（交通信息工程及控制专业论文）轨道电路参数测量和调整的研究.pdfVIP

i e 塞交道厶堂亟堂僮途塞虫塞趟翌 中文摘要 摘要：轨道电路是轨道交通系统中调整列车运行的现代化自动控制与远程控 制系统的重要组成部分，是关系到列车运行安全的基础设备，所以轨道电路的日 常调整和维护都成为确保安全行车、避免行车事故发生的重要工作。 本文介绍了轨道电路的工作原理、轨道电路的一次参数、二次参数，在此基 础上分析了二次参数与载频的关系，需要添加补偿电容来改善轨道电路的传输特 性。与现有u m 7 1 z p w - 2 0 0 0 制式的电容补偿方式作对比，验证了不同载频添加不 同大小的补偿电容能更好地改善轨道电路传输特性，增加信号传输距离。确定电 容补偿方式后，建立了轨道电路参数模型，并使用m a t l a b 对模型进行仿真，其 准确性得到验证。轨道电路参数模型的建立更加直观地体现了轨道电路一次参数、 二次参数与传输信号之间的关系，可以作为轨道电路参数测量、调整的参考依据。 电力牵引区段的两条钢轨，既作为轨道电路的通道来传输信号电流，又作为 牵引电流的回路来传送牵引电流。这两种不同性质的电流在同一对钢轨上传输， 给轨道电路的正常工作带来许多不利影响。传统的轨道电路参数测量方法，使用 普通的工业用测量仪表，为了排除工频牵引电流干扰，都是采取断开被测区段电 力牵引电网电源的手段，大大影响了轨道电路的正常运行。本文提出了“在线”实时 测量轨道电路电压等信号的方案，针对站内信号研制出轨道电路参数在线测量、 调整仪表；进一步将此思路运用到频率种类更为复杂的区间，利用d s p 技术对f s k 信号的检测进行了仿真。 关键词：轨道电路、参数模型、参数测量、f s k e 立童道盘堂亟堂位诠塞垦s ! 垦! a b s t r a c t a b s 1 1 l 王a c l ：i r a c kc i r c u i t sa r et h ek e yp a r t so fa u t o m a t i ca n dr e m o t ec o n t r 0 1 s y s t e m sf o rr e g u l a t i n gt r a i no p e r a t i o ni nr a i l w a yt r a f f i cs y s t e m s ，a n dt h e ya r et h e f u n d a m e n t a le q u i p m e n t so nw h i c ht r a i no p e r a t i o n a ls a f e t yi sh e a v i l yr e l i e d t h e r e f o r e ， t h ed a i l ya d j u s t m e n ta i l dm a i n t e n a n c eo ft r a c kc i r c u i tb e c o m ea ni m p o r t a n tw o r kw h i c h g u a r a n t e e st h es a f ed r i v i n ga n da v o i d sd r i v i n ga c c i d e n t s 。 i nt h i sp a p e r ，t h ep r i n c i p l e ，t h ep r i m a r yp 盯锄e t e ra n dq u a d r a t i cp a r a m e t e ro ft r a c k c i r c u i ta r ei n t r o d u c e d b ya n a l y z i n gt h er e l a t i o n sb e t w e e nq u a d r a t i cp a r a m e t e ra n d c a i e r f t e q u e n c y ； t h ec o n c l u s i o nc a nb em a d et h a ti ti s i m p o r t a n t t o a p p e n d c o m p e n s a t i n gc a p a c i t a n c ef o ri m p r o v i n gt h et r a i l s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft r a c kc i r c u i t c o m p a r i n gt h ew a yb yw h i c ht h ec o m p e n s a t i n gc a p a c i t a n c e sa r ea p p e n d e dw i t ht h e u m 7 1a n dz p w 一2 0 0 0 ，i ti sk n o w nt h a tc o m p e n s a t i n go fv a r i o u sc a r r i e rf r e q u e n d e si s g o o df o rj m p r o v i n gt h et r a n s m i s s j o nc h a r a c t e r i s t j ca n di n c r e a s i n gt h ed i s t a n c eo fs i g n a l t r a n s m i s s i o n b a s i n go nt h ea n a l y s i s ，t h ep 叩e rh a se s t a 【b i i s h e dt h et r a c kc i r c u i tm o d e l w h i c hw a sv a l i d a t e db ym a t l a b ，a n dh a dm a n i f e s t e dt h a tt h er e l a t i o n sb e t w e e n p r i m a r yp a r 锄e t e r ，q u a d r a t i cp a r a m e t e ra i l dc a 玎i e rf r e q u e n c i e s t h em o d e la l s oc a nb e u s e di nm e a s u r i n gt h ep a r a m e t e r sa n dr e g u l a t i o no ft r a c kc i r c u i t t h et w or a i l sa r en o to n l ys i g n a l1 i n e so ft r a c kc i r c u i t s ，b u ta l s o1 0 0 pc u r r e n tl i n eo f 1 0 c o m o t i v et r a c t i o nc u r r e n ti ne l e c t r i f i e dr a i l w a yb l o c k t h et w od i 氐r e n tc u 玎e n t t r a n s m i t t i n gi nt h es a m ew a y ，b r i n g sm a n ya d v e r s ee f f e c t st ot h et r a c kc i r c u i t ho r d e rt o r e m o v et h ei n t e r f e r e n c eo fe l e c t r i ct r a c t i o n ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o d sf o rm e a s u r i n gt h e p a r a m e t e r so ft r a c kc i r c u i tw e r eu s e dt od i s c o n n e c tt h ee l e c t r i ct r a c t i o nn e t ，w h i c hh a d g r e a t l ya f f e c t e dt h en o n n a lo p e r a t i o no ft r a c kc i r a l l 辑：卫t h i sp a p e r ，t h eo n 一1 i n ea n d r e a l - t i m em e t h o df o rm e a s u r i n gt h ep a r a m e t e r so ft r a c kc i r c u i ti s p r o p o s e d ，a n dt h e o n - l i n ei n s t r u m e n tu s e df o r m e a s u r i n gt h ep a r a m e t e r sa j l dr e g u l a t i o no fs t a t i o ni s d e v e l o p e d t h eo n 一1 i n ea n dr e a l 一t i m em e 恤o da l s oc a nb eu s e di nt h eb l o c kr e g i o n s w h i c hh a v em o r ec o m p l e xk i n d so fc a h i e rf r e q u e n c i e s ，a n dt h es i m u l a t i o ni sm a d ef o r i n s p e c t i n gf s ks i g n a lb yu s i n gd s p k e y w o r d s ：1 1 r a c kc i r c u i t p a r a m e t e rm o d e lp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t f s k i e 塞銮道厶堂亟堂位论塞熬进 致谢 本论文的工作是在我的导师杨世武副教授的悉心指导下完成的，他严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来杨世武 老师对我的关心和指导。 我也要感谢王海峰副教授和黄赞武老师，他们对我的科研工作和论文都提出 了许多的宝贵意见。 在实验室工作及撰写论文期间，我得到了师弟、师妹们的很多帮助和鼓励， 在此衷心感谢他们。在这三年的研究生学习生活中，齐志华、赵梅、孙二敬、樊 湄筑、陈思等同学，无论在生活还是在学习上都给予我无私的帮助，我在他们身 上学到了很多的东西，在此向他们表达诚挚的谢意。 另外也感谢我的家人，他们韵支持使我能够在学校专心完成我的学业。 韭塞窑夔鑫堂亟圭堂焦论塞簋= 童绪迨 第一章绪论 随着人类生产实践、生产范围日益扩大，生产过程日益趋向自动化，。铁路在 国民生产生活中起了越来越重要的作用。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 作为轨道电路是铁路运输中行车信号自动控制的基础设备，是确保安全行车、避 免行车事故发生的关键之一。 轨道电路也是自动闭塞的核心，它的性能直接影响自动闭塞系统的性能；同 时，由于工作环境恶劣，它又是信号设备的一个薄弱环节。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。 1 1 几种常见的轨道电路制式 1 1 12 5 h z 相敏轨道电路 在铁路牵引动力实行交流电气化以后，工频牵引电流会对轨道电路产生干扰 影响，因此，要求轨道电路除完成检测轨道上有无列车( 车辆) 占用的功能外，还必 须具有抗牵引电流干扰的功能。2 5 乜相敏轨道电路【1 j 【2 】就是一种适应铁路电气化 抗干扰要求的站内轨道电路，它与5 倪_ i z 轨道电路的主要区别为： 1 、轨道电路使用2 5 k 电源，在电源屏室单独设置2 5 h z 轨道电源屏； 2 、增设了扼流变压器； 3 、室内轨道继电器采用二元二位继电器，其特点是具有相位和频率选择性， 以增强轨道电路底抗干扰能力。 1 1 2 交流计数轨道电路 交流计数轨道电路是利用电码的形式在钢轨中传递信息，它是2 0 世纪5 0 年 代后期，从前苏联引进的，能满足区间三显示，机车信号五显示，及电气化铁路 的需要。其设备主要包括发码器、译码器、传输继电器、轨道继电器，俗称四码 器材，它主要采用电磁元件，电路简单，对工作环境要求不严，工作稳定，传输 j e 塞窑通太堂亟堂僮诠塞筮二童绪论 性能好，轨道电路长度可达2 6 0 0 m ，具有断轨检查性能。但是它的主要缺点是抗 干扰性能不够强，信息量少，接点磨损严重，维修周期短，应变时间较长，可达 2 0 s ，2 0 世纪9 0 年代初，对其进行了微电子改造，性能有所改善。 经过改造后的微电子交流计数电码自动闭塞，其发送设备采用热机备用，一接 收设备采用双机并用。在抗干扰能力和稳定性方面得到了明显改善，并且可以实 行故障修。由于器材采用了微电子技术，使得器材的体积和重量较原四码器材显 著减小。 1 1 3 移频轨道电路 所谓移频，即f s k 方式，是一种频率调制制式，它的载频信号的频率是随调 制信号的脉冲和间隔而改变的，如图1 1 所示。 图1 1f s k 调制方式 当调制信号输出脉冲时，载频信号的频率为_ ，i ，当调制信号输出间隔时，载频 信号的频率变为厅，因此，在通道中传输的是一种由，i 和正交替变换的移频波， 其交替变换的速率即是调制信号的频率。由上可知，移频自动闭塞的载频信号起 的是一个运载工具作用，而控制信号显示的是低频信号，这样的设置目的是提高 抗干扰能力，每种低频信息代表一定的速度信息，直接指挥列车的运行，因此移 频信息的准确性和安全性是非常关键的【3 ”】【5 l 。 而移频自动闭塞正是以移频轨道电路为基础的自动闭塞。它选用频率参数作 为控制信息，采用频率调制的方法，把低频信息搬移到较高频率( 载频) 上，以形成 振幅不变、频率随低频信号的幅度做周期性变化的调频信号。将此信号用钢轨作 为传输通道来控制通过信号机的显示，达到自动指挥列车运行的目的。 1 2 本课题的研究目的及意义 轨道电路是铁路信号重要的基础设施之一，它可以实现轨道区段列车占用检 2 韭塞銮道太堂亟堂僮监塞；苤二室绪途 查、钢轨线路完整性检查，是列车运行控制系统信息传输的通道，它对保证列车 运行安全，提高运输效率起着重要的作用。为保证轨道电路工作正常或使其尽可 能在最优状态下工作，就需要对轨道电路参数做出调整。目前，现场对轨道电路 调整主要根据轨道电路调整表来完成。但是由于影响轨道电路工作的因素很多i 参数不易确定，调整较为复杂；另一方面，现有的轨道电路调整表本身存在一些 问题，如调整范围较大、与轨道电路实际情况不符合等，因而在实际应用时存在 较大误差。 实时测量轨道电路参数，并以此为依据进行调整，能弥补上述调整缺陷。而 传统的测量方法已经显示出其劣势现行的轨道信号测试手段越来越落后于铁 路设施及运输管理的发展。随着我国经济及铁路运输业的发展国电气化铁路的修 建速度也在逐年加快。电力牵引适合高速、重载和大密度的要求，是铁路理想的 牵引动力。但同时，电气化铁路本身又是一个极大的干扰源，它对铁路沿线的通 信信号设备产生很大的干扰。本文在分析研究轨道电路理论的基础上提出改进的 轨道电路参数测量方法，克服电气化铁路的干扰，设计出在线测量轨道电路信号 ( 电压、电流、频率等) 的手持式仪表。改进了轨道电路调整依据，给铁路信号 维护人员对设备的日常维护及检修带来极大方便。 。 j e 立銮道盔堂砸堂焦逾塞篓三童塾道电堕厦堡塑叁熬金捱 第二章轨道电路原理和参数分析 轨道电路是铁路信号的室外重要设备，起着保证行车和调车作业安全的作用。 它能监督检查某一固定区段内的线路( 包括站线) 是否有列车运行、调车作业或 车辆占用的情况，并能显示该区段内的钢轨是否完整。轨道电路参数包括一次参 数和二次参数，分析并研究它们对了解轨道电路的工作状况是非常有用的工作。 2 1 轨道电路结构 轨道电路是以铁路线路上的两根钢轨作为导体，两端以钢轨绝缘( 或无绝缘 的) 为分界，并用导线连接信号源和接收设备构成的电路。它通过检查分界内的 列车轮轴是否将轨间分路，来辨识有无列车经过。此外，即使不是为了上述目的， 也将钢轨用作电路的一部分或者是利用轮轴将轨间分路而引起电气变化的电路， 也都称为轨道电路。其构成如图2 1 所示： 叮 轨道继电器 绝缘 图2 1 轨道电路构成 钢轨电路的主要组成元件有：钢轨绝缘、轨端接续线( 亦称连接线或导接线) 、 电缆、轨道电路送电变压器、轨道电路受电变压器、限流器和轨道继电器等，交 流电力牵引区段的轨道电路中，还装有扼流变压器和滤波器等。 送电端( 亦称电源端或始端) 由轨道电源和限流器等组成。根据轨道电路的类 型不同，轨道电源可以用铅蓄电池浮充供电( 或其它直流电源) ，也可以用轨道变压 器或信号发生器供电。限流器一般可以用电阻器或电抗器构成，它的作用是保护 电源设备，当轨道电路被机车车辆分路时，防止电流过大而损坏电源，并保证在 列车占用轨道时，轨道继电器能可靠地落下。 受电端( 亦称继电端或终端) 的主要设备是由轨道继电器g 易用它来接收轨道 4 j e 夏銮道盘堂亟堂僮逾塞筮三童垫道电蹬厦堡塑叁麴盆蚯 信号电流来反映轨道电路的工作状态。轨道受电变压器也装设于轨道电路受电端， 其作用是为了变换轨道电路受电端电压以适应远处接收器的需要( 轨道继电器甜 经常设置在远离轨道电路受电端的室内) ，起电压匹配和阻抗匹配的作用。 轨道变压器的一次线圈接在2 2 0 v 交流电网上，二次线圈可以有很宽范围的选 择。变压后经限流器r 及引线从轨道电路的始端出发，经过轨道线路传导轨道电 路终端，在经中继变压器实行阻抗变换后，由电缆传至设置在信号楼的轨道继电 器的交流输入端子，通过桥式整流将交流电变成脉动直流电，带有铁芯的继电器 线圈通过直流后，便产生磁力，吸引衔铁，使轨道继电器呈励磁状态。当轨道区 段内有车辆占用，或者发生断路故障时，流经轨道继电器的电流将急剧地减少， 致使衔铁失磁落下，轨道继电器呈失磁状态嗍。 2 2 轨道电路工作原理及工作状态 2 2 1 轨道电路工作原理 当设有轨道电路的某段线路上空闲时，轨道电路上的继电器有足够的电流通 过，吸起被磁化的衔铁，闭合前接点，从而接通色灯信号机的绿灯电路，显示绿 色灯光，表示前方线路空闲，允许机车车辆占用，如图2 2 ( a ) 所示。当机车车 辆进入该线路区段时，由于轮对电阻很小，使轨道电路短路，继电器吸力减弱， 释放衔铁，使之搭在后接点上，接通信号机的红灯电路，显示禁行信号，向续行 机车发出停车信号，以保证列车在该轨道电路区段内运行的安全，如图2 2 ( b ) 所示。 】- ( 卜 图2 2 轨道电路工作原理 l e 塞銮垣太堂亟堂僮途童筮三童熟道电堕厘堡塑窆数盆捱 轨道电路的另一个重要作用是能发现钢轨发生断裂。在充当导线的钢轨安全 无事时，轨道电流畅道无阻，继电器工作也正常。一旦前方钢轨折断或出现阻碍， 切断了轨道电流，就会使继电器因供电不足而释放衔铁接通红色信号电路。此时， 线路虽然空闲，信号机仍然显示红灯i 一从而防止列车颠覆事故。 在电码自动闭塞中，可以利用轨道电路作为发送和接收设备间的通信道，根 据前方线路情况向钢轨传递不同的电码，以得到两种以上的信号显示。在设有连 续式机车自动信号的自动闭塞区段，还可以利用轨道电路实现地面信号设备与机 车信号设备间的联系。在站内的道岔区段装设了轨道电路以后，可以防止在列车 占用道岔区段时，电动转辙机发生中途转换的危险。因此轨道电路成为构成现代 化铁路信号设备的基础。故改进轨道电路结构，使之工作更稳定可靠，设备更经 济。对进一步保证行车安全，提高运输效率，有着重要意义。 2 2 2 轨道电路工作状态 无论是信号工程设计还是分析研究轨道电路技术状态，都需要从轨道电路【_ 7 l 【8 】 的三种基本工作状态出发，保证在各种最不利条件影响下，轨道电路都能稳定可 靠地工作。轨道电路的三种基本工作状态是： ， 调整状态一是指轨道电路完好并无列车占用时的空闲状态，此时，它的发 送接收设备正常工作。若采用电磁继电器作接收设备时，轨道继电器衔铁应可靠 地吸起，前接点闭合，它是轨道电路的定位工作状态。 分路状态是轨道电路在任一点被列车分路时的占用状态，即使只有一付 轮对分路，轨道继电器也应可靠地失磁、落下衔铁，后接点闭合。 断轨状态是轨道电路的钢轨在某处断开( 指电气折断) 时，轨道继电器 应可靠地失磁落下衔铁，后接点闭合。 轨道电路在这三种状态下工作，往往受许多外界因素的影响，主要的因素有 三个变量参数：钢轨线路的道碴电阻，钢轨阻抗和电源电压。这三个参数的变化 对三种工作状态造成的影响各不相同，因此，对三种工作状态的最不利条件也不 相同。对调整状态来讲，最不利条件是：轨道电路参数变化使接收设备获得电流 最小，即钢轨阻抗最大，道碴电阻最小及电源电压最小是此状态的最不利条件； 对分路状态来讲，最不利条件是：轨道电路参数变化使接收设备获得电流最大， 即钢轨阻抗最小，道碴电阻最大及电源电压最大是此状态最不利条件；对断轨状 态来讲，最不利的条件是：轨道电路参数变化使接收设备获得电流最大，即除了 钢轨阻抗最小，电源电压最大两个因素外，由于断轨后道碴电阻构成的泄漏电流 方向变迁，断轨地点与道碴电阻大小对断轨状态也有一个最不利的参数值，称它 6 j e 塞窑擅态堂亟堂僮绝塞 筮三室熟道电路愿理塑窆塑坌赶 们为l 临界断轨地点和临界道碴电阻【9 】。 综上所述，可知，三个主要的变量参数，对轨道电路的三种基本工作状态的 影响各不相同。于是对使用轨道电路提出一项重要而复杂的任务，即各种变量参 数在规定的范围内变化时，如何保证轨道电路能够稳定而可靠地工作。“研究这个 课题，对轨道电路有着重大的意义。 2 3 钢轨线路参数 2 3 1 钢轨线路一次参数 轨道电路利用钢轨线路的钢轨作为导体传递信息，钢轨铺设在轨枕上，轨枕 是安置在道碴中，钢轨阻抗厄( 由钢轨电阻血和钢轨感抗n 江的向量和) 和道碴电 阻r e 是轨道电路本身的固有参数，它们被称为轨道电路钢轨线路的一次参数。 1 、道碴电阻 轨道电路电能在传输过程中，由于钢轨间电压差的存在，造成电流由一根钢 轨经过枕木和道碴向另一根钢轨漏泄，这样便在两根钢轨问形成许多并联着的漏 泄通路，这些通路的电阻称为道碴电阻。沿线路各点的电压，不是按直线的规律， 而是按照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 的损耗，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。根据大量实测数据，赵会兵博士 根据回归分析的方法建立道碴漏泄阻抗的参数模型【l o j 。 道碴电阻与道碴材料、道碴层的厚度、清洁度、枕木的材质和数量以及受气 候影响的温度、湿度等都有很大关系。例如，潮湿的道床的道碴电阻可以低到每 公里lq ，而冰冻道床的道碴电阻可以大到每公里5 0 1 0 0 q 。道碴电阻还与使用 信号的频率有关，其电容分量在频率较高时，就能体现出来。 道碴电阻越小，两根钢轨之间的电导越大，漏泄电流也越大，t 轨道电路消耗 电能也越大；而且道碴电阻变化范围越大，轨道电路工作越不稳定。因此，要提 高轨道电路的工作质量，应该尽可能地提高最小道碴电阻。如：提高道床排水能 力，定期清理道碴或更换道碴和腐朽的轨枕等，都是提高道碴电阻的有效措旌。 2 、钢轨阻抗 无绝缘轨道电路是我国铁路的发展方向，目前多数轨道电路是采用机械绝缘 的方式，钢轨阻抗包括钢轨轨条本身阻抗和两节钢轨接接处的各种阻抗，如图2 - 3 所示。 7 j b 夏窑迪盔堂亟堂焦i 金塞蓥三童垫道生堕厦堡塑蒸数坌蚯 图2 3 钢轨阻抗示意图 其中，冶钢轨轨条本身的阻抗； 嬲钢轨接续线阻抗； 面卜接续线与钢轨间接触电阻； 乃产- 台尾板与钢轨间接触电阻。 钢轨的直流电阻决定于钢轨本身和钢轨接头的直流电阻。交流轨道电路单位 长度( 每公里) 的钢轨阻抗，是由有效电阻尺和感抗三两部分组成的。其表达式分别 如下： r 宅( 虹+ 乏：k ) 细) l = l 。+ 2 ( k l i + l 。) ( h k m ) 式中期整个单轨条( 不包括导接线) 的有效电阻( h k m ) ； y l 公里单轨条导接线的有效电阻( q k m ) ； n l i 公里轨条的导接线数目； 妊! 旦；：磊唑l 公里单轨条相对长度系数； l e 一轨条回路的外部电感( m 曲) 3 l i 整个单轨条的内部电感( ) o yl c 1 公里单轨条导接线的电感( 砌i ( i n ) 因而，当钢轨类型、接续线类型以及钢轨接头数量已定的情况下钢轨有效电 阻r 的值随着信号频率厂的增大而增大：钢轨的内部电感是当钢轨通以交变信号电 流时由钢轨内部磁通产生的，钢轨内部电感则是由钢轨问电感耦合产生。 2 3 2 钢轨线路二次参数 钢轨线路是具有均匀分布参数的电气线路，对钢轨线路任意一点的电压和电 流，都可以看作对向传播的两减幅谐波的叠加结果，这两种波沿着它们在钢轨线 路上的传播路径而衰减并在相位上滞后。轨道电路二次参数特性阻抗z 和传 输常数y 说明了波沿着钢轨阻抗线路的传播过程。 8 a e 夏至塑盍堂亟堂僮迨塞星三重塾遵皇堕厦理塑耋数盆蚯 钢轨线路的传播常数y 用下面公式表示 ，= + c 盯= ( r + 础) ( g + 膨) 一般情况下，传输常数为复数，其实部称为衰耗常数，反映了每公里钢轨 线路电压电流衰耗的程度；虚部n 称为相移常数，反映了每公里钢轨线路的电压、 电流幅角或相位的变化程度。 钢轨线路特性阻抗z c ，用下面公式表示 z c = ( 尺+ ，国) “g + ，吐州? ) ( q ) 它表示钢轨线路加到行波上的阻抗。 从二次参数y 和乃的物理意义以及表达是可以得出结论：钢轨线路的电气性 能在很大程度上由二次参数来确定。二次参数取决于一次参数，又与信号电流的 频率有关。当信号电流频率较高时，波阻抗y 和传播常数乃的模值有明显增加， 同时它们的幅角也增加。 2 3 3 钢轨线路二次参数与信号电流频率的关系 钢轨中传输的信号，包含了较多的频率分量，为了了解信号的传输质量，需 要分析钢轨线路的二次参数与信号电流频率的关系。 1 、特性阻抗历与信号电流频率的关系 由式z c = 板西了芴可丽了? 面可以得出轨道电路特性阻抗z c 与电流频率 的关系曲线，如图2 - 4 所示。 图2 _ 4z c 与频率的关系曲线 9 j e 塞銮迪太堂亟堂焦途塞箍三童塾遵皇堕厘堡塑叁熟复查匣 对于钢轨线路，钢轨的特性阻抗呈感性，且钢轨特性阻抗的模值l 历l 随着频率 厂的增大而增大。 2 、传播常数y 与信号电流频率的关系 由式，= + 町= + 珊上) ( g + ，缈c ) 可以知道，y 是频率的函数，又由于 ，= 卢+ 口，所以a 、也是频率的函数。得到钢轨传播常数与频率的关系曲线 如图2 5 所示： 。 图2 5 1 r 与频率的关系曲线 由a 、与的关系知，钢轨上传送许多不同频率组成的电信号时，信号所包 含的不同频率的正弦分量受到的率耗和相移都各不相同，输出信号的波形必然会 发生畸变。 设上r = c g ，则钢轨的特性阻抗岔可以做如下变换： = 后 即钢轨阻抗特性虚都为o ，表现为纯阻抗特性。 当r = c g 时，钢轨线路传播常数y 为 y ：6 + 伍j ：瓜再面丽：羽丽再而西= 厕+ j 瓜 此时，率耗常数= 页石与频率无关，且达到最小衰减值；相移常数 口：珊压石与频率成正比，相传播速度国口= 历，为常数。 2 4 小结 1 0 i b 夏趸道盔堂亟主堂焦迨塞筮三童塾道电堕愿理塑窆数盆题 本章对轨道电路的结构和工作原理作了介绍，由钢轨线路的参数特性及其与 信号频率关系的分析可知，轨道电路对较高频率的电信号传播是不利的。当信号 频率由低向高增长时，轨道电路的衰耗常数口和相移常数“都将随之增大，即高 频信号通过单位长线路所引起的振幅衰减和相位变化都比低频信号大得多。音频 信号在无补偿钢轨线路上传输时衰耗很大，传输距离较短，可能无法满足一个闭 塞区间的要求，必须想办法改善轨道电路的传输特性。 j 噬奎逼盘堂亟堂僮论塞 筮三童塾逆曳路篮箍挂性兹釜左塞 第三章轨道电路传输特性改善方案 互1 轨道电路与四端网络的关系 3 1 1 四端网络的z 参数 一般的四端网络如图3 一l 所示。 z l l + + ：。： z 1 2 z 矿 4 ，z 2 2 图3 1四端网络图 四端网络的传输方程用z 表示，设z 参数在口“口“，、为已知，则其 正向传输式为： 三黜三 式中：d 表示与图3 1 中的d 的参考方向相反的电流( 即输出电流) 。代表 输出端开路时的电压比，m 代表输出端短路时的转移阻抗，m ，代表输出端开路时 的转移导纳，n 代表输出端短路时的电流比。 在本论文讨论中，均为无源四端网络，所以有z 竹- z ”z z f l ，当网络对称时， 奄z f f z 。 令2 端口开路，这时乃卸，则有： k = 毛，i 。或毛= 争i ，z 。 k = 弓，l ；。或之。= 争j b 。 式中，d ，是2 端口开路时1 端口的策动点阻抗，即l 端口的开路阻抗；口是2 端口开路时l 端口的转移阻抗，即l 端口的开路转移阻抗。 令2 端口开路，这时 ，口，则有： 巧= 五：h 或五：= 争h j e 夏至塑太堂亟主堂僮迨塞箍三重毡遒生堕篮输挂性馥整左塞 巧2 锄咖或锄= 舢 式中，勿是l 端口开路时2 端口的策动点阻抗，即2 端口的开路阻抗；肋是l 端口开路时2 端口的转移阻抗，即2 端口的开路转移阻抗。 3 1 2 等效于四端网络的轨道电路 从电能传输的关系来讲，轨道电路与通信系统中信息传输线一样，可以用四 端网络和均匀传输线的基本理论以及基本计算方法进行分析与计算。如前所述， 轨道电路的工作状态可以用三个链接四端网络的等效电路来替代，如图3 2 所示。 a l l -。a 1 2 a a 1 2a ”l la 。1 2 a l ” a | 2 2 a 2 l a 2 2 a “2 i a t 笠 图3 _ 2轨道电路等效链接四端网络 左边的四端网络 a f 】代表轨道电路供电端，右边的四端网络 a ”】代表轨道电路 受电端，中间四端网络 a 】等效钢轨线路，故称为轨道电路四端网络。它能够等效 所有的基本工作状态( 调整状态、分流状态及断轨状态) 的钢轨线路。 轨道四端网络的始端电压和电流与终端电压和电流的关系，可以用传输线方 程来表示： f d l = 一1 l 口2 + 一1 2 j 2 1 j ，：4 ：l d 2 + 爿2 2 ，2 当轨道电路线路完整并且空闲时，轨道四端网络可以看作对称四端网络，此 时4 ，_ 一”；在分路和断轨状态，轨道电路四端网络就不是对称的了。 把钢轨线路当作均匀传输线，而且这四个a 参数在线路全长中均为常数，则 调整状态下4 参数为： 1 4 1 1 - 4 2 2 = 幽( q ) a 2 = z 嚣矗( q ) 【4 2 l = 曲历( 1 哟 式中，传输常数y = 也m = l 也h l 么2 ( 1 砌) 其中z 一单位钢轨阻抗( q | ) ； m 一单位道碴电阻( q l ) ； j e 塞銮望盘堂亟堂僮迨塞 筮三童塾遒虫堕佳捡挂壁邀萱直塞 乒钢轨阻抗角； 波阻抗岔= 历= i 正司么2 ( q ) 传输常数为复数，= 卢+ 如 式中，卜线路的率耗系数； 俨一线路的相移常数。 3 2 轨道电路传输特性 3 2 1 影响轨道电路传输特性的因素 这些因素包括： 1 、轨道电路发送设备的输出电平 输出电平船越大，接收设备上接收到的电平就越大。发送端设备的发送电平 过高，则无法保证接收设备可靠分路和断轨检查，而且容易损坏接收设备；输出 电平过小，则无法保证接收设备正确反映轨道电路的调整状态。 2 、发送端或者接收端传输电缆两端的失配损耗 通过模拟电缆，补偿发送和接收电缆长度，使发送端和接收端的传输电缆长 度都为一固定值，得到传输电缆的特性阻抗。根据传输电缆两端的阻抗匹配情况， 计算得到传输电缆两端的失配损耗，通常情况下，传输电缆两端的失配损耗较小， 一般为o 5d b ，因而对轨道电路的传输特性影响较小。 3 、发送端或接收端传输电缆的固有损耗 通过模拟电缆，补偿发送和接收电缆长度，使发送端和接收端的传输电缆长 度都为一固定值，通过计算可以得到轨道电路传输电缆的固有衰耗。 4 、发送端或接收端电气绝缘节的分流损耗 在电气隔离式无绝缘轨道电路中，由于电气绝缘节的谐振阻抗不高，因而发 送器的输出功率除一部分传送给本身的轨道电路和设备以外，还有一部分要消耗 在发送端和接收端的电气绝缘节回路中，这部分损耗称为电气绝缘节的分流损耗。 分流损耗取决于发送端( 或接收端) 电气绝缘节等效阻抗与发送端( 或接收端) 设 备的轨面视入阻抗的比值关系。电气绝缘节的等效阻抗越大，其分流损耗就越小。 5 、钢轨线路的工作损耗 钢轨的衰耗主要由三部分组成；钢轨自身的固有衰耗、钢轨发送端和接收端的 失配损耗。后者两个取决于发送端( 或接收端) 钢轨的等效负载阻抗) 与钢轨特性阻 抗的匹配程度，只有当阻抗匹配链接时，轨道电路的工作衰耗才等于其固有衰耗。 发送端和接收端的设备和电缆一定的情况，钢轨线路自身的工作衰耗越大， 1 4 韭盔邈盔堂亟堂焦逾毫 筮三童塾遒皇蹬熊捡挂缝馥善立塞 需要的信号发送功率就越大。 从以上的分析得知，要改善轨道电路的传输特性，可以从几个方面出发，包 括：减小轨道电路的自身衰耗、减小轨道电路两端的失配损耗和轨道电路两端电气 绝缘节的分流损耗。本文主要解决的是减少钢轨线路自身衰耗的问题。 3 2 2 轨道电路传输特性分析 轨道电路中的钢轨线路可看作传输线，具有分布性参数。所谓传输线【i l 】【1 2 j ( 一 般指长线) ，是当用来传输信号线路的电阻、电感、电容及漏导不能忽略时的信号 传输线路。当线路的电阻、电感、电容及漏导沿线路均匀分布时，被称为均匀传 输线。均匀传输线用单位长度的电阻r ( q ，l 锄) 电感工( m ) 、电容c ( f | ) 及漏导g ( s l ( t 1 1 ) 这四个分布参数来描述。通常用压r + ，吐圮表示每公里线路的串 联阻抗，用y _ g + 细c 表示每公里的并联导纳。 轨道电路沿线均匀分布着串联的阻抗，同时也分布着并列导纳，所以分析轨 道电路参数是项复杂的工作。设轨道电路的全长为，将其等分为疗段，则每段长 度为砌，其中任一段的等效电路如图3 - 3 所示，整个轨道电路可以看作由n 个四 端网络链接而成。 r ； 工； l z t l 倒3 - 3蜘等效电路 下面分析1 1 端的特性阻抗： f z 0 1 = ( r + 肛) 丢 卜邓伽上) 吉+ 面去而 则 乙= 瓜= 届尝五+ 脚) ( g + 阚呐 当疗j 时，“疗) 2 呻o ，因而式3 2 在胛一0 0 时为 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) j e 丞坌垣太堂亟堂焦i 盆塞墓三童塾重皂堕篮猃挂壁馥善左塞 乙= 藤= 居 再分析2 2 端的特性阻抗： 石_ _ ! 赢+ ( g + _ ，c ) 叫功 两了面而+ ( 7 c j “朋 1 ( g + ，倒c ) ( 珂) 当刀_ 时，( f 盯) 2 _ o ，在力寸o o 时，有 z n = 端= 括 由上述式子可知，当押专o o 时，图3 3 所示的一小段微分等效电路两端的特性 阻抗相等，均匀传输线等效电路当玎斗o o 时为匹配链接，所以均匀传输线两端的 特性阻抗相等，即 互= 乙= z n = 藤= 括 下面分析图3 3 所示的一小段微分等效电路的传输常数，将式3 1 代入下面公 式中： t h e = _ z m | z m = 0 z | z 。2 其中：旺传输常数； z d 一短路阻抗； 乙开路阻抗。 得到： 懈= 压_ j 篙鬻龋 当挖一时，有 b = t h 纬= ( f n ) ( r + ，国三) ( g + m c ) 由上面关于特性阻抗的分析可知，当月j m 时，图3 - 3 中各小段微分等效电路 为匹配链接，所以对线长为珀q 传输线的传输常数为 ，缉= 一( r + ，m 三) ( g + ，出c ) ( 疗) = ，z 】， 可知，每公里的传输常数y 为 当n 趋近于无穷大时，整个轨道电路的参数特性得以较好地体现，如图3 - 4 所示a 擅丞翻重去堂亟堂焦迨塞 箍三童塾道电蹬佳箍缱丝邀盏左塞 ( 盛面卫弼n 卜诱扣可_ 一石杠1 d 图3 - 4轨道电路等效电路 3 3 有补偿电容的轨道电路 从第2 章对轨道电路基本参数的分析中可知，钢轨阻抗表达式为 i p 2 ( 虹+ ：) ( q k m ) l = l c + 2 ( k l i + l c ) ( h k m ) 呈现感性，造成音频信号在钢轨上传输时，钢轨自身的固有衰耗非常大。所 以应该在两轨间增加补偿电容，使轨道电路的阻抗特性趋于电阻特性，这样才能 大幅减少钢轨自身衰耗，增加音频信号的传输距离。 1 、理想状态均匀补偿电容值的确定 对轨道电路传播常数，= + 口，= ( r + ，三) ( r + ，c ) 进行变形，可得： = ，f 去【( r g 一2 三c ) + ( r 2 + 2 r ) ( g 2 + m 2 c 2 ) i 上 当日船c = d 时，衰耗常数达到最小值，此时的最佳道碴泄露电容为 c 矗= 三g r 一1 当钢轨类型一定时，钢轨的电感部分可以近似为一个常数；而钢轨的电阻部 分可以近似看作与，成正比，因而可知最佳补偿电容c 匆随着频率的增大而减小； 当信号频率一定时，c 叫与道碴电阻成反比。 以载频为1 7 0 0 h z 的的轨道电路为例，设道碴电阻肋为j q 切l ，钢轨阻抗 z = 1 5 1 么8 2 3 0 q 脑 ，通过计算得到每公里补偿电容的数值为： = i z i s i i l 妒2 ，厂= 1 5 1 s i i l 8 2 3 ( 2 万1 7 0 0 ) = 1 4 1 0 - j ( 月) r = j z i c o s 妒= 1 5 1 c o s 8 2 3 = 2 0 2 2 ( q ) g = l 胄d = l ) c 矗= 工g r = 1 4 1 0 _ 3 2 0 2 2 = 6 9 2 ( p f ) 2 、电容补偿方式 增加补偿电容的方法包括在钢轨间并联均匀分布电容( 均匀电容补偿) 或者 1 7 韭益蔓鲴色筮堂旦d 兰兰僮篮立一 ：一 筮三童也道电壁篮箍挂壁馥羞直塞 每隔一段距离并联一处电容( 集中电容补偿) ，前者是理想状态化的状态，后者是 实际轨道电路电容补偿中可行的办法。 集中电容补偿根据其在实际应用中接法的区别又可分为t 型和n 型两种形式 的集中电容补偿网络【1 0 1 ，如图3 5 所示。 亘题珏 图3 。5t 型和n 型网络 以t 型网络为例，来分析轨道电路进行集中电容补偿后的传输特性，设补偿 电容c 两端的四端网络为对称的，其系数为彳，彳m 爿“一一则t 型四端网络网络 传输系数彳，日、c 、d 可表达为： 绸= 瞄绌，名舭乏 可得 彳i i ：+ 笪! ! 型坚+ 彳1 2 爿2 i j x c 4 1 1 4 2 1 + 丝! ! 生! ! + 彳2 l 彳2 2 一j x c 彳j 1 4 1 2 + ：! ! 生+ 爿1 2 4 2 2 一j x c 彳2 i 爿1 2 十丝! ! 丝兰三+ 4 2 2 2 一j x c 彳= 4 1 1 ：+ 兰! ! 兰! ! + 爿1 2 4 2 l = 而刀， 一1 x c b ：4 4 1 2 + ! ! 生+ 一1 2 4 2 2 ：z 缸 纠， 一蔗c c ：彳1 1 4 2 l + 生! ! 垒+ 4 2 1 彳2 2 ：砌，玎，z o 一3 x c d ；一2 1 4 1 2 + 墨! ! 丝兰+ 4 2 2 2 ；砌纠， 对上式进行求解，得到 f 如= 万= 彳 = 面 由曲7 + 砌7 = p ，对等式两端取自然对数，得集中补偿电容方式下轨道电 路的传播常数： 1 8 j 瘟褒通太堂亟堂焦迨塞 筮三童熟道鱼照篮猃挂丝邀羞友塞 以及阻抗特性： 户= 扣历+ 历) = 专l i l ( 爿+ 西) z l c = 0 b c 3 、轨道电路补偿电容间距的确定 补偿电容距离的确定主要取决于电容补偿后对信号传输的改善和工程实现的 难度。补偿电容太少，电容补偿的效果就会比较差，轨道电路的衰耗常数仍然很 大，甚至会在补偿环节引入额外的失配衰耗；补偿电容越多，补偿效果越好，轨 道电路的衰耗常数越接近均匀电容补偿的补偿效果，但是会带来繁重的工作量， 不利于实际工程的实现。 在上面两节的讨论中得知补偿电容与轨道电路一次参数及信号频率的关系 - 当钢轨类型确定时，其电感部分可以近似为一个常数，电阻部分近似与厂成 正比，补偿电容随着频率的增大而减小；当信号频率一定时，补偿电容与道碴电 阻成反比。以此为根据，来确定轨道电路进行集中式补偿电容时的间隔距离。 设信号频率户1 7 0 0 h z ，对集中补偿电容间隔分别为5 0 m 、1 0 0 m 、1 5 0 m 、2 0 0 m 时进行比较分析。钢轨阻抗为z = 1 5 1 么8 2 3 。q 1 【m ，道碴电阻为r 俨1 q k m ，通 过计算得到补偿电容间隔距离和每公里轨道电路衰耗对应关系，如表3 1 所示： 补偿电容间距( m ) 最佳补偿电容值( “f )每公里轨道电路衰耗( d b ) 5 0 3 1 7 1 2 4 9 2 1 0 05 0 41 2 9 0 3 1 5 05 6 41 3 5 4 7 2 0