（交通信息工程及控制专业论文）新型25Hz相敏轨道电路系统的研究.pdf

j ! 窑奎堡查耋堡圭耋堡丝三。；，：。：，。；：；。童：竺! 二兰二竺：! ! 一 新型2 5 胁相敏轨道电路系统的研究 摘要碡3 9 3 67 6 本论文主要研究了2 5 1 t - 卡 | 敏轨道电路和四线制法【目u m 7 l 站内【i 码化存 在的k - 要问题及相应的解决方法。 首先，针对我围铁路电气化区段站内广泛采用的2 5 h z 相敏轨道f 乜路存在 的电气化冲击干扰造成轨道继电器的错误动作和绝缘破损防护失效等刁i 安全 因素，完成了大量的现场调查和数据搜集。在此基础上，进行了必要的理论 分析和仃关的室内试验验证。然后，简要阐述了产生这些问题的机理和方式， ， ：提出了解决这些问题的町行性方案。 另外，针对目前u m 7 l 自动闭塞区段的四线制站内电码化不利于既有车 站的电码化改造工程提出了优化措施。 关键词：2 5 h z 卡h 嗷轨道电路、电气化p i 一击干扰、u m 7 l 电码化 、 ! ! 皇兰塑盔兰竺耋兰兰丝圣璧! 呈苎! ! 璺 s t u d yo nt h es y s t e mo fn e w t y p e2 5 h z p h a s e - - s e n s i t i v et r a c kc i r c u i t a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ep r o b l e m sa n ds o l u t i o n so no l d - t y p e2 5 h z - p h a s e - s e n s i t i v et r a c kc i r c u i ta n du m 7 1 c o d i n gt r a c kc i r c u i t a tf i r s t ，b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n di n d o o rs i m u l a t i o nt e s ta b o u t2 5 1 1 p h a s e s e n s i t i v et r a c kc i r c u i t ，i n c l u d i n gw r o n gf u n c t i o no ft r a c kr e l a yc a u s e db y i n t e r f e r e n c eo fe l e c t r i f i e dt r a c t i o nc u r r e n ta n df a i l u r eo f p r o t e c t i o nf o ri n s u l a t ej o i n t ， t h i s p a p e rf i n d so u ti t s n a t u r eo fd e g r a d a t i o n ，t h e ns u b m i t sf e a s i b l es o l u t i o nt o s o l v et h e s ep r o b l e m s f i n a l l y , m e a s u r e st oo p t i m i z ef o u r w i r e - c a b l eo fu m 7 i c o d i n gt r a c kc i r c u i t a r ea l s op u tf o r w a r d k e yw o r d s ：2 5 1 1 - 一p h a s e s e n s i t i v e t r a c k c i r c u i t ，i m p n l s i v ei n t e r f e r e n c e ，u m 71 c o d i n gt r a c kc i r c u i t 第一章综述 第一节轨道电路的定义及其分类 轨道电路( 仅指利用钢轨线路作为信息的传输通道，不包括计轴轨道电路 等等) 是铁路列车运行自动控制与远程控制系统的基本组成单元，用以检查轨 道是否空闲与是否完整( 计轴器仅可检查轨道是否空闲；但却不能检查轨道 是否完整) ，从而确保列车在铁路轨道线路上的行车安全，同时它还起着铁 路线路上的各轨道区段之间、以及地面设备与机车的车载设备之间控制信息 的传输通道。 轨道电路是利用钢轨线路的钢轨作为导体传递信息的电路系统，其作用： 反映轨道区段是否空闲与是否完整，有时还向机车传递信息。 轨道电路的基本电路结构如图i 1 所示 轨道电路( n 一1 ) ： 轨道电路( n ) ! 轨道电路( n + 1 ) 幽 s u 一( s e p e r a t i n g u n i t ) r l u 一( r a i l l i n e u n i t ) 刚u 一( s e n d i n g a d a p t o ru n i t ) r a u 一( r e c e i v i n g a d a p t o ru n i t ) c l u( c a b l el i n eu n i t ) 韭奎銮鎏盔主堡圭兰堡鎏兰 ：一已三垄l 己兰璺一 只u 一( r e c e i v i n g u n i t ) p u 一( p o w e r u n i t ) 钢轨线路( r l u ) 是以铁路的钢轨作为导线的。钢轨线路是一个具有均 匀分布参数的电路，其均匀分布参数为：钢轨的纵向阻抗和钢轨之间的绝缘 导纳。钢轨导线之间的绝缘包括：轨枕、道碴、路基和土壤。为了减小钢轨 的纵向电阻，在轨条的连接处增设了轨端连续线。轨道电路( 一) 与邻接的 轨道电路( 一+ 1 ) 和轨道电路( ”一1 ) 之间，用分隔设备( s u ) 从电气方 面加以绝缘。适配单元( s a u 、r a u ) 是调整轨道电路的送、受电端的阻抗， 以使轨道电路达到较佳的工作状态。电缆线路单元( c l u ) 是轨道电路的室 内设备与室外设备的连接通道。供电单元( p u ) 为轨道电路供给其工作所 需的能量。接收单元( r u ) 根据其从钢轨线路上接收到的由轨道电路的供 电单元供给的能量以判断轨道电路的轨道是否空闲与是否完整。 分隔单元( s u ) 和适配单元( s a u 、r a u ) 的原理电路及其参数取决于 许多运营条件和技术条件；同样，供电单元( p u ) 和接受单元( r u ) 也受 许多运营条件和技术条件的制约。因此，在铁路运输的实际中，我们采用许 多不同的轨道电路。轨道电路依据不同的标准，大致可分为以下几类： 1 按分隔单元( s u ) 的结构可分：有绝缘式轨道电路和无绝缘轨道电 路。 ( 1 ) 有绝缘式轨道电路的分隔单元( s u ) 是由一对钢轨绝缘节构成， 它将相邻的两段轨道电路区段用钢轨绝缘从电气上将它们隔离开，以避免两 段轨道电路之间相互干扰。目前我国铁路在电力牵引区段和非电力牵引区段 广泛采用的均为有绝缘式轨道电路。如下图i 2 示。 ( n ) 7 ( n + ” 一 l 苎奎窑望盔兰堡圭茎堡墼塞。至2 耋坠苎2 墼坠：。一 ( 2 ) 无绝缘轨道电路又可分为无分隔式无绝缘轨道电路和调谐分隔式 无绝缘轨道电路。 在无分隔式无绝缘轨道电路中，相邻的两段轨道电路区段之间在钢轨上 无任何的电气隔离措施。它是依靠轨道电路的其它环节和措施实现相邻的两 段轨道电路区段之间区分的。如下图i 3 示。 蚓i3 在调谐分隔式无绝缘轨道电路中，相邻的两段轨道电路区段之间利用钢 轨与其它元件构成轨道电路的调谐式分隔器，从而使相邻的两段轨道电路在 电气上相隔离。不同的调谐分隔式无绝缘轨道电路其轨道电路的调谐式分隔 器也不一样。目前最主要有以下几种： 带s 型附加线的调谐式分隔器，如图i 4 示。 i 璺ii4 两边有谐振单元、中央设空心线圈的调谐式分隔器，如图i 5 示。 2 按轨道电路接收器的工作原理可分为闭路式轨道电路和开路式轨道 电路。 ( 1 )闭路式轨道电路的结构原理图如下图i 6 所示。它的发送设备( 电 源) 和接收设备( 轨道继电器) 分别装设在轨道电路的两端。在轨道电路区 段内没有列车占用时，轨道继电器励磁吸起；当有列车占用时，则轨道继电 器失磁落下。由此可以看出，当发生断线等故障时，轨道继电器也将会落下。 这是符合铁路信号安全设备的“故障一安全”原则。所以，在铁路信号中均 采用这种轨道电路来反应轨道电路区段内有无车占用。 ：1 一 l 如扎 一、 g j 图i6 一嘉 l r 。 卜 、 g j + ( 2 ) 开路式轨道电路的结构原理图如下页图i 7 所示。它的发送设备 ( 电源) 和接收设备( 轨道继电器) 装设在轨道电路的同一侧。在轨道电路 区段内没有列车占用时，轨道继电器失磁落下；当轨道电路区段内有列车占 用轨道电路时，轨道继电器励磁吸起。由此可以看出，当发生断线等故障时， 北方交通大学硕士学位论文 这种轨道电路没有任何的检查防护措施。因此，当轨道电路发生上述故障后， 即使轨道电路区段内有车占用，则也得不到检查。这是不符合铁路信号安全 设备的“故障一安全”原则。一般情况下，不采用该种轨道电路来反应轨道 电路区段内有无车占用。但它可用在道口信号的列车到达点处，以检查列车 是否到达道口，以及时向公路开放道口。因对道口而言，提前解除报警是危 险的，故在此采用开路式轨道电路作为列车到达道口的检测设备符合铁路信 号安全设备“故障一安全”原则。 嘉： 3 按轨道电路接收器的连接方法轨道电路可分为：传导式轨道电路和感 应式轨道电路。 ( 1 ) 传导式轨道电路，也即我们目前广泛应用采用的电压接收方式的轨道 电路，见图i 6 所示： ( 2 ) 感应式轨道电路，也即电流接收方式的轨道电路，其轨道电路结构 原理图如下图i 8 所示的感应式无绝缘轨道电路： 图i8 4 按信号电流的性质和供电方式轨道电路可分为：直流轨道电路和交流 轨道电路；脉冲式轨道电路和连续式轨道电路a 轨道电路的信号电流为直流时，称为直流轨道电路。这种轨道电路目前 在驼峰场较常用。 轨道电路的信号电流为交流时，称为交流轨道电路。目前现场大量使用 的轨道电路多是交流轨道电路。 脉冲式轨道电路是供电电源以间歇( 也即断续) 的方式供电。其特点： 在轨道空闲时，轨道接收器中的电流是断续电流。脉冲式轨道电路又可进一 步分为： 7 5 h z 交流计数平码轨道电路( 现已基本淘汰) ； 5 0 h z 交流计数式轨道电路( 用于非电气化区段) ； 2 5 h z 交流计数式轨道电路( 用于电气化区段) ： 高灵敏轨道电路( 用于非电气化区段的驼峰场内) ； 高压不对称轨道电路( 用于电气化区段的站内) 。 连续式轨道电路是供电电源以连续的直流或交流方式供电。其特点：在 轨道空闲时，轨道接收器中的电流是连续电流。交流连续式轨道电路依据信 号频率的不同又可进一步分为： 工频交流连续式轨道电路( 即：4 8 0 型轨道电路，用于非电气化区段) ； 音频轨道电路( 指移频轨道电路、u m 7 1 轨道电路等等) ； 2 5 h z 相敏轨道电路( 常用于交流电气化牵引区段的站内) ； 5 0 h z 相敏轨道电路( 常用于直流或非电气化牵引区段的站内) 。 5 按列车牵引类型及牵引电流的回归方式可分为： 交流电气牵引、单轨条轨道电路； 交流电气牵引、双轨条轨道电路； 直流电气牵引、单轨条轨道电路； 直流电气牵引、双轨条轨道电路； 6 按相邻轨道电路的绝缘破损防护方法可分为： 相位交叉法，如：2 5 h z 相敏轨道电路和5 0 h z 相敏轨道电路等等； 频率分隔法，如：移频轨道电路、u m 7 1 轨道电路等等。 7 按接收器动作的信号特征量的个数分类： 一元轨道电路，如：4 8 0 型站内轨道电路、移频轨道电路等等。其特 征为：接收器的工作状态只取决于供电单元( p u ) 经过电缆网络( c l u ) 、 钢轨线路( r l u ) 和受电端的适配单元( r a u ) 传输至接收单元( r u ) 的 信号幅值的大小一个特征量。 二元轨道电路，如：2 5 h z 相敏轨道电路和5 0 h z 相敏轨道电路等等。 其特征为：接收器的工作状态不仅取决于供电单元( p u ) 经过电缆网络 ( c l u ) 、钢轨线路( r l u ) 和受电端的适配单元( r a u ) 传输至接收单元 ( r u ) 的信号幅值大小，而且还取决于该信号与室内另一同频信号的相位 差。这种需要信号两个特征量，才能确定接收器状态的接收器，称为二元接 收器( 两个特征量其中之一为相位，也可称为相敏接收器) 。 第二节轨道电路的工作状态及其要求 从上节轨道电路的定义我们可以得知，轨道电路是反映轨道区段有无 轮对占用的状况，并对轨道电路各个组成部件的完整性状况进行监督；有时 还需要向机车的车载设备发送机车信号信息。因此，轨道电路有以下几种状 态： 调整状态； 分路状态； 过载校核状态( 以下简称过载状态) ； 机车信号状态。 其中，调整状态和分路状态是任何制式轨道电路的最基本的工作状态。 过载状态是轨道电路在满足最基本的工作状态前提下所必须校核的状态，以 避免轨道电路设备在一定的条件下过负荷而烧损设备。对于兼容制式的轨道 电路( 即：轨道电路的供电单元本身也兼顾了传送机车信号信息，例如移频 轨道电路、u m 7 1 轨道电路和交流计数式的轨道电路等等) 还应校核机车信 号状态，以使机车能可靠地接收到机车信号信息。 轨道电路是以铁路的钢轨线路作为导线的，钢轨的纵向阻抗( 包括：钢 轨本身的阻抗和钢轨接头处的阻抗) 和钢轨之间的绝缘电导( 包括：轨枕、 道碴、路基的土壤等电导) 以及轨道电路供电电源的电压( 仅指以电压源方 式供电的轨道电路，目前轨道电路基本均为此类型) 是受外界条件变化影响。 它们对轨道电路四种状态的影响是不同的。因此，对轨道电路的工作要求： 就是要保证轨道电路在各种参数变化的允许范围内，轨道电路和机车信号( 对 兼容制式的轨道电路而言) 能稳定、可靠地工作且不过载，也就是说，轨道 电路在各种工作状态的轨道电气参数最不利条件下，轨道电路能满足各种工 作状态要求，并实现轨道电路一次调整。所谓一次调整，也就是说在轨道电 路的电气参数最不利条件下，每段轨道电路内，可变环节的电气参数经首次 调整后，能满足调整和分路两种状态( 如果为机车信号兼容制式的轨道电路， 还应同时满足机车信号状态) 的可靠工作要求且不过载，无需随外界条件的 变化再次对轨道电路进行调整。 下面就分别讨论轨道电路的各种工作状态及其要求。 一、轨道电路的调整状态及其要求 轨道电路的调整状态就是在轨道电路范围内，无轮对占用时的状态。换 句话说，轨道电路的调整状态就是由轨道电路的供电单元沿钢轨线路向接收 单元发送信号能量，此时轨道电路空闲、钢轨线路完整和轨道电路设备完好， 则必须保证轨道电路的接收单元可靠工作。 由上述定义可知，轨道电路调整状态的工作要求是：轨道电路的电气参 数在最不利条件下，当轨道电路空闲、钢轨线路完整和轨道电路设备完好时， 应保证轨道电路的接收单元可靠工作。 调整状态的最不利条件：就是使轨道电路的接收单元所接收由供电单元 供给能量减少的条件，具体地讲，就是供电单元的供电电压最低、钢轨阻抗 最大、钢轨线路的绝缘阻抗最小、轨道电路环节中匹配设备与接收单元串联 的阻抗最大、与接收单元并联的阻抗最小。 二、轨道电路的分路状态及其要求 轨道电路的分路状态就是在轨道电路范围内，有轮对占用时的状态。换 句话说，轨道电路的分路状态就是由轨道电路的供电单元沿钢轨线路向接收 单元发送信号能量，此时轨道区段内有车占用，则必须保证轨道电路的接收 单元可靠地停止工作。 由上述定义可知，轨道电路分路状态的工作要求是：轨道电路的电气参 数在最不利条件下，当轨道电路用标准的分路电阻在轨道区段内任意点处分 路时，应保证轨道电路的接收单元可靠停止工作。 分路状态的最不利条件：就是使轨道电路的接收单元所接收由供电单元 供给能量增大的条件，具体地讲，就是供电单元的供电电压最高、钢轨阻抗 最小、钢轨线路的绝缘阻抗最大、轨道电路环节中匹配设备与接收单元串联 的阻抗最小、与接收单元并联的阻抗最大。 为了更好地分析分路状态，先介绍几个专用术语： 列车分路电阻：列车占用轨道电路时，轮对跨在钢轨线路的两根钢轨上， 这个跨接在钢轨线路上的轮对电阻，称为列车分路电阻。它是由车轮和车轴 本身的电阻以及轮缘与钢轨表面的接触电阻组成。 分路效应：由于有列车分路而使轨道电路接收单元能量减少，并使轨道 电路接收单元停止工作的现象，称为分路效应。 分路灵敏度：就是一个用电阻值来表示的数据。它是在轨道电路的钢轨 线路上，用一个在某一点进行分路，使轨道电路接收单元恰好停止工作，这 个电阻称为该点的分路灵敏度。 极限分路灵敏度：轨道电路区段内各点的分路灵敏度是不一样的，对某 一具体的轨道电路区段而言，各点分路灵敏度最小值，称为该轨道电路区段 的极限分路灵敏度。 标准分路灵敏度：它是衡量不同轨道电路制式分路性能的标准( 指在轨 道电路其它参数及指标均相同的条件下) 。我国现行的规定为：0 0 6 q ( 驼峰 为o5 q ) 。 三、轨道电路的过载状态及工作要求 轨道电路的过载状态就是在轨道电路范围内，无轮对占用时，使轨道电 路的接收单元获得能量最大的状态。换句话说，轨道电路的过载状态就是由 轨道电路的供电单元沿钢轨线路向接收单元发送信号能量时，在轨道电路空 闲、钢轨线路完整和轨道电路设备完好条件下，轨道电路的接收单元所能获 得最大能量的状态。 由上述定义可知，轨道电路过载状态的工作要求是：轨道电路的电气参 数在最不利条件下，在轨道电路空闲、钢轨线路完整和轨道电路设备完好条 件下，应保证轨道电路的接收单元不过载。 过载状态的最不利条件：就是使轨道电路的接收单元所接收由供电单元 供给能量增大的条件，具体地讲，就是供电单元的供电电压最高、钢轨阻抗 最小、钢轨线路的绝缘阻抗最大、轨道电路环节中匹配设备与接收单元串联 的阻抗最小、与接收单元并联的阻抗最大。 四、轨道电路的机车信号状态及工作要求 轨道电路的机车信号状态就是在轨道电路范围内，有轮对占用时，轨道 电路的供电单元迎着机车沿钢轨线路向机车的机车信号车载设备提供能量的 状态。换句话说，轨道电路的机车信号状态就是由轨道电路的供电单元迎着 机车沿钢轨线路向机车的机车信号车载设备发送信号能量时，在轨道电路有 轮对占用的条件下，机车的机车信号车载设备所能获得最小能量的状态。 由上述定义可知，轨道电路机车信号的工作要求是：轨道电路的电气参 ! ! 室耋兰盔兰堡圭兰竺鎏塞 ：，。：圣l 互2 已望里：一 数在最不利条件下，轨道电路有轮对占用时，轨道电路的供电单元迎着机车 沿钢轨线路向机车的机车信号车载设备提供能量应保证机车信号的车载设备 可靠工作。 机车信号状态的最不利条件：就是使轨道电路的供电单元迎着机车沿钢 轨线路向机车的机车信号车载设备提供能量减少的条件，具体地讲，就是供 电单元的供电电压最低、钢轨阻抗最大、钢轨线路的绝缘阻抗最小、轨道电 路环节中匹配设备与接收单元串联的阻抗最大、与接收单元并联的阻抗最 小。 第三节钢轨线路的电气参数 轨道电路是利用钢轨线路的钢轨作为导体传递信息。钢轨线路的钢轨是 铺设在轨枕上，而轨枕是安置在道碴之中，所以钢轨阻抗磊( 由钢轨电阻r 。 和钢轨感抗越向量和) 和道碴电阻m 就成为轨道电路本身的固有参数，也 是轨道电路诸参数的基本参数，故称它们为轨道电路钢轨线路的一次参数； 由钢轨线路的一次参数导出轨道电路四端网的特性阻抗z 和传输常数，称 它们为轨道电路钢轨线路的二次参数。 下面分别讨论轨道电路钢轨线路的一次参数、二次参数及其参数的测 算。 一、钢轨线路的一次参数 一) 道碴电阻r 。 道碴电阻是反映轨道电路在传输信息时，在钢轨线路中由一根钢轨经轨 枕和道碴分往另一根钢轨漏电流的能力，其值大小是与气候条件、道碴质量 和状态、道碴层厚度、轨枕类型、轨枕数目与轨枕状态等因素有关。 道碴电阻是一个分布参数，通常以每一公里钢轨线路所具有的值表示， 称为单位道碴电阻( 简称道碴电阻) ，用m 表示，其单位：nk m ( 每欧姆 公里) 。 钢轨线路道碴电阻的等效电路如图i 9 所示。 第一轨 地 第二轨 图i9 图中 和r 2 分别表示每根钢轨和大地之间的过渡电阻，而大地就好象一 个截面很大的导线，它的电阻可认为等于零。 电阻n 和r z 的值，除钢轨上有其它连接物( 例如电气化区段的杆塔接地 线) 或两根钢轨侧的道碴质量和状态相差悬殊( 例如在线路弯道处其中一根 轨侧的铁粉较另一根轨侧的铁粉要多很多) 外，在大多数情况下是相等的 ( ：r ，= ，) ，也就是说，钢轨线路是对称的。 _ ：表示另一部分漏电流，它经由道碴表层和轨枕，由一根钢轨进入另一 根钢轨。它取决于道碴质量与道碴状态、轨枕类型和道碴层厚度、轨枕数目 与轨枕状态等。 由等效电路图i 9 可知，道碴电阻越小，两钢轨间漏泄电流就愈大，则 轨道电路钢轨线路所消耗的电能就越多。而且道碴电阻值变化的范围越大， 在一定轨道电路长度的条件下，要同时满足轨道电路的各种工作状态就越困 难。因此，要保证轨道电路的各种工作状态要求，应尽可能地提高最小道碴 电阻值，以改善轨道电路的工作状况。 二) 钢轨阻抗磊 钢轨线路由个别的钢轨分段所组成。在一个轨道电路区段范围内，这些 个别的钢轨互相实行电连接，而与相邻轨道电路区段的钢轨一般则是绝缘 的。 、每公里两根轨条( 回路) 的阻抗，称为单位钢轨阻抗或简称钢轨阻抗( 包 括：钢轨本身的阻抗以及钢轨接头处的连接阻抗) ，其单位：f l k m ( 欧姆 公里) 。 钢轨接头处连接阻抗包括鱼尾板及导接线的阻抗和它们与钢轨之间的接 触阻抗。鱼尾板和钢轨间接触电阻的大小是和鱼尾板、钢轨端部表面的污垢 及生锈程度、螺栓的松紧和气候条件等有关，它是在很大范围内变化的数值。 为了得到稳定和尽可能小的钢轨阻抗，在钢轨的接头处可安装钢轨接续线， 这样就使钢轨接头处的总阻抗显著地降低，并比较稳定。 当轨道电路中通过直流信号时，钢轨阻抗就是纯电阻，称之为钢轨电阻。 当轨道电路中通过交流信号时，在钢轨的内部和周围( 包括轨端接续线) 形成交变磁场，因而除了有效电阻外，还有感抗存在，总的阻抗比直流时要 大得多( 也即其钢轨阻抗包括有效电阻和感抗) 。其数值大小一般可用下列 公式计算： a ) 有效电阻 钢轨对交变电流的有效电阻大小受下列因素的影响：电流频率、钢轨断 面形状、电导和钢轨的导磁率，钢轨的导磁率与钢轨中的电流有关。发生于 铁磁导线中过程的复杂性，特别在钢轨截面形状这样复杂的情况下，使我们 不可能找到一个公式，能够准确地反映钢轨对交变电流的有效电阻。 在实际计算时，我们可以利用聂曼公式来确定铁磁导线的有效电阻，即： ，一 胄“= 二o 肛p 山，q式( 1 1 ) h 式中1 导线长度，米； “钢轨横截面的周长，毫米； p 钢轨回路的比阻，欧平方毫米米； m 角频率，弧度秒； 真空中的导磁率，o = 4 x 1 0 7 亨米： 胁钢轨钢的相对导磁率。 在信号电流产生的弱磁场范围内，计算时钢轨钢的相对导磁率取 船，= 1 0 0 。 b ) 钢轨线路的电感 交变电流沿钢轨线路流通时所产生的磁通，一部分是在钢轨线路内部， 即钢轨线路的内电感；另一部分是在钢轨线路的两根钢轨之间，即钢轨线路 的外电感。 钢轨线路的内电感值和钢轨的有效电阻一样，在很大程度上取决于信号 电流的频率、钢轨线路钢的导磁率和钢轨横截面的周长。其值可由下列公式 些耋耋翌茎兰鎏圭兰璧连塞：；2 竺圣苎尘盐l 。一 确定： 钢轨的内电感值： l ：o 6 _ l t 、丝业：0 6 r 竺，亨 “。“v 了2 7 式中1 导线长度，米； 如长度为l 钢轨的有效电阻，欧姆。 钢轨连接线的电感值： 每根钢轨连接线的内电感值可采用如下数据： 焊接式连接线1 2 7 1 0 。6 亨； 塞钉式连接线1 9 1 0 。亨。 钢轨的外电感值： 每公里由同种线路组成的双线回路的外电感仅与其几何尺寸有关，并可 用一般公式计算： l ；o 4 1 0 一，i n 冬尘，亨公里 0 式中a 两根钢轨线间的距离； 6 圆周长等于钢轨截面周边长的等效圆半径，6 = 去。 因此，双线线路的总比电感可用下列式表示： 亭f 公里 式中 ，一单位长度根钢轨的内电感，l k 导，单位：亨公里 卜一导线长度，单位：米； l 单位长度钢轨回路的外电感，单位：亨公里； f l 一公里一根钢轨连接线的电感，单位：亨公里。 t c ) 钢轨线路单位长度的钢轨阻抗磊 单位长度钢轨回路对交流信号的总阻抗为： z l = n + 车m + ，越= | 幺i e m ，欧公里 式( 1 5 ) ! ! 童奎堡查兰堡：兰兰丝奎 ：一丝二里圣塑墨。：一 式中。单位长度一根钢轨的有效电阻，r a = 半，单位：欧公里； ，导线长度，单位：米； 亨。单位长度一根钢轨连接线的有效电阻，单位：欧公里； 7 二、钢轨线路的二次参数 轨道电路的钢轨阻抗和道碴漏泄一般情况下是均匀分布的，可将它视为 均匀分布参数的传输线，因此均匀分布参数传输线的基本方程对分析轨道电 路也是适用的，它可反应轨道电路的轨道四端网( 见图i 1 0 ) 的始端( 也称 送电端) 的电压和电流与终端( 也称受电端) 的电压和电流的关系： 电 源6 7 f u s4 l l 始端 图i1 0 ru = u c h y l + i ：z 。s h y l -式( 2 2 ) i kcr 己+ d r 因四端网络札为互易网络，所以当四端网络信号的传输方向改变时，则 四端网络，的传输参数4 ，和风位置互易，可得： b ：曼 爿5 乙：堡 爿s 图i i 2 所示的等效电路叫做轨道电路的基本等效电路。在以后几节中， 利用该等效电路分别讨论轨道电路各种工作状态的分析和计算。由第一章我 们知道轨道电路的各种工作状态的最不利条件就是钢轨阻抗、漏泄阻抗及供 电电源的电压依据其工作状态取相应的最大或最小值。在实际中供电电源的 电压波动常用轨道电路的分路余量来考虑；钢轨阻抗由于在钢轨接头处采用 了钢轨接续线，这样就使钢轨接头处的总阻抗比较稳定，所以一般情况下钢 轨阻抗认为是常数；对于轨道电路的信号频率在1 0 0 0 h z 以下时，漏泄阻抗一 般情况下常认为是纯阻的。因此，在下面几节中讨论轨道电路各种工作状态 的分析和计算时，钢轨线路的参数变化仅考虑漏泄阻抗( 按纯阻考虑) 的变 化。 在分析和计算轨道电路各种工作状态时，首先假定轨道电路的结构已经 确定；其次轨道电路为连续式轨道电路。 第二节轨道电路调整状态的分析和计算 轨道电路调整状态的目的就是在最不利的条件下，确保轨道电路接收单 元稳定可靠地工作。 一) 、轨道电路调整状态的计算公式： 设：钢轨阻抗：乙= ! 乙p ，n n k m 道碴电阻：r d q k m 则相应的二次参数为： 特性阻抗：z o = j 乙心l 警：h m ， q lf ll 传输常数：，：i j z 。毛 e 3 孚：。m ，l 砌 ll i 由图i 1 0 和式( 卜6 ) ，假定轨道电路的长度为，( k m ) ，则轨道电路轨 道四端网始端的轨面电压u 和电流 为 由此可求得轨道电路所需的调整电压为 uc = u ，+ z r l 二) 、轨道电路轨道四端网终端的轨面电压u 和电流正的确定 u 和正是轨道接收器在可靠工作时，所对应的轨道电路轨道四端网终端 的轨面电压和电流值，其确定方法为：根据轨道接收器可靠工作时，其电压 u 和电流值，依据组成终端设备各环节的四端网参数，重复应用四端网传 输方程式( 2 一1 ) 即可求得。 )4 2( 式 y f 曲 ， z 曲 厶 + + f ， r y 拍 曲 u u z = = u l_。l 第三节轨道电路分路状态的分析和计算 在第一章第二节我们已经讨论了轨道电路分路状态的定义、工作要求及 其最不利条件，这一节将在此基础上，具体讨论轨道电路分路状态的分析和 计算。 分路状态的分析和计算是轨道电路首先要检算的工作状态。由轨道电路 的定义我们可知，其目的就是：在轨道电路调整状态计算的基础上，当轨道 电路处于分路状态的最不利条件下和轨道电路区段内有列车占用时，确保轨 道电路接收单元可靠地停止工作。轨道电路分路状态的检算有两种方法，一 种方法是求出轨道电路的极限分路灵敏度，将其与标准分路灵敏度进行比 较，若前者大于后者且满足一定的余量要求，则轨道电路有可靠的分路保证， 称该方法为分路灵敏度比较法；另一种方法是电压比较法，即在分路状态的 最不利条件下，假设轨道电路接收单元可靠地停止工作，以此时轨道电路接 收单元的电压u ，和电流，值为计算基准，求出在任意点用标准分路灵敏度 分路时，轨道电路供电单元所需供出的最低电压与调整状态时所需供出的电 压进行比较，若前者大于后者且满足一定余量要求，则轨道电路有可靠的分 路保证，称该方法为电压比较法。下面就具体分别介绍这两种方法： 一) 、分路灵敏度比较法 分路灵敏度比较法又叫转移阻抗分量法。由于轨道电路被分路时，终端 电流比轨道电路空闲时终端电流要减少，也就是说分路的结果使轨道电路的 转移阻抗增加了。 轨道电路的各点分路灵敏度是不同的，而我们需要检查的是它的极限分 路灵敏度。因为整个轨道电路的分路灵敏度是以极限分路灵敏度来表示的。 在分路灵敏度比较中，主要推导出计算轨道电路任意点分路灵敏度的公式， 从而确定出分路灵敏度的分布规律。 1 ) 任意点分路灵敏度的公式推导 轨道电路任意点分路灵敏度的计算公式是在轨道电路调整状态计算的基 础上，为检查分路灵敏度而导出的。 在分路状态的最不利条件下，轨道电路区段内无列车占用时的等效电路如下 图i i 3 所示，其转移阻抗西为 厶：堕：三+ z g ，+ z 五 u 图i i 3 分路状态的最不利条件下的等效电路 当列车分路灵敏度为如，且在距轨道电路的终端x 处时，其等效电路如 下页图i i 4 所示。此时的转移阻抗乙可利用下列关系求得 u = 1 , 1 z 、+ u , j式( 2 7 ) 由四端网传输方程式( 2 1 ) ，可得： 广u e = a + b 厶 k ，时，最大的分路灵敏度地点 在轨道电路范围以外，并使极限分路灵敏度r 。降低，从而可能使轨道电路失 去分路检查，如下页图i i 6 所示。 综上所述，为提高轨道电路的极限分路灵敏度r 。，一般要求r ，= r ，。 由此可推广，对交流轨道电路而言，当两端的视入阻抗角均为正值时， 则其极限分路灵敏度位置也在轨道电路的两端。目前，我国铁路上所使用的 轨道电路都属于感性负载。因此，它们的极限分路灵敏度在轨道电路的两端。 ( 始端) 图i i6 始端和终端阻值相差悬殊时m 的变化关系图 ( 终端) 棼一 在终端分路时0 = 0 ) ，由式( 2 1 6 ) 得： 月，o = 在始端分路时g = ) ，由式( 2 1 6 ) 得 = 把有关数值代入式( 2 2 6 ) 和式( 2 2 7 ) 就可求出两端的极限分路灵 敏度r ，。和r n ，当它们均应大于标准分路灵敏度时，这样轨道电路才有可靠 的分路保证。 3 ) 分路状态的分析 轨道电路分路灵敏度是轨道电路的重要技术指标。轨道电路的分路灵敏 度愈高，则轨道电路的适应性就越强。从式( 2 一1 6 ) 可以看出，影响轨道 电路分路灵敏度的因素很多，下面就进一步具体分析一下主要参数对其的影 响： 以直流轨道电路为例进行讨论。 首先，假定：卜为轨道接收器可靠工作时，相对应的轨道电路的终 端轨面电流； 置、r ，为从轨道电路始端向供电端的视入电阻和轨道电路 终端的视入电阻； 一。轨道接收器的返还系数： n 确保轨道电路可靠停止工作所必须考虑轨道接收器 的返还系数降低的比例： 1 5 立銮鎏查兰竺圭兰垒兰苎 一，。三；_ 翟2 l 茎2 塑二，一 p 轨道电路供电单元的电压波动系数，p 0 ； u 一一轨道电路的钢轨线路漏泄为无穷大且轨道区段内无 车时调整状态所需的电压。 由上述假定和轨道电路各种工作状态的最不利条件，则在轨道电路分路 状态时，其供电电压为：u ( 1 + 2 p ) 。则此时的等效电路如下图i i 7 所示。 r u ( 1 + 2 p ) 乓砸一对乓x l1 一： 由图i i 7 可得 图i i 7 分路时的等值电路 n n 0 1 x ”+ h h 。，伍r + r s z ， 由上述两式整理可得： 驴堕垃等尝骞涪等奇幽趔都删 由前述分析我们可以知道：当r ；= r r 时，有= r = r f o 存在且为最大值。 故以下分析均假设在r 。= r ，= r 条件下。 令：”- = k ；x = 0 由式( 2 2 8 ) 可求出此时轨道电路的分路感度为： o ， 咚 + + k 0 i g 1j r o + k l l + u 0 p 望 + 一 k 一 ，j 一一 一 l 1 | 力 2+ r 。= f 而苘k 翮r 0 + r 。f ) _ ，k 。m r )r 口= f 而苟翮岬枷s j = 皤s 印，尺j 对式( 2 - - 2 9 ) 各参数求偏导： 幽：! 型：坐：型2p 。 。h j ( z g ，) ( 1 + 2 p - 2 幽：一堡里! 兰型= 。 印 ( z 肌弋州l + 2 p - k g ) 2 幽：生：! ! ：竺型：型k 觎( 伽一) ( 2 r + r g 1 ) 2 从式( 2 3 0 ) 式( 2 3 2 ) 可有如下结论：极限分路灵敏度是k 。和r 的 增函数，即随臣。和月增加，如也随之增加；r m 是p 的减函数，即随p 增加 r 。随之减少。具体地讲，就是： ( 1 ) 供电电压波动对极限分路灵敏度的影响 供电电压波动对极限分路灵敏度的影响，实际上就是供电电压波动系数 p 对其的影响。由式( 2 3 1 ) 可得：供电电压的波动范围越大，则极限分路灵 敏度r 。就越低。 ( 2 ) 轨道电路的返还系数对极限分路灵敏度的影响 由式( 2 3 0 ) 得：轨道电路的返还系数越大，则极限分路灵敏度r 口就越大。 ( 3 ) 轨道电路的视入阻抗对极限分路灵敏度的影响 由式( 2 3 2 ) 可得：轨道电路的视入阻抗越高，则极限分路灵敏度r 就 越大。 北方交通大学硕士学位论文 另外，最低道床漏泄电阻值对极限分路灵敏度的影响，式( 2 2 8 ) 中并没 有直接出现最低道床漏泄电阻r 。，但它确是计算调整状态的u 必要条件之 一。由第二节可知，当轨道电路的长度一定时，最低道床漏泄电阻r 。的值越 低，则u t 越高，则极限分路灵敏度r 。就越小；同理，轨道电路长度，对极限 分路灵敏度的影响，在其它条件不变的情况下，轨道电路长度，越长，则极 限分路灵敏度r 。就越小。 二1 、电压比较法 由前述可知，电压比较法是在轨道电路的调整状态计算的基础上，在分 路状态的最不利条件下，以使轨道电路接收单元可靠停止工作时轨道电路接 收单元的电压和电流7 值为计算基准，求出在任意点用标准分路灵敏度 分路时，轨道电路供电单元所需的最低电压u ，。若u ，与u ，存在如下的关系： 1 ) u s u t ： 2 ) 设：k = 夥二剖，贝, l j k g 大于或等于某一值k ( k 由轨道电路接收 器的工作原理和轨道电路供电电压的波动值决定，例如：本论文所讨论的轨 道电路系统，电源屏输出电压的波动范围为：3 ；轨道接收单元采用二元 二位相敏继电器；再考虑2 的富余量，则k 取8 ，也即t 。应大于或等于 8 。) 则说明轨道电路有可靠的分路保证。 在分析和计算轨道电路分路状态时，常用电压比较法。 轨道电路分路时，供电单元所提供的电压u ，的计算可参考计算u ，的方法 求得( 此处略) 。 第四节轨道电路过载状态的分析和计算 轨道电路过载状态分析和计算的目的就是在满足了调整和分路状态的前 提下，校核轨道电路的各环节的设备是否超过其所允许承受的过负荷值( 即 在各种条件下，是否超过各环节设备的额定电压与额定电流值) 。由于轨道 电路设备是放置在送电端和受电端，所以过载状态分析和计算也分两端分别 校核。一般情况下，送电端校核短路电流，而受电端校核电压。下面就分别 进行讨论： 一) 、送电端的过载校核 送电端的过载校核是在轨道电路送电端轨面有车分路，且分路电阻r ，为 零( 一般称此时为短路状态) 条件下，校核送电端各设备可能产生的最大电 流是否大于其所允许的最大电流值。其方法： k 5 白 这个电流值经过各组成设备的变换后，不应超过电源可以供出的最大供 电电流，也不应超过送电端各组成设备及电缆等所允许通过的最大电流。 - - ) 、 受电端的过载校核 受电端的过载校核就是在其状态最不利条件下，校核受电端各组成设备 及电缆上所加载的电压不应超过它们的额定电压值。其计算方法采用单位电 流或单位电压法，其具体方法如下： 计算的等效电路图如图i i 8 所示 假设：受电端轨面的单位电流为：，。= 1 2 0 。，a ： 则：受电端轨面的电压为：u 。= z ，。= z ，y 。 由等效电路图i i 8 可得： 虬= 哌+ f + z g 1 ，v 式( 2 - - 3 4 ) z s z 虬= + j +j ， 北方交通大学硕士学位论文 瓦 u o 卜 、l _ j 、i zg | j o 图i i 8 过载状态的最不利条件下的等效电路 故，实际的受电端轨面的电压和电流为： l ，i ；坠1 一a 乩 u 。：堕u , o ，v 虬 l j o u ，。 根据式( 2 3 5 ) 求得的受电端轨面的电压和电流后，结合受电端各组 成环节可进一步求出各环节设备的电压和电流，从而根据各环节设备的额定 电压和电流值来判断它们是否过载。 第五节轨道电路机车信号状态的分析和计算 对于带机车信号兼容制式的轨道电路，除要保证上述调整、分路和过载 状态外，还必须确保机车信号稳定可靠工作。因此还应校核机车信号状态。 由第一章第二节可以得出带机车信号轨道电路的等效电路图如下页图i i 9 所 示。 l 由图i i 9 可知，因为o 0 6 n ( ( t z , ，故为简便起见，可将z ，忽略。因此， 图i i 9 可进一步等效为下图i i 1 0 。 利用图i i 1 0 的等效电路和式( 2 4 ) 的四端网传输方程即可求得机车 信号感应线圈下钢轨内的电流值匕。若j 白，。( 机车信号的入口电流值) ， r _ i l _ 、 北方交通大学硕士学位论文第3 7 页共9 9 页 一 图i i 9 带机车信号轨道电路的等效电路图 勺 d 厂( 一 、 l c 4 图i i 1 0 带机车信号轨道电路的等效电路图 则满足机车信号状态。 匕的计算方法：采用单位电流或单位电压法( 具体可参见受电端的过载 校核，此处略) 。 求出以后，即可利用下列公式( 2 3 6 ) 求出匕 吃：盟如= 堡i l o 。，一 u 。u | 第三章2 5 h z 相敏轨道电路的工作原理 第一节2 5 h z 相敏轨道电路概述 铁路牵引动力实施工频交流电气化以后，其牵引电流会对轨道电路产生 干扰，因此，要求使用在电气化区段内及其邻近的轨道电路，除具备检测轨 道区段内有无列车( 车辆) 占用的功能外，还必须具备一定的抗牵引电流干 扰的能力。那么，采用什么方法来实现这一要求哪? 一般情况下，采用轨道 电路的信号电流频率与牵引电流的频率( 包括其谐波) 不同的方法，使轨道 电路的接收设备只有接收到由发送设备发出的信号时，才允许其工作。2 5 h z 相敏轨道电路就是基于这一原则而设计的一种适应铁路电气化抗干扰要求的 轨道电路。 2 5 h z 相敏轨道电路是采用2 5 h z 交流电源连续供电，轨道接收器采用二元 二位轨道继电器。其原理电路如图i i i 一1 所示。 图1 i i 一12 5 h z 相敏轨道电路原理图 北方交通大学硕士学位论文 从图中可以看出，电源屏从电网取5 0 h z 交流电源，经屏内专设的两类 2 5 h z 分频器( 一类是轨道分频器，另一类是局部分频器) 分频后，供出2 5 h z 交流电源分别作为轨道电路的轨道电源和局部电源。2 5 h z 相敏轨道电路的优 越性在于： 1 由于采用二元二位继电器作为轨道电路的接收器，而二元二位继电器 本身具有可靠的频率选择性和相位选择性，故不需要设置专门的滤波器，就 能使轨道电路满足铁路信号安全设备“故障一安全”的要求。因而，具有较 高的抗干扰性能，并且可以做到设备简单、工作稳定、便于维修、防雷性能 良好： 2 由于2 5 h z 分频器的固有特性，当两个分频器的5 0 h z 输入端反相连接 时，则其2 5 h z 输出电压间呈9 0 。相位差。由于在继电器室内2 5 h z 轨道电源屏 中设有专门的局部和轨道分频器的定相电路，因此，由电源屏输出的局部电 压恒定超前于轨道电压9 0 。同时又由于在轨道电路的接收端，并联接入轨道 防护盒，从而改善了轨道电路的传输性能，大大减少了轨道电路传输中的衰 耗和相移。所以，轨道电源经轨道电路各环节传输后，作用在轨道继电器轨 道侧上的电压( 或电流) 与作用在轨道继电器局部侧上的局部电源电压之间 的相位角仍可接近理想相位角。故可采用集中调相方式且不需要再对轨道电 路的相位进行个别调整。从而使轨道电路的设计、施工和维修大为简化； 3 由于轨道电路采用较低的信号频率，则钢轨阻抗相应较低，消耗在轨 道电路钢轨线路上的功耗也相应较小。所以不论对功率消耗或轨道电路的传 输长度来说，都具有一定的优越性。 第二节二元二位继电器的动作原理和相位选择性 2 5 h z 相敏轨道电路的轨道接收器是采用二元二位继电器，它属于