ZPW-2000A型電氣絕緣節漏碼信號問題研究

仝百祥,李懷峰,聶勇

（1.華東交通大學經濟管理學院,江西南昌 330013;2.鄭州電務段,河南鄭州 450052）

ZPW-2000A型電氣絕緣節漏碼信號問題研究

仝百祥1,李懷峰2,聶勇2

（1.華東交通大學經濟管理學院,江西南昌 330013;2.鄭州電務段,河南鄭州 450052）

論述了電氣絕緣節的基本工作原理,說明無絕緣軌道電路絕緣節通過串并聯諧振實現絕緣隔離的基本機理.其次闡述了軌道小軌道與主軌道電路之間的基本關系及縮短調諧區死區段的基本情況,同時針對鐵路區間自動閉塞信號設備ZPW-2000A無絕緣軌道電路,在距電氣絕緣節(調諧區)送電端第3個電容左右處地點,機車信號接收器收到的漏碼信號達到最大值;第3個電容開路時,小軌道電路接收電壓值下降最大等現象進行了理論研究,探尋上述現象的理論依據.

電氣絕緣節;漏碼信號;研究

長期以來,ZPW-2000A型自動閉塞設備中的無絕緣軌道絕緣的串碼問題一直困擾著大家,在距調諧區3～4個電容之間,串碼信號最大.最近我們又發現當距調諧區350m左右的電容斷路時,即距調諧區第3個電容斷路時,對小軌道的影響最大.本文就出現這種現象的原因進行理論研究.

1 ZPW-2000A無絕緣軌道電路電氣絕緣節串碼情況

在北京全路通信信號研究設計院2007年關于ZPW-2000A軌道電路“工作頻率干擾”及“紅光帶”問題的討論資料中有如下描述：①列車向送電段運行、機車信號接收到的漏電電流波峰值和波谷值交替出現數次,距送電段第3個電容附近.機車信號外漏電電流出現最大波峰.②列車向送電端方向運行,機車信號接收到的漏電電流波峰值和波谷值交替出現數次.峰值的間隔約3～5個電容間距.[1]2011年鄭州電務段試驗室發現在ZPW-2000A區間軌道電路中,當距軌道電路送電端調諧區第3個電容C3斷路時,對軌道電路影響最大,其它地點影響較小.如表1所示.

表1 ZPW 2000區段（有小軌）測試統計

以上這兩種現象具有共性,即在接近發送端,距送電端第3個電容左右處是軌道信號傳輸的一個關鍵點.當這一點處有列車駛入或者此處電容開路,即此處的電容短路或開路,都會對軌道傳輸信號產生較大影響.對于機車而言,接收到相鄰區段的串碼信號會達到最大；對小軌道而言,會使其接受的電壓達到最低.

2 ZPW-2000A無絕緣軌道電路電氣絕緣節（調諧區）

2.1 ZPW-2000A電氣絕緣節的構成

ZPW-2000A無絕緣軌道電路電氣絕緣節的構成,電氣絕緣節長29m,在兩端各設一個調諧單元（簡稱BA）,在其中部有空心線圈SVA.對于較低頻率（1 700,2 000）端,設置L1、C1兩元件的F1型調諧單元；對于較高頻率（2 300,2 600）端,設置L2、C2、C3三元件的F2型調諧單元[2].如圖1所示.

圖1 ZPW--2000A電氣絕緣節原理

2.2 電氣絕緣節（調諧區）基本原理

為了解決電氣絕緣節（調諧區）斷軌檢查問題,ZPW-2000A型無絕緣軌道電路將軌道電路分為主軌道電路和調諧區小軌道電路兩部分,發送器同時向線路兩側主軌道、小軌道電路發送信號,接收器除接收本區段主軌道電路信號外,還接收相鄰區段小軌道電路的頻率信號.將小軌道電路視作列車運行前方主軌道電路的所屬“延續段”,作為小軌道的“延續段”信號由運行前方相鄰軌道電路接收器處理,并將處理結果形成小軌道繼電器執行條件（XG、XGH）送至本軌道電路接收器,作為軌道電路繼電器（GJ）勵磁的必要條件（XGJ、XGJH）之一.這樣處理以后,大幅度減少了電氣絕緣節（調諧區）死區長度（從20m減少到5m以內）,如圖2所示[3].

圖2 ZPW-2000A主臨軌道電路設備電路連接

以圖3為例,A區段軌道電路發送器FSA發送f2（2 300Hz、2 600Hz）的信號,B、C區段軌道電路發送器FSB、FSC發送f1（1 700Hz、2 000Hz）的信號,諧振電路L1,C1構成漏聯諧振,諧振頻率f2,漏聯諧振阻抗很小,可以看成短路.因此,頻率f2的信號在EF和E’F’處相當于短路.與A軌道電路發送器相連的諧振電路L2、C2、C3（F2型BA）對頻率f2的信號呈現容性,相當于一個電容C.該電容C和其右側鋼軌AC、CE、FD和DB的電感Lg/2及一個空心線圈的電感Ls混聯而成的等效電感Lf2構成并聯諧振槽路,如圖3所示.諧振頻率為f2,AB兩點呈現高阻抗.因此,發送器FSA發送的f2信號,在AB兩點形成高電壓,延著A軌道電路,向左側傳輸到接收端,向右傳輸的信號被EF短路.A軌道電路接收端,L2、C2、C3對f2呈現容性,相當于一個電容C.該電容C和左側鋼軌A’C’、C’E’、F’D’和D’B’的電感Lg/2及一個空心線圈Ls混聯而成的等效電感Lf2構成并聯諧振槽路,如圖4所示.諧振頻率為F2,A’B’兩點呈現高阻抗.因此,對從發送端傳輸來的f2信號產生較高電壓,被接收器JSA接收,動作軌道繼電器.繼續向左傳輸的f2信號被E’F’點短路掉[4].

圖3 ZPW-2000A電氣絕緣傳輸原理

3 電氣絕緣節的傳輸分析

從電氣絕緣節的絕緣機理來看,電氣絕緣節的絕緣功能是建立在元器件及諧振的理想狀態下的.實際上,元器件本身及諧振狀態不可能達到理想化狀態.其一,線圈內阻及連接線電阻、電感等因素是客觀存在的,雖然考慮到了抵消引接線阻抗的影響,但元器件不可能達到理想狀態；其二,鋼軌電感、空心線圈電感及鋼軌間分布電容等因素亦會產生影響.

在調諧區,F1型BA和F2型BA是并聯關系,設并聯后電氣絕緣節等效為一個L、C串聯網絡.假定存在這樣的L、C串聯諧振網絡,既對f2信號產生串聯諧振,又對f1信號產生串聯諧振,那么,必然有f2=1/（2π√LC）,f1=1/（2π√LC）,即f1=f2,與f2﹥f1矛盾.因此,不存在這樣的L、C串聯諧振網絡.

從以上分析知,電氣絕緣節經F1型BA、F2型BA和四小段鋼軌電感Lg/2和一個空心線圈電感Ls混聯后,必然存在既不對f1完全產生串聯諧振,也不對f2完全產生串聯諧振這種情況,必然產生串頻問題.

對于小軌道接受信號而言,絕緣節呈現低的“零阻抗”,阻抗低,信號電流大.對于略顯容性的BA調諧單元兩端,接收器可以獲得一定程度的能量,這種能量是以微量幅度的信號沿著鋼軌向外傳輸出去[5].

上述這種信號我們稱之為漏泄信號或串頻信號.對于此信號傳輸,一定存在一個傳輸最大點,這一點一定是在阻抗并聯諧振點上.

4 軌道傳輸通道并聯諧振研究

電氣絕緣節簡化等效電路（忽略連接線阻抗、BA、SVA內部電阻、電容等因素）如圖4所示：

圖4 ZPW-2000A電氣絕緣節簡化等效電路

無論是小軌軌道繼電器接收的信號或是機車信號接收到的漏碼信號都屬于漏碼信號,即應該通過串聯諧振短路而未完全短路掉的信號.

由于漏碼信號是應該短路而實際未短路掉的部分沿著軌道繼續傳輸的部分信號,以f2＝2 300 Hz, f1=1 700Hz由A向B方向傳輸（如圖3所示）,當機車在B區段運行時,接收的f1信號是正常信號,接受到的f2信號則為漏碼信號.

以f2信號為漏碼信號為例進行研究.

f2信號在F2上產生并聯諧振,f2信號在F2的兩端電壓值為最大.那么在軌道傳輸通道的某一點是否亦存在并聯諧振點？

對于60 kg鋼軌,鋼軌電感為1.3μH/m,頻率為f2=2 300Hz時,鋼軌感抗Z=0.019 jΩ/m,50m的阻抗Zl1約為0.8 jΩ,100m,Zl2為1.9 jΩ.對于補償電容C=50μF,頻率為f2=2 300Hz時的容抗Zc為-1.4 jΩ.

現在計算分別在第一個電容,第二個電容,第三個電容,第四個電容時,軌道傳輸阻抗的情況.因為軌道傳輸通道諧振點取決于阻抗的虛部,所以,計算時不必考慮電阻的情況.另外,漏泄電阻處處存在,但對于短距離鋼軌來說,漏泄電阻較大,為使問題簡單化,近似按照開路處理.

（1）第1個電容處短路時,軌道傳輸通道電路如圖5（a）所示：軌道阻抗Z等于鋼軌長度為100m,感抗為1.9 jΩ.

（2）第2個電容處短路時,如圖5（b）所示：

（3）第3個電容處短路時,如圖5（c）所示：

圖5 區間軌道電路電容補償節

（4）第4個電容處短路時：

從第3個電容處短路時鋼軌阻抗為-10.4 j及第4個電容處短路阻抗為0.7 j情況看,一定存在一個短路點,使得軌道虛部阻抗Z為0.設此點為b,b點距第三個電容的距離為r,則短路點鋼軌據第3個電容的短路阻抗為Zr=2×r×0.019=0.038r jΩ.

由上述計算及電容分布情況,諧振點距調諧區距離為：50+100+100+33=283m.

5 結論

諧振點距調諧區距離為283m,此點基本處于距調諧區第3個電容處左右.因此,在第3個電容左右處,漏碼在鋼軌兩端電壓達到最大值；對于小軌道接受電壓而言,當距調諧區的第3個電容開路后,因傳輸軌道阻抗對調諧區漏泄信號的反射阻抗降低幅度最大而使得小軌道電壓降低幅度最大,而其它電容不是諧振點,所以反射阻抗影響相對小些.這是無絕緣軌道電路漏碼信號幅度最大及距調諧區第3個電容斷路影響調諧區小軌道電路繼電器接收的電壓值最大的原因所在.

[1]北京全路通信信號研究設計院.ZPW-2000A軌道電路“工作頻率干擾”及“紅光帶”問題的討論[C]//全路電務工作會議,武漢,2007-12：13.

[2]林瑜筠,李鵬,李岱峰,等.鐵道信號新技術概論[M].修訂版.北京：中國鐵道出版社,2010：92-93.

[3]趙自信,薛文麗,安海軍,等.ZPW-2000A無絕緣移頻自動閉塞系統[M].北京：北京全路通信信號研究設計院,2003：2-3.

[4]劉朝英,林瑜筠.鐵道信號概論[M].北京：中國鐵道出版社,2010：125-130.

[5]李文海.ZPW-2000A移頻自動閉塞系統[M].北京：中國鐵道出版社,2010：6-17.

Study on the leakage code signal of the electrical insulated joints for the ZPW-2000A

Tong Baixiang1,LiHuaifeng2,NieYong2
（1.Economicmanagement instituteof the EastChina traffic university,NanChang330013,China; 2.Zhengzhou DianWuDuan,ZhengZhou 450052,China）

This paper first discusses the electrical insulation section of the basic working principle,and also describes the basic mechanism of insulation isolation that is realized through the insulation track circuit series and parallel resonance.Secondly,this paper expounds the basic relations of the small rail track and main rail track in the syntonic section and the basic situation about shortening the death section of the tuning area.At the same time, aiming at the electrical insulated joints of the railway automatic block signal equipment ZPW-2000A,the locomotive signaling equipment receive themaximum value of the leakage code signal at the third capacity far from the syntonic section.When the third capacity opening,the receiving signal of the small trick circuit is get down the lowest.The paper dealswith the above-mentioned phenomenon in theory,in order to find out the theoretical basis.

electrical insulated joints,leakage code,research

U284

A

1008-7516（2011）05-0101-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2011.05.024

2011-06-22

仝百祥（1962-）,男,河南原陽人,高級工程師.主要從事鐵道信號方面研究.

盧奇）