（交通信息工程及控制专业论文）数字无绝缘轨道电路传输特性研究.pdf

中文摘要 摘要：进入2 1 世纪以来，我国迎来城市轨道交通建设的高潮。在城市轨道交通各 项设备中，轨道电路设备是非常重要的设备。由于无绝缘轨道电路能够减少阻力 和磨损，使旅客乘车舒适，并且数字轨道电路具备高可靠性、多信息量的优点， 因此我国城市轨道交通采用数字化无绝缘轨道电路是必然趋势。但是在目前数字 无绝缘轨道电路的使用过程中，开通时的调试都是根据现场实际情况进行，缺乏 理论指导。因此，对数字无绝缘轨道电路进行传输特性分析研究具有重要的理论 意义和实用价值。 本文在我国引进的国外信号设备无法满足国内城市轨道交通发展的需求，并 自主研发出国产化试验型数字轨道电路的背景下，对数字无绝缘轨道电路信号传 输进行特性分析，并设计出数字无绝缘轨道电路分析软件，实现对特定的轨道电 路传输参数验证其能否满足调整、分流和机车信号工作状态的要求。 首先，本文在简要介绍无绝缘轨道电路工作原理和四端网传输原理的基础上， 建立钢轨线路和传输电缆的参数模型，并分析其频率特性。确定出调谐变压器的 四端网参数，并分别对无补偿电容、均匀分布补偿电容和集中分布补偿电容的轨 道电路传输衰耗进行分析，确定出集中补偿电容最佳距离和最佳值。 其次，对数字无绝缘轨道电路的调整状态进行分析计算，确定出轨道电路传 输通道中的各点电压值和调整电阻的大小。然后对轨道电路的不同分路点进行分 路检查，确保轨道电路的每一点可靠分路，无“死区 。最后分析轨道电路上的机 车信号工作状态，确保轨道电路上的电流满足机车信号的要求。不能同时满足三 种状态检查时，需重新配置传输参数，直至轨道电路达到同时满足调整、分路和 机车信号状态检查的最佳状态。 最后，在数字无绝缘轨道电路分析基础上，用m a t l a b 中的g u i 工具设计并 实现数字无绝缘轨道电路分析软件，实现对输入的轨道电路参数分析计算，得到 调整电阻值和轨道电路传输通道上各点电压，并对分路状态和机车信号工作状态 进行检查。 关键词：无绝缘；轨道电路；传输特性；四端网；补偿电容 分类号：u 2 8 4 2 j e 塞交道太堂亟堂僮途塞 旦墨至! a bs t r a c t a b s t r a c t ：s i n c et h eb e g i n n i n go ft h e21s tc e n t u r y , t h eu p s u r g eo fo u rn a t i o n a l c o n s t r u c t i o no fu r b a nr a i lt r a n s i th a sc a ) m e i nt h ev a r i o u se q u i p m e n t so ft h eu r b a nr a i l t r a n s p o r t ，t h et r a c kc i r c u i te q u i p m e n ti sv e r yi m p o r t a n t b e c a u s ej o i n t l e s st r a c kc i r c u i t c a nd e c r e a s et h er e s i s t a n c ea n da b r a s i o n ，a n dd i g i t a lt r a c kc i r c u i th a sa d v a n t a g e so fh i g h r e l i a b i l i t ya n dm o r ei n f o r m a t i o n ，u s eo fd i g i t a lj o i n t l e s st r a c kc i r c u i ti nu r b a nr a i lt r a n s i t i sa ni n e v i t a b l et r e n di no u l c o u n t r y b u td u r i n gt h ec u r r e n tu s eo fd i g i t a lj o i n t l e s st r a c k c i r c u i t ，t h ed e b u g g i n gw a sb a s e do na c t u a lf i e l dc o n d i t i o n s ，l a c k i n go ft h e o r e t i c a l g u i d a n c e h e n c e ，t h e o r e t i c a l l ya n a l y s e so nt 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 so fd i g i t a l j o i n t l e s st r a c kc i r c u i ta n dd e s i g ns o f t w a r ea r eo fg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e s i n c et h es i g n a le q u i p m e n t si m p o r t e di su n a b l et om e e tt h ed e v e l o p m e n td e m a n d o f u r b a nr a i lt r a n s i t ，i n d e p e n d e n tr e s e a r c ho ft h ed o m e s t i cd i g i t a lj o i n t l e s st r a c kc i r c u i ti s c r i t i c a l c h a r a t e r i s t i ca n a l y s i sf o rs i g n a lt r a n s m i s s i o no fd i g i t a lj o i n t l e s st r a c kc i r c u i t w a sm a i n l ys t u d i e di nt h i st h e s i s d e s i g nd i g i t a lj o i n t l e s st r a c kc i r c u i ta n a l y s i ss o f t w a r e ， w h i c hv a l i d a t e dt h et r a n s m i s s i o np a r a m e t e r sc o u l do rn o tm e e tr e q u i r e m e n t so ft h e n o r m a l ，s h u n ta n ds i g n a l i n gs t a t e s ，w a st h ek e y w o r ko ft h er e s e a r c h f i r s t l y , b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fj o i n t l e s st r a c kc i r c u i ta n dt h et r a n s m i s s i o no f f o u r - t e r m i n a ln e t w o r k ，p a r a m e t e rm o d e l so fr a i ll i n ea n dc a b l ew a se s t a b l i s h e d ，a n d t h e i rf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d t h ep a r a m e t e r so fr e s o n a n c et r a n s f o r m e r f o u r t e r m i n a ln e t w o r kw e r ea l s ow o r k e do u ti nt h i sp a p e r t h et r a n s m i s s i o na t t e n u a t i o n o ft r a c kc i r c u i tw h i c hw i t h o u t ，w i t hu n i f o r ma n dc o n c e n t r a t e dc o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r w a sa n a l y z e d ，a n dt h ea p p r o p r i a t ed i s t a n c ea n dv a l u eo fc o m p e n s a t i n gc a p a c i t o rw e r e e n s u r e di nt h i st h e s i s s e c o n d l y , b a s e do na n a l y z i n ga n dc a l c u l a t i n gt h en o r m a ls t a t eo fd i g i t a lj o i n t l e s s t r a c kc i r c u i t ，e v e r yv o l t a g eo ft r a n s m i s s i o na n dt h ea d j u s t m e n tr e s i s t a n c ew e r e n u m e r a t e di nt h i st h e s i s t h e ne v e r ys h u n tp o i n t so nt h et r a c kc i r c u i tw e r ec h e c k e dt h a t e v e r ys h u n tp o i n ts h u n tr e l i a b l y , w i t hn o “d e a ds e c t i o n ”a tl a s t ，t h ec a bs i g n a l i n gs t a t e w a sa n a l y z e dt om a k es u r et h a tt h ec u r r e n ti nt r a c kc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fc a b s i g n a l i n g t h et r a n s m i s s i o np a r a m e t e r sm u s tb er e a l l o c a t e du n t i lt h et r a c kc i r c u i tc o u l d a c h i e v et h eb e s tw h i c hm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h et h r e es t a t e sa tt h es a m et i m e f i n a l l y , o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt r a c kc i r c u i t ，d i g i t a lj o i n t l e s st r a c kc i r c u i ta n a l y s i s s o f t w a r ew a si m p l e m e n t e db yt h eg u it o o li nm a t l a b t h es o f t w a r ea n a l y z e dt h e p a r a m e t e r si n p u t e do ft r a c kc i r c u i t ，a n dg o tt h ea d j u s t m e n tr e s i s t a n c ea n de v e r yv o l t a g e o ft r a n s m i s s i o n ，t h es h u n t e da n dc a bs i g n a l i n gs t a t e sw e f ea l s ov a l i d a t e di nt h es o f t w a r e k e y w o r d s ：j o i n t l e s s ；t r a c kc i r c u i t ；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 s ；f o u r - t e r m i n a l n e t w o r k ；c o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r c l a s s n o ：u 2 8 4 2 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：勘绝饧吲 导师签名： 签字日期：p 喇年月f 日签字日期：户年易月伦日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月同 6 5 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，杨世武老师 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。在研究生就读期间， 杨世武老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，在此衷心感谢两年来杨世武老师对我的关心和指导。 同时，我还要特别感谢通号设计院的李建清高工对我论文提出的建设性的指 导，对我的科研工作和论文提出了许多宝贵的意见，在百忙之中抽出时间耐心解 答我的疑惑，并在生活上给予了我很大关心和帮助，在此对李建清高工表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，我得到师弟师妹们的很多帮助，在此衷心感 谢他们。在这两年的研究生学习生活中，实验室的同学们和朋友们在学习和生活 上给我无私的帮助，在此向他们表达诚挚的谢意。 另外也感谢我的家人们，他们的支持和关怀使我能够在学校专心完成学业。 借此机会，我也感谢所有帮助过我的人们，对此没有一一提及名字深表歉意。 1 引言 随着我国经济的快速增长，城市人口迅速增加，发展速度快、运量大的城市 轨道交通( 包括地下铁道和轻轨铁路) 很自然的成了许多城市解决公共交通客运 问题的首选方案，它安全、迅速、舒适、便利地在城市范围内运送乘客，最大限 度地满足市民出行的需要。轨道电路作为城市轨道交通信号系统的核心，它对保 障列车的运行安全、提高列车运行效率起着非常重要的作用。 本文以我国1 9 9 9 年初开始推行城市轨道交通设备的国产化政策，而研制的国 产化试验型数字轨道电路为研究背景，通过对轨道电路进行分析，并合理配置传 输通道中器材参数，使轨道电路达到同时满足调整、分路和机车信号三种状态要 求的最佳状态。在分析的基础上设计数字化无绝缘轨道电路分析软件，通过输入 轨道电路参数，直观地得到调整状态下轨道电路上各点电压，并对分路状态下各 分路点进行分路检查，对机车信号状态进行轨道电流检查。本文通过分析各传输 器材故障对轨道电路的影响，提前发现并解决系统中存在的问题。 1 1 研究课题的背景及意义 从1 9 9 4 年至今，我国城市轨道交通建设进入了快速发展期，伴之而来的是信 号设备的大规模引进。广州、上海、深圳、重庆和南京等轨道交通项目的信号系 统先后采用了德国西门子公司、美国u s & s 公司、法国阿尔斯通公司和同本信号 公司等各具特色的列车运行自动控制系统【i 】( a u t o m a t i ct r a i nc o n t r o l ，缩写为 a t c ) 。这些a t c 系统具有以下特点： 1 首次采用报文式数字轨道电路，可向车载设备传送更多信息。 2 数字轨道电路可以不断传送大量信息，因而运行中的车载设备能够根据这 些不断更新的信息随时计算与前行列车的距离，从而确定本身的追踪速度。与传 统方法即根据前行列车轨道电路数量来确定本车追踪速度相比，有了很大的区别 和改进，构成准移动闭塞。 3 a t c 系统的子系统列车自动监控系统( a u t o m a t i ct r a i ns u p e r v i s i o n ，缩写 为a t s ) 采用微机及其网络，任务按工作站分配，其局部网络均为高速以太网， 中一1 1 与车站之间则采用由通信专业提供的高速传输网，信息出入均经多位c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，循环冗余码校验) 校核，因而进一步确保了整个系统 的可靠性和安全性。 上海地铁2 号线引进美国u s & s 公司的a t c 系统，包括a t p ( a u t o m a t i c t r a i n p r o t e c t i o n ，列车自动防护) 、a t o ( a u t o m a t i ct r a i no p e r a t i o n ，列车自动运行) 、a t s 、 a f 9 0 4 数字轨道电路。天津滨海轻轨也采用这一a t c 系统。上海轨道交通3 号线 采用了法国阿尔斯通的a t c 技术，轨道电路采用d t c 9 2 1 1 型无绝缘数字轨道电 路。上海轨道交通5 号线采用了德国西门子公司的设备，轨道电路采用f t g s 音 频无绝缘轨道电路，用s - b o n e ( s 棒) 电气隔离接头进行分割，轨道电路具有4 个频 率。广州地铁1 号线引进德国西门子公司的a t c 系统，包括a t p 、a t o 、a t s 及 正线s i c a s 计算机联锁，f t g s 数字轨道电路。 采用引进设备后，大大缩短了运行间隔，提高了安全程度和通过能力，但引 进的a t c 系统在我国的应用效果不像在国外那么好，原因是多方面的，如国内电 源的质量、道龠的结构、轨道的施工工艺等。而且，国外引进的设备带来诸多问 题：造价昂贵，耗资巨大，同时要花费大量资会用于设备维修和更新，很难产 生良好的经济效益和社会效益，也难免受制于人。返修渠道不畅，维修成本太 大，备品备件得不到保证，维修十分困难。制式混杂，给路网的扩展、管理带 来极大的困难。 照此发展下去，必将严重阻碍我国城市轨道交通的发展，同时不符合国家的 产业政策，必须走国产化的道路，对引进的先进技术消化吸收，移植铁路成熟的 信号技术，结合我国城市轨道交通的特点和需要自主开发研究，尽快提供国产化 的成套a t c 技术。这是我国城市轨道信号技术发展的必由之路，也必将降低造价， 促进城市轨道交通发展。目前在轨道电路方面我国自主研发出国产化试验型数字 轨道电路。 目前，数字化无绝缘轨道电路在长春轻轨中使用，开通时的调试都是根据现 场实际情况进行，缺乏理论指导。整个轨道电路计算都要从最基础的建立各环节 数学模型丌始。因此，对轨道电路进行模型分析，并设计出轨道电路参数分析软 件其意义非凡。 第一，将计算结果与现场实测数据对比，验证程序和轨道电路传输通道中各 种器材的一次参数( 包括接收器阻抗、电缆阻抗、调谐设备阻抗、钢轨阻抗、补 偿电容阻抗等) ，为今后的城市轨道交通建没积累数据，如：传输通道中各点电压 和电流是否在调整表的范围内；某个传输设备故障后各点电压和电流的变化等。 第二，指导工程设计、施工，减轻工程施工人员的工作量，杜绝随意配置， 为行车提供安全保障。 第三，指导用户进行r 常维护，为用户提供其最关心的道床电阻等数据，使 其可以通过查表或图直接得出道床电阻值，为状念维护提供科学依据。 2 1 2 轨道电路计算的发展 我国轨道电路计算的发展经历了以下几个阶段： 最早，使用计算尺； 8 0 年代初期，使用5 1 0 0 计算器，可编制8 0 个字符内的简单程序； 9 0 年代初期，使用1 5 0 0 可编程计算器，用专门针对1 5 0 0 的初等b a s i c 语言 编程； 这三个时期，轨道电路的分析都处在粗略阶段，调整方式都是在现场根据实 际测量情况进行，没有统一的调整表，区段的道床电阻都是估计值。 9 5 年开发1 8 信息轨道电路时，开始采用计算机编程，用q u i c k b a s i c 语言来完 成。但不宜绘制曲线，程序编制繁琐，复杂，不适应大量数据的计算。 轨道电路分析计算离不开数学问题。我国的轨道电路计算处在上述阶段时， 各种数学问题都是用手工推导。然而在实际研究中，并不是所有的问题都是能手 工推导的，遇到稍复杂一点的问题时，手工推导的方法虽然有时可行，但不现实 不可靠，也得不出精确结果，所以需要特殊的专业软件或语言来解决问题。而计 算机语言，如m a t l a b 语言，可以较好的解决相关问题。 1 3 本文主要内容 本课题主要在数字化无绝缘轨道电路的传输基础上进行分析，且分析方法对 一般的轨道电路均有普遍适用性。本文的主要工作有：在研究轨道电路传输特性 的基础上，合理配嚣传输通道中器材参数，对轨道电路调整状态下传输线上各点 电压进行计算，验证轨道电路在分路状态下j 下常工作无“死区”，并能够满足机车 信号状态的要求。然后用m a t l a b 设计数字无绝缘轨道电路分析软件，以实现直 观地得到调整状态下轨道电路的各点电压，对分路状态下各分路点进行分路检查， 并对机车信号状态下轨道电路进行电流检查。本文结构如下： 第一章阐述论文工作的研究背景和研究意义，和我国轨道电路计算的发展过 程。 第二章阐述沦文的工作基础和原理，包括轨道电路的基本原理，无绝缘轨道 电路产生和基本工作原理和a t p 国产化数字轨道电路的功能特点、结构和系统技 术条件等，并介绍两种相关的电气绝缘节s 棒和o 棒。 第三章先介绍了四端网的基础知识，分析钢轨线路的次和二次参数参数模 型，研究钢轨线路参数的频率特性，分析传输电缆的一次和二次参数模型。对a t p 变压器建立四端网模型并验证，建立并分析钢轨线路的均匀传输线模型。 第四章分别分析无补偿电容，均匀分布补偿电容和集中分布补偿电容的轨道 电路传输，比较三者的传输衰耗，并研究集中电容补偿的大小和补偿间距。然后 分析数字无绝缘轨道电路的调整状态，使输入的轨道电路传输通道参数得出各点 电压和调整电阻值。然后对钢轨线路上各点进行分路检查，确保可靠分路无“死 区 。最后分析机车信号工作状态，验证轨道电路是否满足机车信号工作状态对电 流的要求。 第五章设计数字无绝缘轨道电路分析软件，说明软件的实现和运行情况，并 对分析软件进行验证，并说明与预期的差距。 第六章总结整个论文的完成情况，并说明论文完成结果的实际意义，并对论 文中的不足提出一些展望。 4 2 数字无绝缘轨道电路概述 轨道电路是利用钢轨线路和钢轨绝缘构成的电路。它用来监督线路的占用情 况，以及将列车运行与信号显示等联系起来，即通过轨道电路向列车传递行车信 息。轨道电路是信号的重要基础设备，它的性能直接影响行车安全和运输效率。 对于城市轨道交通，轨道电路不仅用来检测列车是否占用，更重要的是要传 输a t p 信息。所以除车辆段内可采用5 0 h z 相敏轨道电路外，正线需要采用音频 轨道电路。为便于牵引电流流通，提高线路性能，方便维修，音频轨道电路是无 绝缘的。音频无绝缘轨道电路多采用数码调制方式，数码调制是用较高频率的正 弦信号作为载波，但调制信号是数字基带信号，多采用高可靠性、多信息量的数 字编码式音频轨道电路，简称数字无绝缘轨道电路。 2 1 轨道电路基本原理 轨道电路【2 】是以铁路线路的两根钢轨作为导体，两端加以机械或电气绝缘，并 接上送电和受电设备构成的电路。最简单的轨道电路的结构如图2 一l 所示。 限 ( 1 钢轨线路 l 。 vu 钢轨5 t 流器f引接线厂 蠢；“吲 ul一、 缘 叫 图2 - 1 最简单的轨道电路 f i g 2 - is i m p l e s tt r a c kc i r c u i t 轨道电路的送电设备设在送电端，由轨道电源e 和限流电阻r x 组成，限流电 阻的作用是保护电源不致因负荷而损坏，同时保证列车占用轨道电路时，轨道继 电器可靠落下。接收设备设在受电端，一般采用继电器，称为轨道继电器，由它 来接收轨道电路的信号电流。 送、受电设备一般放在轨道旁的变压器箱或电缆盒内，轨道继电器设在信号 楼内，送、受电设备由引接线( 钢丝绳) 直接接向钢轨或通过电缆过轨后由引接 线接向钢轨。 钢轨是轨道电路的导体，为减小钢轨接头的接触电阻，增设了轨道接续线。 钢轨绝缘是为分隔相邻轨道电路而装设的。 由钢轨绝缘在电气上划分的区段，称为轨道电路控制区段，其长度称为控制 区段长度或轨道电路长度。 当轨道电路内钢轨完整，且没有列车占用时，轨道继电器吸起，表示轨道电 路空闲，轨道电路被列车占用时，它被列车轮对分路，轮对电阻远小于轨道继电 器线圈电阻，流经轨道继电器的电流大大减小，轨道继电器落下，表示轨道电路 被占用。 2 2 无绝缘轨道电路概述 数字无绝缘轨道电路具有检测列车占用和传递a t p a t o 信息两个功能。数字 无绝缘轨道电路是音频无绝缘轨道电路的一种，因此这里对无绝缘轨道电路作一 个简要介绍。 2 2 1无绝缘轨道电路的产生 随着铁路运量的增加，列车重量、行车速度和行车密度也将不断提高。特别 在与公路和航空运输激烈竞争的条件下，出现了高速列车。高速列车要求提高线 路的质量，使旅客乘车旅行舒适。因此，出现了长钢轨线路。在这种情况下，有 绝缘轨道电路已不能适应铁路运输发展的需要，于是，产生了无绝缘轨道电路。 具体来说无绝缘轨道电路是从下列两方面的需求提出来的。 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。 第二方面，由于长铡轨线路具有以下优点：( 1 ) 减少列车运行阻力；( 2 ) 减少车 列振动和噪声，使旅客坐车旅行舒适；( 3 ) 减少钢轨线路和机车车辆轮缘的磨损。 因此长钢轨线路在世界各国得到了广泛采用。我国的主要干线也已有相当部分采 用了长钢轨。在长轨区段装设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。这使结构复杂，费用高，线路质量也相应下降。 6 因此在长轨区段装设无绝缘轨道电路是有一定意义的。它既不存在轨端绝缘 节的故障，又可不切割长钢轨。在电化区段还可不采用扼流变压器，降低电化区 段轨道电路的不平衡系数。故世界各先进工业国家均相继研究和发展无绝缘轨道 电路。 2 2 2 无绝缘轨道电路的基本工作原理 无绝缘轨道电路按原理【2 】可分为两大类。 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 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。谐振式轨道电路具有信号外串相对较小的特点，相邻轨道 电路之间隔离性能要优越于叠加式。 第二类是叠加式，又称自然衰耗式。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。叠加式信号外串相对较大，但绝缘节结构简单。 早期的无绝缘轨道电路采用短路连接式。如图2 2 所示。 ：d ：| ；，l 旭陵议i a 、 e 影l 旭匹敬z r b , 1_ 、 1 a l 上 石 二二 i _ 一1 二 a石 二 b 二= j - t c l = c lc 2 - 一f 2 c 2 t j l- 一 - b d 7f 1 r db fd j s a f s aj s b j s b 图2 - 2 短路连接式无绝缘轨道电路 f i g 2 - 2j o i n t l e s st r a c kc i r c u i tw i t hs h o r tc i r c u i tc o n n e c t e d 各相邻轨道区段采用不同的信号频率。在发送端，电容器及两段钢轨组成并 联谐振电路，在接收端，也由电容器及两段钢轨组成并联谐振电路，从而使该轨 道电路中只有固定频率的信号被接收。轨道区段两侧的短路铡条用来确保相邻轨 道电路区段互不干扰，并使两条钢轨中的牵引电流平衡。该轨道电路住接收端存 在“死区”，具有一定的危险性。 为了克服上述缺陷，目前一般采用把短路钢条连成“s ”形方式，称为s 型连 接式无绝缘轨道电路，其原理如图2 3 所示。 7 i i j s aj s c ab d ， 轨道区段a ab 轨道区段c d 7 一 1 n c 疗 f t 10 1 ： 一一一 0 0 0 0 20 0 0 4 0 0 0 60 0 0 8 t ( s ) ，o o 銎皇榭廿道 10 1 ； 乏 n 一1 0 之 电路始终端电流 口 ( a ) 电压对比( b ) 电流对比 图4 i 无补偿电容时轨道电路始终端电压、电流对比 f i g ，4 - 1v o l t a g ea n dc u r r e n tc o m p a r i s o no ff e e da n dr e c e i v i n ge n dw i t h o u tc o m p e n s a t i o n c a p a c i t o r 由图4 1 所示，无补偿电容时，轨道电路终端电压、电流衰耗很大，因此必须 加补偿电容，优化轨道电路信号传输。 4 1 2有补偿电容的轨道电路传输分析 1 均匀分稚电容补偿2 】 由于钢轨阻抗z 是感性的缘故，因此没有补偿电容的轨道电路的衰耗量是很 大的。如果两根钢轨| 白j 并联有均匀分布电容，这将大大改善轨道电路的传输特性。 因为两轨间有均匀分布电容，其传播常数为 j ，= 一z 厶p z y 1 9 a r ( 4 5 ) 故 3 竹 比纯= 丢 式( 4 6 ) 中 】，么纯= g + j c o c 为了计算方便，可近似取纯= 仡。因为道碴电阻r d 为已知， 已知，由上式实部虚部均相等，有 阼画g c o c = l y i s i n 够z 将式( 4 3 ) 代入( 4 4 ) 并化简得 c ：里留仡 ( 4 6 ) 故g = i r d 也是 ( 4 7 ) ( 4 8 ) ( 4 9 ) 设轨道电路的信号载频f = - 9 5 0 0 h z ，钢轨一次参数为钢轨电感l = i 3 7 3 m h k m ， 钢轨电阻r = 3 5 9q k m ，道碴电阻r d = 1 5q k m ，那么钢轨阻抗由式( 4 1 ) 得到 z = r + j c o l = 8 2 0 3 2 8 7 4 9 。f 2 k m 所以有 伤= 8 7 4 9 。，g = 击= ；s 将以上数值代入式( 4 1 1 ) 中得出 c = i g 留吃= 五忑i 暑西而留8 7 4 9 。= 2 5 4 8 t f ( 4 - 1o ) 缈j z x 万y ) u u 在上述条件下( 厂= 9 5 0 0 h z ，z = 8 2 0 3 2 8 7 4 9 。f 2 k m ，r d = 1 5 q k m ) 两钢轨问有 均匀补偿电容，每公里2 5 4 8 i f 时，轨道电路补偿最佳，它的每公里衰耗量为 7：z(g+jcoc)：203287490(2+j2zx9 5 0 0 x2 5 4 8x10 q ) = 1 5 4 7 + ，3 5 3 所以，p = 1 5 4 7 n p ， b 。= 8 6 8 6 f l = 8 6 8 6 x 1 5 4 7 = 1 3 4 3 7 d b ( 4 1 1 ) 可见每公罩轨道电路衰耗量大大减小。可是要做到完全均匀分布的补偿是比 较困难的。实际上是每隔一定的距离并接一处补偿电容柬实现，即采用集中电容 补偿的方法【13 1 。 2 集中分布电容补偿m 】 这种有补偿电容的轨道电路的衰耗可由图4 2 所示的轨道电路及其等效电路 来计算。 3 8 ii i 引c宁宁千c 电气分隔接头k 一，一 l 一4 电气分隔接头 图4 - 2 有补偿电容时的轨道电路的等效电路 f i g 4 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i to f t h et r a c kc i r c u i tw i t hc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r 图4 2 中，z 为两补偿电容c 之间的距离，即每隔补偿，距离加一个补偿电容。 电容c 的两侧长度为，2 的轨道电路四端网络，电容补偿节的等效电路如图4 3 所示。 a 1 1 a 1 2 1 a l la 1 2 c a 2 1a 2 2 l a ，1a ，2 f i g 4 - 3e q u i v a l e n ts k e t c ho fc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o rn o d e 图4 - 3 中，电容c 的两侧长度为，7 2 的轨道电路四端网系数用a l l 、a 1 2 、a 2 1 、 a 2 2 表示。包括补偿电容c 在内的三个级连的四端网络可合并为一个四端网络，其 系数用a o 、b o 、c o 、d o 表示。 乏爰 ： 主：乏 l 妻? l 三：4 2 ： + 警饥4 - k 。+ 等 上式中，电容阻抗【1 5 】为 m ：+ 篓+ 4 2 4 ： “z + 等峨2 ( 4 1 2 ) x c = 击一丽1 ( 4 - 1 3 ) 因为a l l = a 2 2 ，设g 为电容补偿节四端网传输常数，将a 参数用特性参数表示 如下： 4 咄2 + 警饥铲啦( 4 - 1 4 ) 3 9 玩= 2 4 1 4 2 + 譬= 弘蛔 “1 5 ) ，g 屯m - + 舞= 专s 蛔 件 d o = 4 。z + 竽+ 4 ：4 。：c h g ( 4 - 1 7 ) 将式( 4 1 4 ) 和式( 4 1 7 ) 相乘、开方，将式( 4 1 5 ) 和式( 4 1 7 ) 相乘、开 方，得到 c h g = 4 或= 4(一18chg 41 ) 2 、4 峨24 t 。， s h g = 鼠c o ( 4 一1 9 ) 又因 c h g + s h g = e 菩 ( 4 2 0 ) 那么，传输常数g 与四端网系数有以下关系： 矿= 以+ 4 , o c o = 肘昼编 对式( 4 - 2 1 ) 两边取自然对数，得传输常数 。 g = l n m t + j 9 m = + j a t ( 4 - 2 1 、) 故电容补偿节四端网的衰耗为 7 = l n m7 ( 坳) = 8 6 8 6 i n m7 ( 如) ( 4 2 2 ) 式( 4 1 5 ) 除式( 4 1 6 ) 开方得电容补偿节四端网络的特性阻抗为 班毒 2 3 ， 当有电容补偿的轨道电路，其发送端阻抗匹配、 z s = 乙= 乙时，轨道电路的衰耗等于固有衰耗，其值为 包= 等8 6 8 6 1 n m 仲) 接收端阻抗匹配，即 ( 4 2 4 ) 用计算机进行分析，根据以上分析过程，当设轨道电路的信号载频f = 9 5 0 0 h z ， 钢轨阻抗为z = 8 2 0 3 2 8 7 4 9 。f 2 k m ，道碴电阻r d = 1 5q k m ，传输常数 7 = 同训2 以3 哑4 3 尉5 。 特性阻抗 z c = 侗z c p z 2 = 1 1 0 9 2 4 3 7 4 5 。 用计算模拟分析每隔1 0 0 m 加一个补偿电容c = c 。f ，求每公罩轨道电路的 固有衰耗。得出的轨道电路衰耗随补偿电容大小变化的曲线如图4 4 所示。 刁 耀 髅 补偿电容c ( u f ) 口 犍 馔 1 5 。一 o 补偿电容c ( u f ) ( a ) c o ) 图4 _ 4 轨道电路衰耗随补偿电容变化曲线 f i g 4 - 4c o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r - a t t e n u a t i o nc u r v e 图4 - 4 ( a ) 为补偿电容从0 1 ，到5 ，范围内变化的轨道电路衰耗曲线图，从 图上可以看出，在频率为9 5 0 0 h z ，补偿电容大约从4 1 f 到5 p f 范围内变化时， 轨道电路情况出现负阻抗的情况，之所以出现这种情况与补偿电容大小和频率大 小有关，补偿电容越大，频率越高，越容易出现负阻抗的情形。由于负阻抗不符 合轨道电路实际传输情况，因此把衰耗为负的部分舍去，图4 4 ( b ) 为补偿电容从 o 1 ，到4 ，范围变化的轨道电路衰耗曲线图。由图4 - 4 可以看出，补偿电容最 佳值为4 ，对应的每公罩轨道电路衰耗为1 9 6 2 d b 。 当补偿电容为4 ，t f 时，设每公里补偿电容的个数为n 个，那么画出每公里轨 道电路衰耗与补偿电容个数的变化曲线如图4 5 所示。 轨道电路衰耗与补偿电容个数变化曲线轨道电路衰耗与补偿电容个数变化曲线 2 0 o j 一 - - 。- - 2 0 1 8 墨1 6 群 1 4 和02 04 06 08 0 1 2 0 2 04 06 08 0 补偿电容个数 补偿电容个数 ( a )( b ) 图4 5 轨道电路衰耗随补偿电容个数变化曲线 f i g 4 - 5n u m b e ro fc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r - a t t e n u a t i o nc u r v e 由图4 - 5 ( a ) 可以看出，补偿电容为4 t f ，个数为9 个以内时，轨道电路的衰 4 l 耗为负，轨道电路出现负阻抗，不符合轨道电路实际传输情况，因此补偿电容的 个数应该取为9 个以上。 图4 5 ( b ) 为补偿电容个数取为9 到8 0 个时轨道电路衰耗的变化曲线。可以看 出，当补偿电容个数为6 0 个时，此时的衰耗最低，为= 1 3 6 3 1 6 ( d b ) 。 与理想状态的衰耗量相差 = 1 3 6 3 1 6 - 1 3 4 3 7 = o 1 9 4 6 ( d b ) ( 4 - 2 5 ) 可见，集中补偿电容的轨道电路补偿电容的补偿效果比均匀补偿电容的补偿 效果略差一些，但比无补偿电容的轨道电路衰耗少很多。 4 1 3数字无绝缘轨道电路调整状态分析 数字无绝缘轨道电路原理结构如图4 - 6 所示。 接收器 监：j 圈 。! 巴! 发送器 图4 - 6 数字无绝缘轨道电路原理结构图 f i g 4 - 6p r i m c i p l es t r u c t u r eo ft h ed i g i t a lj o i n t l e s st r a c kc i r c u i t 4 2 尝 图4 - 6 中，m 0 、m 2 是s 棒部分的等效电路图，m 1 、m 3 是钢轨连接线的等 效电路图，调谐板的c 部分是a t p 变压器。 调整表中的各点电压有最大值和最小值两个数值，其中各点电压最大值为道 碴电阻为无穷大时对应的值，各点电压最小值为道碴电阻为输入的道碴电阻值时 对应的各点电压值。计算轨道电路的调整状态【18 】【1 明时，取道碴电阻的最小值；计 算轨道电路的分路检查状态时，则取道碴电阻的最大值。 调整状态，轨道空闲，下面分析图4 6 中，轨道电路各部分的电压电流值。对 调整状态下各部分进行分析，并实现计算机模型设计。 下面开始各点最小值的推导计算过程，各点电压最大值计算方法与此相似。 轨道电路计算中其他各项参数的选取如下： 设本区段频率为9 5 0 0 h z ，相邻区段频率为1 1 5 0 0 h z ；发送器功出功率为 p p o w = 5 0 v a ；轨道继电器，采用线圈绕阻为1 7 0 0q 的轨道继电器，工作电压v c j 为1 7 v - 2 3 v ；电缆长度最大为2 5 k m ，设定电缆长度为2 0 0 m ；调谐板中的a 、b 部分的参数为l c l 、r t l 、c t 2 、l 沁待定；调谐板中的c 部分为调谐变压器。钢轨连 接线等效电路m 1 、m 3 中参数为方便分析起见取为l 。l = l 。3 = o 0 0 6 2 9uh ， r 。l = r 。3 = 0 3 7 5 4 mq ；s 棒部分等效电路m o 、m 2 中参数为方便分析起见，取 l s o = l s 2 = 1 0 2uh ，r s o = r s 2 = 7 5mq 。 图4 - 6 中，从发送端开始分析，发送器输出电压为v p o w - - - - b 为变量，由计算机 输入确定。经过电缆传输，电缆的传输分析，3 3 2 已经分析过了，如下： 电缆每公里的阻抗和特性阻抗分别为 z d = r d + j c o l d 巧= 嘭+ j c o c d 则电缆的特性阻抗为 瓦= 暴= 黑 电缆每公里的的传播常数为 肠= 厄万= x ( r a + j c o l d ) ( g d + j 6 0 c d ) y d = | 3 d + j a d 则电缆的传