1 工程設(shè)計及現(xiàn)場需求

根據(jù)工程設(shè)計可知，區(qū)段A和區(qū)段B為相鄰的區(qū)段，需在其分界處如圖1所示，進行絕緣處理，使各自的移頻信號能在本區(qū)段有效的傳輸，且不會串入相鄰的區(qū)段，造成干擾。

圖1 電氣絕緣節(jié)的工程示意圖Fig.1 Sketch diagram of electrical insulated joints

由ZPW-2000A系統(tǒng)載頻使用原則可知，A區(qū)段和B區(qū)段在載頻選擇上，同時為一組上行載頻或者一組下行載頻，即一個為F1型頻率，一個為F2型頻率，如表1所示。

表1 ZPW-2000A系統(tǒng)載頻對照表Tab.1 Comparison table of ZPW-2000A system carrier frequency

2.2 設(shè)計構(gòu)想

基于現(xiàn)場的使用環(huán)境，A區(qū)段可能采用F1型或者F2型載頻頻率，相對應(yīng)B區(qū)段應(yīng)該采用F2型或者F1型載頻頻率。如圖2所示。

圖2 相鄰區(qū)段載頻頻率選擇示意圖Fig.2 Sketch diagram of carrier frequency selection of adjacent tracks

將設(shè)計需求和頻率選擇示意圖結(jié)合后，可知要實現(xiàn)兩個區(qū)段的電氣絕緣，只需滿足：對于兩種不同頻率的信號，在相鄰軌道的分界點處能實現(xiàn)一路信號被短路衰減，一路信號可以繼續(xù)沿著鋼軌向前傳輸。

將需求轉(zhuǎn)化為：在同一絕緣點處對于兩種不同頻率的信號能呈現(xiàn)出兩種不同的阻抗要求。

2.3 設(shè)計實現(xiàn)

引入諧振電路去解決電氣絕緣，是基于諧振電路對不同頻率的信號表現(xiàn)出不同的阻抗值，利用阻抗變化，找到其阻抗的零點和極點，從而實現(xiàn)信號的有效控制。

為了阻止將相鄰區(qū)段的信號傳輸?shù)奖緟^(qū)段，在本區(qū)段的入口處設(shè)置一個相鄰區(qū)段信號可產(chǎn)生串聯(lián)諧振的串聯(lián)諧振電路。當相鄰區(qū)段的信號傳輸?shù)奖緟^(qū)段入口處時，諧振電路會產(chǎn)生諧振，且當其諧振阻抗值非常小時，相鄰區(qū)段的信號就被隔離在本區(qū)段的外面，從而實現(xiàn)電氣絕緣的功能，如圖3所示。

A區(qū)段為F1型，B區(qū)段為F2型。且L1、C1和R1構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路對F2型信號呈串聯(lián)諧振，L2、C2和R2構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路對F1型信號呈串聯(lián)諧振。

對于A區(qū)段，本區(qū)段信號送入鋼軌后，傳輸?shù)紸區(qū)段的末端，B區(qū)段的起始處時，此時L2、C2和R2構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路，出現(xiàn)諧振，將A區(qū)段的F1型信號在此處短路衰減掉。A區(qū)段信號沿著另外一個方向傳輸?shù)紸區(qū)段的起始處時，同理會遇到L2、C2和R2構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路，將其短路衰減。

對于B區(qū)段，信號在接入點送入鋼軌。傳輸?shù)紸區(qū)段結(jié)尾處和C區(qū)段入口處時，遇L1、C1和R1構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路，出現(xiàn)諧振。將其在此處短路衰減，阻止其沿著鋼軌繼續(xù)傳輸。

綜上所述：通過在相鄰區(qū)段的兩端引入串聯(lián)諧振電路，阻隔相鄰區(qū)段的信號經(jīng)鋼軌傳輸?shù)奖緟^(qū)段。

電氣絕緣節(jié)的設(shè)計不僅能阻隔相鄰區(qū)段的信號相互串擾，還需保證信號在本區(qū)段的鋼軌上有效的傳輸。鑒于在相鄰軌道信號串擾的電氣隔離設(shè)計采用串聯(lián)諧振電路，且考慮到并聯(lián)諧振電路在其諧振頻率時，電路中的阻抗值存在最大值。故此，在保證本區(qū)段信號傳輸?shù)碾娐吩O(shè)計中可以借助并聯(lián)諧振電路的特性，當諧振電路在諧振頻率時呈現(xiàn)出阻抗最大值，那么將軌道作為一個負載并聯(lián)在兩段時，可使信號沿著鋼軌向前傳輸。結(jié)合前面的設(shè)計，在此基礎(chǔ)上進一步延伸，使得電氣絕緣節(jié)的設(shè)計能滿足上述的兩個功能。

由L1、C1構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路：

由L2、C2構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路：

由此可知：L1和C1構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路，要構(gòu)成并聯(lián)諧振需要并聯(lián)一個電感，電感值大小需根據(jù)實際的使用環(huán)境進行計算。L2和C2構(gòu)成的串聯(lián)諧振對F2型頻率信號呈感性，那么要構(gòu)成并聯(lián)諧振，需給其并聯(lián)一個電容，同樣，電容的容值大小需要根據(jù)實際使用環(huán)境進行計算。

基于上述分析，再次對電氣絕緣節(jié)原理進一步調(diào)整后，如圖4所示。

在完成總體原理架構(gòu)設(shè)計時，其工作原理如下。

對于A區(qū)段： F1型移頻信號加載到由L1、C1和R1并構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路上，電路諧振，阻抗值約為2 Ω，使得信號被加載到一個2 Ω的電阻上，信號沿著A區(qū)段的鋼軌向前傳輸。當傳輸完本區(qū)段時，到達上一個區(qū)段的電氣絕緣節(jié)，此時由L2、C2構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生諧振，阻抗值約為10 mΩ，將A區(qū)段的信號短路衰減，使其不能繼續(xù)向前傳輸。當其沿著另一個方向，即順著列車運行方向傳輸時，到達B區(qū)段入口處的L2、C2串聯(lián)諧振電路時，電路出現(xiàn)諧振，諧振電路的總阻抗約為10 mΩ，信號在此處被短路衰減，阻止其沿著鋼軌進入B區(qū)段。由此可知，通過設(shè)置調(diào)諧電路，使信號只能在本區(qū)段進行傳輸，不能越過電氣絕緣節(jié)傳向相鄰的區(qū)段。

圖4 再次設(shè)計后的電氣絕緣節(jié)示意圖Fig.4 Re-designed electrical insulated joints

同理，對于B區(qū)段：本區(qū)段的F2型移頻信號通過由L2、C2和C2并構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路接入軌道，此時該并聯(lián)諧振電路出現(xiàn)諧振，電路總阻抗值約為2 Ω，B區(qū)段的軌道通過并聯(lián)方式引入信號，傳輸至A區(qū)段時，由L1、C1構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路，出現(xiàn)諧振，信號在此處被短路衰減掉。當B區(qū)段的信號沿著列車運行方向繼續(xù)傳輸時，到達C區(qū)段由L1、C1構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，產(chǎn)生諧振。使得B區(qū)段的信號在此處被短路衰減掉。這樣B區(qū)段的信號也實現(xiàn)在本區(qū)段的保真?zhèn)鬏?，并阻止其串入A區(qū)段和C區(qū)段。

通過對上述原理分析可知，本電路結(jié)構(gòu)設(shè)計在原理上已經(jīng)實現(xiàn)電氣絕緣的兩個功能需求。但在ZPW-2000A系統(tǒng)應(yīng)用時，還需要考慮鋼軌的特性和使用環(huán)境以及設(shè)備集成等因素。

3 調(diào)諧單元的應(yīng)用

鋼軌在列車牽引系統(tǒng)中作為牽引回流線，構(gòu)成整個電力牽引網(wǎng)絡(luò)，因此電氣絕緣節(jié)的設(shè)計需要考慮牽引電流的平衡。

在信號傳輸系統(tǒng)構(gòu)成中作為核心檢測部分，不僅存在電阻，還存在電感，對移頻信號有一定的阻抗。因電氣特性與其使用的路基環(huán)境不同有很大的差異，對于普通的路基，其軌道電阻和電感的取值范圍如表2所示。

表2 路基環(huán)境軌道電阻和電感取值范圍Tab.2 Numeric range of track resistance and inductance in subgrade

對于其中的每一對信號，按照頻率，設(shè)計出兩種諧振電路：第一種諧振電路在F1型信號條件下工作時，整個電路有最大阻抗，在F2型信號條件下工作時，電路有最小阻抗，滿足在F1型頻率信號條件下，將其本區(qū)段的信號傳輸出去，在F2型頻率信號條件下，阻隔其進入當前F1型區(qū)段。將這種串并聯(lián)電路稱為“串并聯(lián)I型電路”，阻抗曲線如圖5所示。

圖5 串并聯(lián)|型諧振電路阻抗曲線圖Fig.5 Impedance curve of I-type series-parallel connection resonant circuit

第二種諧振電路是當其工作在頻率較低的F1型信號頻率時，整個電路中有最小阻抗，工作在F2型頻率時，電路中有最大阻抗，阻止F1型信號頻率越過電氣絕緣節(jié)進入F2型信號區(qū)段，即可使F2型信號頻率在本區(qū)段傳輸，將這種串并聯(lián)諧振電路稱為“串并聯(lián)II型電路”，其阻抗曲線如圖6所示。

圖6 串并聯(lián)||型諧振電路阻抗曲線圖Fig.6 Impedance curve of II-type series-parallel connection resonant circuit

串并聯(lián)I型電路由L1、C1和電感Lt構(gòu)成，其工作在F2型信號頻率條件下時，L1和C1構(gòu)成串聯(lián)諧振電路對其進行短路衰減。當其工作在F1型頻率信號條件下時，L1、C1和Lt構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路產(chǎn)生并聯(lián)諧振，保證F1型頻率能夠在本區(qū)段良好傳輸，其原理如圖7所示。

圖7 串并聯(lián)|型諧振電路Fig.7 I-type series-parallel connection resonant circuit

串并聯(lián)II型電路由L2、C2、Ct和電感Lt構(gòu)成，當其工作在F1型信號頻率條件下時，L2和C2構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路對其進行短路泄漏，當其工作在F2型頻率信號條件下時，L2、C2、Ct和Lt構(gòu)成的并列諧振電路產(chǎn)生并聯(lián)諧振，保證F2型信號頻率在本區(qū)段良好傳輸，其原理如圖8所示。

在上述兩種類型的串并聯(lián)諧振電路中都出現(xiàn)電感Lt，由于考慮現(xiàn)場使用環(huán)境，需要對鋼軌的不平衡牽引電流進行平衡，故在ZPW-2000A系統(tǒng)中將這個電感單獨設(shè)計，并作為一種產(chǎn)品，用于對不平衡牽引電流進行平衡，且其電感特性與其他設(shè)備一并構(gòu)成電氣絕緣節(jié)。

圖8 串并聯(lián)||型諧振電路Fig.8 II-type series-parallel connection resonant circuit

在ZPW-2000A系統(tǒng)中，電氣絕緣節(jié)由29 m鋼軌和上述兩種諧振電路共同構(gòu)成，上述兩種諧振電路又分為F1型調(diào)諧單元、F2型調(diào)諧單元和空芯線圈。

F1型調(diào)諧單元是由串并聯(lián)I型諧振電路設(shè)計而來，去除電感Lt后的兩元件構(gòu)成，用于F1型區(qū)段的兩端。F2型調(diào)諧單元是由串并聯(lián)II型諧振電路，除電感Lt后的三元件構(gòu)成，用于F2型區(qū)段的兩端?？招揪€圈是由電感Lt設(shè)計而來，對50 Hz信號有較低的阻抗，對不平衡牽引電流起到短路、平衡的作用。在移頻信號的工作條件下，構(gòu)成電氣絕緣節(jié)。

4 總結(jié)

本文通過分析ZPW-2000A型移頻閉塞系統(tǒng)室外調(diào)諧單元的原理設(shè)計，詳細講述調(diào)諧單元的設(shè)計原理在ZPW-2000A系統(tǒng)中的應(yīng)用，為調(diào)諧單元的使用提供必要的技術(shù)支持，有助于對其進行研究和故障判斷等工作。