（交通信息工程及控制专业论文）谐振式无缘轨道电路传输特性及仿真的研究.pdf

北方交通大学硕士学位论文摘要 摘 y 3 9 6 2 3 要 f 随着电气化铁路的发展，我国既有的交流计数、极频、移频三 种自动闭塞制式由于信息量少，不能适应主要繁忙干线发展重载、 高速、交流电力牵引的需要。在1 9 8 9 年郑武线电气化铁路改造时引 进了法国u m 7 1 型轨道电路。u m 7 1 型轨道电路工作稳定可靠而且 其设备的国产化程度日益提高，因此它成为目前正逐步推广使用的 轨道电路。 但是u m 7 1 型轨道电路的最大长度在道碴电阻1 5q k m 时为 1 5 0 0 m ，在道碴电阻1 0q k m 时仅为l l o o m ，在当时郑武线引进 时，轨道电路长度满足了四显示自动闭塞方式的要求。现在为了满 足提速后制动距离增加及三显示闭塞分区长度的要求，特别是在我 国道碴电阻较低的情况下，为了实现如武广线要求的当道碴电阻1 0 q k m 时，轨道电路长度要达到1 5 0 0 m 的要求，一种途径是重新 设计研制新设备；另一种途径是在不改变轨道电路发送设备和接收 设备的情况下，如何改变轨道电路的传输特性以增加轨道电路的长 度。地 本论文对影响谐振式无绝缘轨道电路传输特性的各种因素进行 分析，提出一个优化方案。经过优化后增加了轨道电路长度，能满 足铁路运输生产的需要。论文还在分析研究谐振式无绝缘轨道电路 的传输特性基础上，对其各种工作状态进行了计算机仿真。这是一 种轨道电路进行测试的新方法，因此谐振式无绝缘轨道电路传输特 性及仿真的研究有重要的实际应用价值。 关键词：铁路信号、轨道电路、补f 稚容、计算机仿真、 i ! 互奎望奎兰堡主兰垡笙苎 垒! ：! 竺! a b s t r a c t t h ea u t o m a t i cb l o c km o d en o w a d a y s w h i c hi n c l u d e st h ea c c o u n t i n gc o d e ，f r e q u e n c y s h i f t a n d p o l a rf r e q u e n c yc o d e ，a s e l e c t r i c r a i l w a yd e v e l o p i n g ，c a n n o tf i tf o rt h en e e do fr a i l w a yw h o s ec h a r a c t e r s a r eh e a v yl o a d ，h i g hs p e e da n d a l t e r n a t i n ge l e c t r i f i c a t i o nr u n n i n go nb u s y m a i dl i n ei nc h i n a u m 一7 1t r a c kc i r c u i t i n t r o d u c e df r o mf r e n c hw h e n z h e n g w ui i n ew a sr e b u i i t c a l lw o 呔i ns t a b l es t a t ea n dh a sb e e nu s e d w i d e l yw h i l em o s to fi t sp a r t sc a nb em a d ei nc h i n a t h eg r e a t e s tl e n g t ho fu l v l 一7 1t r a c kc i r c u i ti s1 5 0 0 mw h e ns t o n e r e s i s t a n c ei s1 5a n di s o n l y1 1o o mw h e ns t o n er e s i s t a n c ei s 1 o 1 1 1 e l e n g t ho ft r a c kc i r c u i t ，w h i c hw a se n o u g hf o rf o u r - a s p e c to fa u t o m a t i c b l o c km o d ew h e nb e i n gi n t r o d u c e di n t oz h e n g w u l i n e ，i sn o te n o u 2 l l f o r t h r e e 。a s p e c to f a u t o m a t i cb l o c km o d ea n d b r a k i n gd i s t a n c ea f t e rs p e e d r a i s i n g h o wt of i l lt h en e e do fc i r c u i tl e n g t ho ft h r e e a s p e c ta n db r a k i n g d i s t a n c e ，e s p e c i a l l y u n d e rl o ws t o n er e s i s t a n c e ，f o ri n s t a n c e 1 0i n z h e n g w u l i n e o n ew a yi st od e s i g nn e w e q u i p m e n t w h i l et h eo t h e ri s h o wt oc h a n g et h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c st oa c c r u et h el e n g t ho ft h e t r a c kc i r c u i ta st h ee q u i p m e n to f t h es e n d i n ga n d r e c e i v i n gs t a yt h es a n l e s o m ef a c t o r st h a ta f f e c tt h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i e so ft h e s y n t o n i cj o i n t l e s st r a c kc i r c u i ta r es t u d i e di nt h i sp a p e r , a n da no p t i m i z e s c h e m e ，w h i c hc a ni n c r e a s et h el e n g t ho ft r a c kc i r c u i tt os a r i s f yt h e r e q u i r e m e n to fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，i sg i y e n b a s e do nt h ea n a l y s i so f t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y n t o n i cj o i n t l e s st r a c kc i r c u i t ，t h i s p a d e rd o e ss o m er e s e a r c ho ni t sw o r ks t a t eu s i n gc o m p u t e ra n a l y s i s t h e m e 血o dd i s c u s s e di nt h i sp a p e ri san e w w a y t o a l l a l y z er a i l w a yc i r c u i t a n dt h e s t u d y o ft h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i e sa n ds i m u l a t i o no f s y n t o n i ci o i n t l e s st r a c kc i r c u i th a st h ev a l u eo fa p p l i c a t i o n k e y w o r d ：r a i l w a ys i g n a l i n g ，t r a c kc i r c u i t ，c o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r , c o m p u t e rs i m u l a t i o n 北方交通大学硕士学位论文 第一章前言 1 1引言 第一章前言 近年来，铁路信号系统成功地应用了微电子学、自动控制和计 算机等先进技术，把数据采集、信息传输、数据处理和过程控制联 成一体，向自动化、数字化、智能化的现代化控制领域迈进。轨道 电路作为铁路信号的核心部分之一，其结构更是目前国内外都在积 极研究的问题。 轨道电路作为自动闭塞的核心，它的性能直接影响自动闭塞系 统的性能；同时，由于它的工作环境恶劣，它又是信号设备的一个 薄弱环节。一些统计资料表明，信号设备故障很大部分出现在轨道 电路。因此，对轨道电路的研究是提高信号设备整体性能的一个重 要方面。 随着铁路运量增加，列车重量、行车速度和密度也将不断提高。 特别在与公路和航空运输激烈竞争的条件下，出现了高速铁路。高 速铁路对线路质量提出了更高的要求。以往的轨道电路采用机械绝 缘节，这种轨道电路的缺点之一是绝缘节失效率高。另外，为了提 高线路质量，应用长钢轨的线路也越来越多，而在长轨区装设绝缘 是十分困难。它必须切割钢轨，工程复杂，耗资大，又使线路质量 下降。在这种情况下，人们开始研制一种不加绝缘节而利用电气隔 离区分不同的区段的轨道电路，这就产生了无绝缘轨道电路。 1 2无绝缘轨道电路的优点 无绝缘轨道电路和有绝缘轨道电路相比主要有下列几个方面优 点： 第一方面，有绝缘轨道电路在运营中其轨端绝缘节是最薄弱的 环节，故障率比较高。根据原苏联的统计，轨道电路在运营中，由 于绝缘节破损发生的故障数目，在区间内约占故障总数的2 5 ，在 车站内约占故障总数的4 0 到5 0 。根据我国的经验，一般一对绝 北方交通大学硕士学位论文 第一章前言 缘节在干线区段，应用期约为三个月。这不仅加大轨道电路的维修 费用，也是造成列车晚点，打乱运输计划，影响运输任务完成的主 要原因。无绝缘轨道电路去掉了故障率高的机械绝缘接头，大大地 提高了轨道电路的可靠性。 第二方面，有绝缘轨道电路在长轨区段安装轨端绝缘有一定困 难，它必须切割钢轨，一对轨端绝缘需要三处切割钢轨。这造成结 构复杂，费用高，线路质量也相应下降。无绝缘轨道电路在长钢轨 区段安装不用锯轨，减少了列车运行阻力，减少了列车的振动和噪 声，减少了钢轨线路和机车车辆轮缘的磨损，改善了钢轨线路运营 质量。 第三方面，在电化区段，为了让牵引电流在闭塞分区轨端绝缘 处导通，有绝缘轨道电路在钢轨绝缘处装设了体积大而且笨重的扼 流变压器。无绝缘轨道电路不再需要扼流变压器。 1 3无绝缘轨道电路的分类 无绝缘轨道电路按原理可分两大类【4 1 ： 第一类是谐振式，又称电气隔离式。它是在轨道电路的分界处， 采用电容和一部分钢轨的电感构成谐振回路。另外，相邻轨道电路 采用不同频率的信号电流，使轨道电路电气隔离。谐振式根据电气 分割接头的构成又可分为具有s 形线谐振式和两边有谐振单元中央 设空芯线圈谐振式。法国的u m 7 1 型无绝缘轨道电路属于谐振式。 第二类是自然衰耗式。它是利用轨道电路的自然衰耗，相邻轨 道电路采用不同频率的信号电流，利用在轨面外进行滤波的原理使 相邻轨道电路的工作互不影响。根据它的接收方式，又可分为电压 接收式和电流接收式。日本的无绝缘轨道电路属于自然褒耗式。 1 4谐振式无绝缘轨道电路的工作原理 1 、谐振式无绝缘轨道电路的构成原理 无绝缘轨道电路的电气分隔接头，对相邻两轨道电路的隔离原 理是根据对偶原理类似于有绝缘轨道电路的轨端绝缘而构成的。有 绝缘轨道电路的轨端机械绝缘在相邻轨道电路交界处的电气参数 为：阻抗z = 一，电流i = o 。它的对偶电路是导纳y 对应阻抗z ，电 北方交通大学硕士学位论文第一章前言 压v 对应电流i ，这两者互相 转换所建立的关系是完全相同 的。谐振式无绝缘轨道电路的 构成原理如图，用短路线 代替机械绝缘接头，因而相邻 轨道电路交界处的电气参数 是：用y = 。来代替z = 一，用 v = 0 来代替i = 0 。 jc ti c 11 _ v i ；t ql bdf 图i - 1 电气隔离式无绝缘轨道电路构成 由于在c d 处短路，在距c d 很近的a 和b 点间连接一电容c 1 ， a 、c 和b 、d 间钢轨具有感 性，因此a c d b 间构成一 个谐振回路。这个电路对信号 频率相当于并联谐振电路，它 的并联阻抗的频率特性如图1 2 所示，从曲线可知：在信号 频率为一时，电容c 。两端的阻 抗z 。呈高阻抗；当信号频率 为 时，电容c ，两端的阻抗 ：。，呈高阻抗；从而有利于实 现信号电流发送和接收。 图1 - 2 电气分隔并联阻抗的频率特性 2 、谐振式无绝缘轨道电路的类型 对于象图1 一l 这种简单的无绝缘轨道电路，在区间内是不能采 用的，因为车辆在c d 短路线附近不能得到可靠分路。在实际中使 用的谐振式无绝缘轨道电路有下面两种： 第一种是带有s 形轨道跳线的谐振式无绝缘轨道电路如图1 3 所示。 a 轨道电路的发送器f s a 由电容c l 、c d 段钢轨i i 的电感工。 d m 、段连接线电感三。，及它们之间的互感m 。，构成谐振频率为z 的并 联谐振槽路，因此发送电容c l 两端呈现高阻抗。当a 轨道电路发送 器f s a 产生频率为z 的信号，在电容c 1 两端相连的两点m 、c ，也即 在发送端轨面a c 两点形成较高电压；此：信号沿着a 轨道电路向接 收端传输。接收器由电容c ，、钢轨i 的b a 段电感l b o 、黝段连接线 i ! 查銮望查兰堡主兰焦笙奎 兰二兰堑直 电感。及它们二者之间互感m 。构成谐振频率为z 的并联谐振槽 路，因此接收电容c ：两端呈现高阻抗。沿着a 轨道电路传输来的z 信号，在电容c 2 两端相连的b m 两点，也即接收端轨面b d 两点，有 较高电压，从而被接收器j s a 接收，动作轨道继电器a 上厂_ 一 i 舫 cb 夏u a 他。 nn 佻。 一f 2 刖丁 一 u 丁 图1 - 3具有s 形线的电气分隔接头 b 、c 轨道电路的发送器f s b 、f s c 和接收器j s b 、j s c 的连接 方式与a 轨道电路相同。不同的是，b 、c 轨道电路发送和接收的 是频率为 的信号。a 和b 、c 轨道电路除了利用不同频率的信号 互相隔离外，还采用s 形短路跳线，使它们彼此隔离。 s 形轨道跳线的长度等于a m 加m d ，它随着信号频率的增高而 减小。在电气隔离区段内无死区段，但有分路重迭区段。分路重迭 区段的最大长度为a d 、和a d 。在分路重迭区内机车信号将收到两种 载频信号。由于s 形轨道跳线把两根钢轨短路起来，使轨道电路不 平衡系数大大减少，减少了电化干扰。 n 图t - 4 两边有谐振单元中央设空芯线圈的电气分隔接头 北方交通大学硕士学位论文第一章前言 另一种谐振式无绝缘轨道电路其原理电路如图i 4 所示。在电 气分隔接头中间装设空芯线圈。，主要起平衡牵引电流的作用，因 为它对5 0 h z 牵引电流的阻抗很小，相当与短路，而对音频信号的阻 抗较大。a 轨道电路的发送器f s a 发送频率为厶的信号。b 、c 轨 道电路发送器f s b 、f s c 发送频率为z 的信号，且一 。谐振电 路厶、c 构成串联谐振，对谐振频率为厶的串联谐振阻抗很小，只 有千分之几欧姆。因此频率为工的信号在e f 和e 、f 处相当于短路， 使在a 轨道电路中的信号电流不会混入b 、c 轨道电路，起到a 轨道电路与b 、c 轨道电路相隔离的作用。 与a 轨道电路发送器f s a 相连的谐振电路厶、c 、e 对频率 信号呈容性，相当于一个电容c 。该电容c 和其右侧四小段钢轨 a c 、c e 、f d 和d b 的电感及空芯线圈的电感构成并联谐振槽路， 其谐振频率为厶，在a b 两点间呈现高阻抗。因此发送器f s a 发送 的信号在a b 两点形成高电压，沿着a 轨道电路，向左侧传输到 接收端。和a 轨道电路接收器j s a 相连的谐振电路厶、c ，、c ，对 厶信号也呈现容性，相当于一个电容c 。该电容c 和左侧四小段钢 轨a 、c 、c 、e 、f d 和d 、b 的电感及一个空芯线圈的电感混连构成 并联谐振槽路，其谐振频率为工，在a 、b 、两点间呈现高阻抗。因此 对从发送端传输来的 信号在a b 、两点间产生较高的电压，被接收 器j s a 接收，动作轨道继电器。 1 5轨道电路传输特性问题的提出 根据轨道电路的工作原理和用途对其提出的基本要求是：当轨 道电路空闲，并设备完整时，轨道继电器衔铁应处在吸起状态，前 接点闭合。而当轨道电路被列车占用，或设备发生断轨断线等故障 时，轨道继电器应该释放衔铁，后接点闭合。根据这些基本要求在 设计、计算和研究轨道电路时，应分析三种基本工作状态即调整状 态、分路状态、断轨状态。 但是，轨道电路在这三种状态下工作情况，与它的三个可变参数 有关，这三个可变参数就是： 1 、电源电压，无论采用直流电源或交流电源，它的端电压都有 一定的波动，因此，要求当电源电压在规定的范围以内变化肘，轨 北方交通大学硕士学位论文 第一章前言 道电路的各种工作状态都能稳定可靠地工作； 2 、钢轨阻抗，钢轨阻抗包括轨条本身的阻抗以及轨端的阻抗( 由 鱼尾板、钢轨接续线等形成的阻抗) ：前者对一定频率的电流来说是 固定不变的，而后者受到某些因素的影响，波动范围很大，因此， 总的来讲钢轨阻抗不是常数。 3 、道碴电阻，由于钢轨敷设在枕木上，而铺在路基上的枕木周 围都埋在道碴中，因此，通过钢轨的电流，有一部分要通过枕木道 碴和大地形成漏泄。道碴电阻随着道碴和枕木湿度及气温条件等因 素变化极大，同一轨道电路的道碴电阻可由每公里1 欧左右变到每 公里1 0 0 欧以上。 由于轨道电路的三个变参数对它的三种基本工作状态所产生的 影响各不相同，而轨道电路的任务，要求只要参数的变化不超出规 定的范围，就应该保证它的三种基本状态都能够稳定可靠地工作。 我国自1 9 5 8 年引进了前苏联的交流计数轨道电路后，在6 0 年 代末7 0 年代初又自行研制了移频轨道电路和极频轨道电路，并在我 国铁路上大量推广使用，但这些轨道电路都是有机械绝缘节的有绝 缘轨道电路。为了适应电气化铁道的发展，在1 9 8 9 年郑武线电气化 铁道改造时，引进了法国u m 7 1 型轨道电路，并从1 9 9 1 年开始陆 续在郑武线、广深线、京郑线、沈山线上安装并开通运行。u m 7 1 型轨道电路工作稳定、可靠性高，而且u m - 7 l 型轨道电路设备国产 化程度日益提高，达到完全国产化已为期不远，因此它是一种很有 推广价值的轨道电路。 但是u m 一7 1 型轨道电路的最大长度在道碴电阻1 5q 公里时 为1 5 0 0 m ；道碴电阻为1q 公里时仅为l l o o m 。在当时郑武线引 进时，轨道电路长度满足了四显示自动闭塞方式的要求。现在为了 满足提速后制动距离增加及三显示闭塞分区长度的要求，特别是在 我国道碴电阻较低的情况下，如何满足轨道电路长度的要求，如武 广线要求当1 0q 公里，轨道电路长度要达到1 5 0 0 米。 为了达到道碴电阻1 0q 公里，轨道电路长度1 5 0 0 米的要求， 一种途径是重新设计研制设备；另一种途径是在不改变发送设备和 接收设备的情况下( 设备通用) ，如何改变轨道电路的传输特性以增 加轨道电路的长度。 一6 北方交通大学硕士学位论文 第一章前言 1 6论文的主要工作 论文从影响谐振式无绝缘轨道电路传输特性的各种因素分析入 手，以电信网络分析基本理论为基础，对电容补偿的方法和补偿电 容值的计算进行了系统的分析，推导出最佳补偿电容值计算公式， 提出电容补偿方案；利用轨道电路的工作衰耗计算式分析发送端、 接收端阻抗匹配连接和不匹配连接对传输的影响，再通过对电气绝 缘节调谐单元各个元器件值的计算和谐振阻抗值幅频特性的分析， 提出并联谐振阻抗值的调整方案，使其与改进后轨道电路特性阻抗 达到匹配。论文最后对优化后的谐振式无绝缘轨道电路的调整状态、 分路状态、断轨状态和机车信号工作状态进行研究分析，推导出谐 振式无绝缘轨道电路电气分隔接头内的分路状态计算方法及“死区 段”长度的分析方法：并用m a t l a b 语言利用网络传输方程建立的 数学仿真模型对谐振式无绝缘轨道电路调整状态、分路状态、机车 信号工作状态进行了计算机仿真，并将全部的改进引入仿真程序， 检验分析计算结果。同时，计算机仿真的研究给轨道电路测试提供 了一个新的方法。因此谐振式无绝缘轨道电路传输特性及仿真的研 究有重要的实际应用价值。 北方交通大学硕士学位论文第二章无绝缘轨道电路的分析基础 第二章无绝缘轨道电路的分析基础 2 1轨道电路的一次参数 谐振式无绝缘轨道电路和其他轨道电路一样也是利用两根钢轨 作为传输信息的通道。由于利用钢轨传输移频信息，它的传输性能 主要由轨道电路的一次参数( 钢轨阻抗和道碴电阻) 决定。 1 、道碴电阻 道碴电阻的 分布曲线如图 2 1 所示。从图 中看到轨道电路 电能在传输过程 。 中，因两条钢轨 间有电位差存 在，造成电流由 一根钢轨流经枕 木道碴向另一根 钢轨漏泄，漏泄 7 也、，、 ，、， 、， 、，、 ，、，k 岛雌然 i， 澎1 、 ， 【、- 、 迅 u s k 、 ， ： u 3 、，玉蚀7 u s 。一、- u 图2 - i 道碴电阻分布图 电流是沿着轨道线路均匀分布在各个点上，因此轨道电路在电能传 输上属于均匀传输线。沿线路各点的电压不是按直线分布规律，而 是按接近双曲线函数的规律下降的。这是因为在每一单位长度中， 都有漏泄电流的存在，所以使轨道电流逐渐减小，电压也逐渐下降， 只有在没有道碴漏泄的情况下，沿线路各点的电压才按照直线规律 传输。 2 、钢轨阻抗 钢轨阻抗在很大程度上决定于信号电流的频率，频率越高，钢 轨阻抗越大。当较高频率的信号电流流入钢轨时，在钢轨的周围和 内部以及钢轨连接线的周围形成交变磁场，使得钢轨的电阻和电感 两部分均有显著增大。它们增大的原因，一方面是由于钢轨出现集 8 北方交通大学硕士学位论文第二章无绝缘轨道电路的分析基础 肤效应和磁滞作用，使得钢轨导流面积小于它的实际截面，这样就 相当于增加了有效电阻；另一方面是由于钢轨间磁感应耦合( 外部 电感) 及钢轨内部磁通( 内部电感) 使得钢轨电感部分也有所增加。 对于各种信号频率的钢轨阻抗可用下式表示： z = 2 ( + ) + j c o 。 l 。+ 2 ( 厶+ 三。) 】 欧姆公里( 2 1 ) 式中每公里单根轨条的有效电阻； 每公里单根轨条的轨头连接线和鱼尾板并联电阻： 上每公里轨道回路的外部电感； 厶每公里单根轨条的内部电感； t 每公里单根轨条的轨头连接线和鱼尾板并联电感； 信号的角频率。 钢轨的有效电阻和内部电感可用下式表示： i ，一 名= 二以p c o ( 欧姆)( 2 2 ) u l ，：o6 l 4 z , ：0 6 r a ( 亨公里)( 2 3 ) c，“03 式中”钢轨截面等效圆截面的的周界，以米计： p 屯阻率，即长为1 米，截面为l 毫米2 的单位电阻，其 单位为欧毫米2 米，钢轨的电阻系数为p = o 2 1 欧毫米2 米： 从磁渗透率； z 钢轨长度，以米计； 。信号的角频率，其单位为弧度秒； 以，相对磁渗透率。从= 4 t o 1 0 。一 在信号电流小于1 0 安培弱磁场产生的条件下，以，z 1 0 0 。 由公式( 2 2 ) 可以导出1 公里钢轨的有效电阻公式为： ，q 一名= = 兰。彦 ( 欧公里)( 2 4 ) u 式中厂_ 信号电流频率。 两根钢轨回路每公里的外部电感l 可用下式计算： t = 0 4 1 0 3 i n 竺!( 亨公里)( 2 5 ) 北方交通大学硕士学位论文第二章无绝缘轨道电路的分析基础 式中口两根钢轨中心线间距离，以米计； r 一与钢轨截面相等的圆半径，以米计； 其值为：，= 设u m 7 1 型无绝缘轨道电路的钢轨重量为6 0 公斤米，根据钢 轨的标准几何结构可以求得钢轨中心距钢轨边缘为3 6 5 毫米，故两 条钢轨中心线间距离为： a = 1 4 3 5 + 2 o 0 3 6 5 = 1 5 0 8 米。 钢轨等效圆周长为u = 6 7 厘米= o 6 7 米。 钢轨等效圆半径r = 瓦u = 五号毛2 1 0 6 6 厘米。 钢轨连接线与鱼尾板并联的电阻为，c _ 0 2 欧姆公里。 钢轨连接线与鱼尾板并联的电感为l ，= o 1 0 x 1 0 。亨公里。 当频率为1 7 0 0 赫时，钢轨的有效电阻为： 屹= 塑u 厮= 石2 石8 撕面反而而i 瓦玎五矿= o 7 9 欧姆公里： 钢轨的内部电感l 为： 扣9 5 5 l o r ，4 = 9 5 5x 1 0 - 3 黑= 0 0 4 4 x 1 0 - 3 撇里 钢轨的外部电感三。为： 铲0 4 l i l 孚_ 0 4 h 警- 1 0 3 1 0 。掀里。 频率为1 7 0 0 赫的钢轨阻抗为： z = 2 ( t o + ) + j c o c 【三。+ 2 ( 厶+ t ) = 2 ( 0 7 9 + 0 2 ) + ，2 3 1 4 1 7 0 0 1 0 3 + 2 ( 0 0 4 4 + o 1 0 ) 1 0 - 3 = 1 9 8 + j 1 4 0 8 = 1 4 2 2 8 1 9 9 。欧姆公里。 根据计算得轨道电路的钢轨阻抗和频率的关系【即z 可】曲 线如图2 2 和2 3 所示。实际测量值与理论计算值还有一些差异。 i o 北方交通大学硕士学位论文第二章无绝缘轨道电路的分析基础 图2 - 2 钢轨阻抗的幅频特性( iz 】_ ，) 从图2 - 2 中可以得出钢轨阻抗的模值与信号频率成线性关系， 随信号频率的增加而增加。这是因为钢轨的有效电阻和钢轨感抗都 是频率的函数，它们随频率增加而增加。 图2 - 3 钢轨阻抗的相频特性( 巾：- ，( ，) ) 从图2 3 可以得出钢轨阻抗的相位特性在频率较小的时候，随 频率增加而上升较快：在频率较高时，随频率增加而微幅增加。这 是由于钢轨的感抗和信号频率近似一次函数关系，而钢轨的有效电 阻与信号频率成平方根关系，使钢轨的感抗随信号频率上升的增幅 ! ! 童窒堡奎兰堡圭兰堡篁苎 篁三塞垂丝丝垫壅皇些墼坌堑茎型 比钢轨的有效电阻随信号频率上升的增幅要大。同时，由于钢轨阻 抗始终是感性阻抗，所以其相位变化范围在o 9 0 。之间。 2 2无补偿电容时轨道电路的二次参数 2 2 1四端口网络的特性参数 1 、四端口网络的特性阻抗 一般的四端口网络如图2 - 4 所示。由t 参数表示四端口网络的 图2 - 4四端口网络 传输方程，很容易得出以t 参数表示的特性阻抗公式。设任意四端 口网络的t 参数a 、b 、c 、d 为已知，当正向传输时，其传输式 为： 阡 ：h 三： 协s ， 式中：一，：是表示与图2 - 4 中的厶的参考方向相反的电流( 即输出 电流) 。a 代表输出端开路时的电压比，b 代表输出端短路时的转 移阻抗，c 代表输出端开路时的转移导纳，d 代表输出端短路时的 电流比。 在线性无源网络中应遵守互易定理，即4 d 培c ：= 1 。当网络对称 时，a = d 。 如果以z c 。代表l l 端口的特性阻抗，2 代表2 27 端口的 特性阻抗，则特性阻抗值为： ! ! 壅窒望奎兰堡圭兰堡丝塞 丝三童重丝丝垫壅皇堕竺坌堑董型 毛= j 等 ( 2 - ，) z c ：= j 罢 ( 2 - s ) 磊，和乙。分别代表2 2 端口短路或开路时1 1 端i ：3 的输入阻 抗，或简称1 1 端1 ：3 的短路输入阻抗或1 1 端1 ：3 的开路输入阻抗， 其值为： 、 z o l 2 一d ( 2 9 ) 乙= 石a 因此式( 2 7 ) 也可写成 z c l = 4 2 0 1 乙l ( 2 1 0 ) n 样，磊2 和乙：分别代表1 1 端i ：3 短路或开路时2 2 端口的 输入阻抗，或简称2 2 端1 ：3 的短路输入阻抗或2 27 端口的开路输 入阻抗，其值为： z 。z 2 i b ( 2 1 1 ) 一d 7 屯22 石 因而式( 2 - 8 ) 也可写成 z c 2 = z 0 2 z 。2 ( 2 1 2 ) 2 、四端1 ：3 网络的传输常数 四端口网络传输常数的定义【7 1 是：在输出口阻抗匹配的情况下， 输入口的复数视在功率与输出1 ：3 复数视在功率之比的自然对数之 半。用公式表示为： 0 ：_ 1 i n 翼( 2 - 1 3 ) 2 ，2 将式( 2 6 ) 代入e 式得： ! ! 童茎塑奎童堡圭兰堡篁塞 茎三耋垂丝丝垫壅皇堕墼坌堡茎型 臼_ l n 、告缺：l n ( 4 - a d + 瓜) v ( 一1 2 ) 式( 2 - 1 4 ) 也可以写成 肪目s h 万o c h = 堡4 a d = j 善z = j 乏z 口 、。、f。2 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 由此可见，传输常数目可由t 参数或开、短路输入阻抗决定， 它们只决定于网络的结构而与负载无关。同时，由从式( 2 - 1 5 ) 还 可以看出，无论用z o 。、乙，求目或用z 0 2 、乙：求口其结果是一样的， 说明传输常数8 与传输方向无关。 2 2 2 轨道电路与四端口网络的关系 1 、均匀传输线的概念 一般说来，有线通信的架空明线、电缆线、电力系统的电力输 电线、微波传输线、铁道信号运用的轨道电路等都属于传输线。在 分析方法上，这些传输线均可等效成双导线传输线。这些线路一般 都是长线路，线上每一点都具有线路电阻r 、分布电感l 、分布电 容c 、和漏导g 。所以电信号由一端沿线路传送到另一端时，其幅 度和相位都将发生变化。如果线上每一点的r 、l 、c 、g 都一样， 我们称这样的传输线为均匀的传输线【7 l 。 2 、轨道电路的特性参数 z s e z 图2 - 5 轨道电路近似等效电路 由于轨道电路属于传输线的一种，所以它和传输线一样是分布 1 4 - 北方交通大学硕士学位论文第二章无绝缘轨道电路的分析基础 性参数的电路，除了沿线长各点均匀分布串联阻抗外，线上任意两 点导线间还并联有并联导纳，因此很难用集中参数准确地表示。为 了便于分析和研究传输的性能可以用如图2 5 所示的近似等效电路 来代替轨道电路。 设轨道电路的全长为， 将其分成”段，每一小段长 为砌，其中任一小段线的近 似等效电路如图2 6 所示， 整个轨道电路可以看成是由 h 个双端口网络链接组成。 显然只有当t 趋近于无穷大 时，才能更精确地反映出轨 道电路的性能，从图2 - 6 所 图2 - 6 一个小段的近似等效电路 2 不的心端口网络的特性阻抗和传输常数来推导轨道电路的特性参 数。首先看图中1 1 端的特性阻抗乙，从图中得： 弘j 篇= 括 弦 同样，图2 27 端口的特性阻抗为： 弘j 篇= 抒 沼忉 每一小段用集中参数表示成r 型四端口网络，由于1 1 、和2 2 、端 特性阻抗相等，因而图2 - 5 又可看成是由n 个r 型四端口网络匹配 链接而成，整个网络的特性阻抗为z c ，其表示式为： 乙= 乙= 乙= 1 器= 撂 ( 2 - 1 8 ) 在轨道电路无补偿电容时，其值表示为： z c = 丽了= 乒酉眇 ( 欧姆)( 2 1 9 ) z 单位钢轨阻抗( 欧姆公罩) 北方交通大学硕士学位论文 第二章无绝缘轨道电路的分析基础 r 厂一单位道床电阻( 欧姆公里) 口钢轨阻抗的幅角( 弧度) 从该式可看出，轨道电路的特性阻抗仅决定于线路的参数。 每一小段r 型四端口网络的传输常数为： 一 ， 0 r = ( r + j c o l ) ( g + j c o c ) ( 二- ) 月 全长为，的轨道电路的传输常数0 为： 0 = n o r = 、( r + j c o l ) ( g + j c o c ) l = 豕万l 则每公里长度上线路的传输常数) ，为： y = 孚= 瓜面丽巧面= 两 在轨道电路无补偿电容时，其值为： y = 岳= 丹； ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 对交流轨道电路y 为复数：y = 4 - - ，硝 其中芦为轨道电路的衰耗常数，它反映了轨道电路电压、电流 每公里的衰减程度，单位1 ，公里。口为轨道电路的相移常数，它反 映轨道电路电压电流每公里的相移情况，单位弧度公里。 2 3有补偿电容时轨道电路的二次参数 由于谐振式无绝缘轨道电路的的信号载频属于音频信号，每公 里轨道电路的衰耗量很大。根据钢轨阻抗z 是感性的缘故，如果两 根钢轨间并联有均匀分布电容，这将大大改善轨道电路的传输特 性。但实际要做到完全均匀分布的补偿是比较困难的。一般采用集 中电容补偿，即每隔一定距离并接一处电容来实现。 如图2 7 所示，图中，为两补偿电容c 之间的距离。补偿电 容c 的两侧长度为，7 2 的轨道电路四端网络，该网络系数用爿、 a 。a ：，、a ：表示。包括补偿电容c 在内的三个级链的四端网落可 和并为一个四端网络，其系数用a 。、岛、c 0 、d o 表示。 1 6 - 北方交通大学硕士学位论文第二章无绝缘轨道电路的分析基础 ，1 2 俐 白白 上j - ii 下t c 上 申申t c 电气分隔接头k _ = 爿 电气分隔接头 ( a ) ( b ) 图2 7 有补偿电容时的轨道电路的等效电路 c 4 0 鼠 = l 4 a l l 。a 1 2 - 10 ，j l f 4 a , 。m ：1 ：2 c o d o a z z j l j o 贮a ljl 4 -l j l 4 。 ：j 因为网络对称即a 。i 爿：，则电容补偿节网络参数表示为： 4 = 一j + 等q ：如 驴2 厶4 2 + 毒 ( 2 - 2 3 ) c 。22 4z a 2 z + 面z a l l d o = a j + 等q ：如 电容补偿节四端网络的传播常数和特性阻抗为： 0 ，：i n ( 4 + 、佤百)( 2 2 4 ) 弘j 鲁 ( 2 2 5 ) 当有电容补偿的轨道电路，其发送端阻抗匹配、接收端阻抗匹 配，即z 产乙= z c 时，轨道电路的衰耗等于固有衰耗，此时轨道电 路的特性阻抗等于电容补偿节四端网络的特性阻抗，轨道电路传输 北方交通大学硕士学位论文第二章无绝缘轨道电路的分析基础 常数为：y ，：孚 2 4轨道电路的传输方程 1 、由四端口网络特性参数表示的传输方程式 在2 2 1 中用t 参数表示了特性阻抗或传输常数 由这些特性参数表示传输方程式： 旷 k = 1 笋c h o 1 2 厄c i z c 2 s h o y6 c2 仁心壶如扎l j 善拍护 ( 2 2 6 ) 反过来也可 ( 2 2 7 ) 当网络对称时，z c 。= z c 2 = z c ，上式更简化为： k = v 2 c h o 一1 2 z c s h o i ：k1 j h o 一1 (22ch0 2 8 ) 。 z c 2 、轨道电路的传输方程 由于轨道电路的钢轨阻抗和道碴漏泄电阻都是均匀分布的，它 是均匀分布参数传输线中的一种，因此分布参数传输线的基本方程 在轨道电路中也适用，它反映了轨道电路终端( 受电端) 电压和电 流与始端( 送电端) 电压和电流的关系： u s = u z c h d + ，z z c s h y ，。：孕j h f l + i z c h f l ( 2 七9 ) 五c u z = u s c h f l i s z c s h d i z ：i s c h f l 一孕j h d ( 2 - 3 0 ) 式中u 。、i s 轨道电路始端电压和电流； u ：、，z 轨道电路终端电压和电流； z 。、y 轨道电路的特性阻抗和传输常数。 - 1 8 北方交通大学硕士学位论文第三章有补偿电容轨道电路传输特性分析 第三章有补偿电容轨道电路传输特性分析 3 1 引言 在这一章中根据传输线理论，假设轨道电路的发送端、接收端 的等效阻抗与轨道电路本身的特性阻抗相匹配条件下，首先对有补 偿电容的轨道电路和无补偿电容的轨道电路的传输衰耗和传输距离 进行比较，提出延长传输距离的条件。然后分析了最佳衰耗常数， 根据均匀电容补偿和集中电容补偿关系，推导出最佳集中电容补偿 值计算公式。最后讨论了电容补偿和道碴电阻的关系，根据讨论结 果给出电容补偿方案。 3 2轨道电路的传输衰耗和传输距离 3 2 1 调整状态下轨道电路长度的确定 谐振式无绝缘轨道电路在调整状态下所允许的损耗为： 玩= b s 一 2 ( b p l + b e 2 ) + 6 册+ 6 + l + 2 + 6 仃+ 6 仃+ 6 嚣】 ( 3 1 ) 式中b 。是发送器或接收器与电缆之间的失配损耗。b 、b 。是 发送端和接收端的电缆损耗。是发送端或接收端的电缆与调谐单 元之间的失配损耗。k 和是发送端或接收端的失配损耗。6 ，b 是发送端和接收端的电气分隔接头的分流损耗。b 。发送器的输出电 平。6 。是接收器的最小动作灵敏度。 无补偿电容时，轨道电路调整状态的允许长度为： f f _ 志( 拥) ( 3 - 2 ) 式中口轨道电路每公里的固有衰耗( n p ) 。 有补偿电容时，轨道电路调整状态的允许长度为： z ，= = _ 兰，( k m ) ( 3 - 3 ) 8 6 8 6 b 式中电容补偿节四端网络的衰耗( n p ) ； 北方交通大学硕士学位论文第三章有补偿电容轨道电路传输特性分析 ，相邻两补偿电容间的距离( k r n ) 。 3 2 2 无补偿电容时的传输衰耗和传输距离 当轨道电路的发送端、接收端等效阻抗与轨道电路的特性阻抗 相匹配时，根据第二章第二节的公式，可以求出轨道电路每公里的 固有传输衰耗和信号的传输距离。 设轨道电路的信号载频户1 7 0 0 h z ，钢轨阻抗z ；1 5 1 8 2 3 。q 公里，道碴电阻尺尸1q 公里，轨道电路的最大允许衰耗量为 2 0 5 d b 。根据式( 2 - 1 9 ) 和( 2 2 2 ) 可求得： i 厂。= 一l，823 0 卜蚓8 片= 瓜_ 2 9 2 6 u 2 - 5 5 7 ，盥r 8 2 3 0 z c = 4 z r d l e 。2 = 4 1 5 1 e 。2 = 2 9 2 6 + j e 5 5 7 因此每公里轨道电路的衰耗量为： 口= 2 9 2 6 ( n p ) = 2 5 4 2 ( d b ) 轨道电路信号的最大传输距离为： ，= 2 0 5 2 5 4 2 = 0 8 0 7 ( 公里) 由于钢轨阻抗z 是感性阻抗，随轨道电路信号载频的提高，钢 轨的阻抗也相应增大，对音频信号衰耗增大，所以在没有加补偿电 容时，音频轨道电路的传输距离很短，不能满足一个闭塞分区长度 的要求。 3 2 3 有补偿电容时的传输衰耗和传输距离 为了延长轨道电路的传输距离，谐振式无绝缘轨道电路采用沿 钢轨线路每隔一定距离并联一处补偿电容的方法，可以补偿信号传 输过程中的衰耗，增加轨道电路的极限长度，这种有补偿电容的轨 道电路被称为电容补偿式轨道电路。 当轨道电路的发送端、接收端的等效阻抗与轨道电路本身的特 性阻抗相匹配时，根据第二章第三节对有补偿电容轨道电路的特性 参数分析公式，可以求得有补偿电容时每公里轨道电路的传输衰耗。 设补偿电容的安装采用每隔1 0 0 m 在两钢轨问并接一个电容， - 2 0 北方交通大学硕士学位论文第三章有补偿电容轨道电路传输特性分析 电容值为c = 5 0 1 tf 。先求出长度为j 2 = 5 0 m 的轨道电路四端网参 数，由网络的对称性a 。利2 2 得： a l l = c h ( 7 t 2 ) = 1 0 0 2 4 7 十j o 0 1 8 7 1 a 1 2 = z c s h ( z 2 ) = o 0 9 6 5 2 + j o 7 4 8 9 5 a ：丛型型： +，21 0 0 5 0 0 40 0 0 0 3 1 z c 然后根据式( 2 2 3 ) 得电容补偿四端网络的参数： 4 = 鬣+ 丑誓+ a 1 2 a 2 1 = 0 6 0 7 2 5 + j o 1 1 9 2 1 一j c j 2 b o = 2 a l l a l 2 + 粤= o 0 8 8 2 7 + j 1 2 1 0 6 1 一j a c 4 2 c o = 2 4 i a 2 l + 粤= o 0 8 0 2 9 + j o 5 3 9 0 2 一j a c 根据式( 2 2 4 ) 可以求出单个电容补偿节网络的衰耗： 占= i n ( 4 + 风c j ) = l n ( 0 6 9 6 8 + j o 9 2 7 5 9 ) = o 1 4 8 5 5 十j 5 3 0 8 6 4 0 最后根据( 2 _ 2 6 ) 可以求出每公里长的轨道电路衰耗： 屁= 等= 0 1 4 8 5 5 等( 坳) _ 】4 8 5 5 ( n p ) = 1 2 9 0 3 ( d b ) 信号最大传输距离： ，= 2 0 5 ，