李衛(wèi)鋒

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

1 概述

道岔轉(zhuǎn)轍機電纜網(wǎng)絡(luò)計算是信號工程設(shè)計的重要內(nèi)容之一，其主要目的是給轉(zhuǎn)轍機配置適當(dāng)?shù)目刂齐娎|，使轉(zhuǎn)轍機正常運轉(zhuǎn)和控制信號電纜工程投資。為適應(yīng)多種車輛的運營需求，國內(nèi)部分鐵路站場鋪設(shè)一種50 kg/m鋼軌18號單開道岔（道岔圖號為專線(01)4275），該道岔配置ZD6-E/J/J型直流道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備。由于該轉(zhuǎn)轍機的控制距離不能簡單等同于ZD6-E/J型，在相關(guān)文獻(xiàn)資料中又很難查到，電纜網(wǎng)絡(luò)計算不當(dāng)時很容易造成轉(zhuǎn)轍機不能正常動作或鋪設(shè)電纜浪費的情況。本文通過對信號設(shè)備電纜網(wǎng)絡(luò)通用計算原則的分析，最后總結(jié)出ZD6-E/J/J型轉(zhuǎn)轍機的電纜網(wǎng)絡(luò)計算方法。

2 信號設(shè)備電纜網(wǎng)絡(luò)通用計算原則

2.1 電阻系數(shù)

截面為1 mm2，長1 m的導(dǎo)線，在溫度20 ℃的電阻值，稱之為電阻系數(shù)。通用符號用ρ表示，單位為Ω?mm2/m。信號電纜芯線均采用軟銅，其電阻系數(shù)為0.017 54 Ω?mm2/m。由于信號電纜在制造時為扭絞，芯線的長度大于電纜長度，在實際中采用0.018 4 Ω?mm2/m的換算電阻系數(shù)。

2.2 電纜截面積

信號電纜采用銅導(dǎo)線，線芯直徑為1 mm，其截面近似為0.785 mm2，通常用S表示。

2.3 電纜芯線的直流電阻值

直徑為1 mm的單芯銅線，當(dāng)溫度在20 ℃時，根據(jù)電阻的計算公式，可以求出銅線的電阻約為0.023 5 Ω。按照電纜制造的技術(shù)要求，直徑為1 mm的單芯銅線在20 ℃時每米長有效電阻不大于0.023 5 Ω，通常用r表示。

2.4 導(dǎo)線電阻與溫度的關(guān)系

信號電纜線芯的電阻值隨溫度升高而增加。在任一溫度下的電阻值，可用公式（1）計算。

公式（1）中Rt——預(yù)求某溫度時的電阻；

R20——t=20 ℃時的導(dǎo)線電阻；

δ——銅芯溫度系數(shù)，銅芯取0.004；

t——實際溫度值；

20——t=20 ℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度。

由于信號室外電纜一般埋于0.7 m地下，溫度變化引起電纜電阻值的變化甚微。因此，在計算電纜電阻時，可不考慮由溫度變化而引起的電阻值的改變。

2.5 “線”和“芯”

在電路中，不同用途的電流通路數(shù)即為電路的導(dǎo)線數(shù)，簡稱為“線”。導(dǎo)線數(shù)只與電路的形式有關(guān)，與電纜的長度，電氣特性無關(guān)。如電氣集中所采用的“四線制”道岔電路，說明該電路的導(dǎo)線數(shù)為4。又如，在直流電路中，供電線路的一條導(dǎo)線是供正電，另一條導(dǎo)線是供負(fù)電，則稱為“雙線”回路。

芯線數(shù)量除取決于導(dǎo)線外，尚與電纜的長度、允許的電壓降、導(dǎo)線內(nèi)的電流值有關(guān)。一條導(dǎo)線可以由一根芯線組成，也可以由幾根芯線并聯(lián)組成。在電路中芯線的數(shù)目總是等于或大于導(dǎo)線的數(shù)目。

2.6 “去線”和“回線”

一般以受電器引入端子兩邊的導(dǎo)線劃分“去線”和“回線”。例如：直流電動機正電源線稱為“去線”，那么負(fù)電源線就稱為“回線”。雙線回路示意如圖1所示。在雙線回路里“去線”和“回線”同時參加工作，并且電流值相同。

圖1 雙線回路Fig.1 Dual lines loop

2.7 電纜芯線分配原則

電纜芯線必須滿足由其構(gòu)成的電路在電氣方面的技術(shù)要求。相同數(shù)量的電纜芯線，分配在“去線”和“回線”的方式不同，可得出不同的結(jié)果。為了使電纜回路的電阻最小，電纜芯線使用得節(jié)省，“去線”和“回線”應(yīng)有一定的分配比例。這種比例與回路的導(dǎo)線數(shù)及電路結(jié)構(gòu)有關(guān)。假設(shè)電纜芯線總數(shù)為Z，“去線”芯線數(shù)為ZQ，“回線”芯線數(shù)為ZH，電纜單芯每米長的電阻值為r，在電纜長度為1 m時的總電阻為RO時，它們可用公式（2）表示。

公式（2）中以RO對ZQ求導(dǎo)并令其等于0，求出的ZQ即是RO的最小值。

由公式（3）中可知，“雙線”式回路中最經(jīng)濟(jì)的分配比例為：“去線”與“回線”的芯線數(shù)量相等。如果使用的電纜芯線為奇數(shù)時，“去線”和“回線”不能等量分配，出現(xiàn)兩芯線數(shù)的不一致，經(jīng)過類似上述的推導(dǎo)可以得到：當(dāng)芯線數(shù)為奇數(shù)時，“去線”和“回線”按相差一芯進(jìn)行分配，可使回路的電阻值最小。電纜芯線數(shù)在實際的使用中應(yīng)按上述原則進(jìn)行分配。

2.8 計算電纜最大控制長度

如圖1所示的雙線回路，假設(shè)電纜芯線總數(shù)為Z，根據(jù)電纜芯線分配原則，即可確定電纜的“去線”和“回線”芯線數(shù)。因此，回路中的電阻R可由公式（4）求出。

公式（4）中，L——設(shè)備點到信號樓電纜長度。

因為回路電阻值可以由線路允許壓降ΔU及回路中工作電流I確定，即：

將公式（5）代入公式（4），可得：

公式（6）表明，電纜芯線數(shù)可以通過電纜最大控制長度的計算來確定，其方法是根據(jù)線路允許壓降、回路中的工作電流，以及假定選用的“去線”和“回線”的電纜芯數(shù)，計算出Lmax。若Lmax大于L，說明選用的電纜芯數(shù)是合適的，能滿足被控設(shè)備可靠工作的技術(shù)要求；若Lmax小于L，則應(yīng)增加電纜芯線，再進(jìn)行計算，直到滿足要求為止。

3 集中供電ZD6-E/J/J型電動轉(zhuǎn)轍機電纜網(wǎng)絡(luò)計算

ZD6-E/J/J轉(zhuǎn)轍機控制線為10條，即動作表示線3條，即E機、J1機、J2機各一條；其中動作線為7條，即E機定位動作線、E機反位動作線、J1機定位動作線、J1機反位動作線、J2機定位動作線、J2機反位動作線、動作共用“回線”1條。在計算電纜時按二線式公式只需計算E機的“去線”及“回線”，由于E機和J1、J2機的去線相等，根據(jù)電纜長度計算出E機電纜芯線數(shù)即可求出總芯線數(shù)。

此時回路原理如圖2所示（虛框內(nèi)所示，以E機為例）。

圖2 ZD6-E/J/J的E機雙線回路 Fig.2 Dual lines loop of ZD6-E/J/J E switch machine

其E機回路上壓降等效公式：

電纜芯線計算方法采用公式（8），按E機“去線”和“回線”各采用1芯時，把電纜最大控制長度計算出來。若Lmax大于L，說明采用去一芯、回一芯的芯線數(shù)是可以的。否則應(yīng)增加電纜芯線。一般是在“回線”上增加一芯，再進(jìn)行計算，直到滿足Lmax大于L為止。

計算轉(zhuǎn)轍機電纜時采用的數(shù)據(jù)如下：

電纜芯線單芯每米電阻r為0.023 5 Ω；

供電電源電壓為220 V；

電動轉(zhuǎn)轍機額定電壓為160 V；

連接線、端子和接點總電阻為1.6 Ω；

電動機工作電流為2 A。

根據(jù)上述公式計算的ZD6-E/J/J電纜最大控制長度及電纜芯線數(shù)如表1所示。

表1 集中供電ZD6-E/J/J轉(zhuǎn)轍機控制距離Tab.1 Control distance tableof centralized power supply ZD6-E/J/J switch machine

4 結(jié)語

本文所述的計算方法也同樣適用于ZD6-D或ZD6-E/J型直流轉(zhuǎn)轍機電纜網(wǎng)絡(luò)計算。以ZD6-E/J為六線制道岔為例，動作專用表示線1條，其中動作線為5條，即E機定位動作線、E機反位動作線、J機定位動作線、J機反位動作線、動作共用“回線”1條。在計算電纜時可按二線式公式只計算E機或J機的“去線”及“回線”，根據(jù)電纜長度計算出電纜總芯線數(shù)。

此時回路原理如圖3所示（虛框內(nèi)所示，以E機為例）。

圖3 ZD6-E/J的E機雙線回路Fig.3 Dual lines loop of ZD6-E/JE switch machine

其E機回路上壓降等效公式：

依據(jù)上述ZD6-E/J/J轉(zhuǎn)轍機控制距離表，為專線(01)4275道岔配置的ZD6-E/J/J轉(zhuǎn)轍機在膠濟(jì)客專工程得到成功應(yīng)用。本文的通用電纜網(wǎng)絡(luò)分析及計算結(jié)果可在類似工程設(shè)計時參考、借鑒。