（通信与信息系统专业论文）不平衡牵引电流对轨道电路干扰的研究.pdf

j e立窒塑态堂亟堂鱼途塞主塞擅塞 中文摘要中又捅要 摘要：随着我国电气化铁路系统向高速化、重载化方向发展，在铁路系统的运输 效率得到大幅提高的同时，铁路系统的可靠性运行也被提升到了前所未有的高度。 为保障铁路系统的可靠运行，我国在法国u m 7 1 型移频自动闭塞系统的基础上， 结合我国的国情和我国铁路系统的具体特点，开发出了z p w 二2 0 0 0 a 型移频自动闭 塞系统。其中，z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路作为该系统的核心部件，是保障铁 路系统可靠运行的重要环节。而轨道中存在的不平衡牵引电流，随着牵引电流量 级的不断增大，其对同样使用轨道作为信号传输通道的轨道电路的电磁骚扰也明 显增加，因此，研究轨道电路对不平衡牵引电流的抗扰性有着十分重要的意义。 本文的研究工作如下： 首先，对z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路进行了深入研究，明确了它的工作原 理，并对其内部各个功能单元的结构和工作特性进行深入分析。在以上研究的基 础上，得出了轨道电路对不平衡牵引电流的抗干扰特性，为迸一步研究不平衡牵 引电流对z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路的骚扰奠定基础。 其次，通过对牵引回路的理论分析，得出了不平衡牵引电流的产生机理。结 合本文作者在郑西客运专线上的相关测试数据，对牵引回路中的谐波源进行了深 入研究，得出了牵引回路中可能对z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路工作频段构成骚 扰的谐波源的频谱特性。 再次，在深入研究不平衡牵引电流对z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路谐波骚扰 的基础上，充分理解和分析了相关的谐波抗扰性标准文件。通过对此类标准的深 入研究，在l a b v i e w 开发环境中，开发出了基于t b t3 0 7 3 2 0 0 3 的轨道电路谐波 骚扰试验自动测试系统。本测试系统除具备自动控制相关谐波测试仪器完成t b t 3 0 7 3 2 0 0 3 规定的与轨道电路抗扰性相关的所有试验外，还具备对z p w 二2 0 0 0 a 型 无绝缘轨道电路相关信号设备的抗扰性进行分析和验证的功能。同时，本测试系 统还具有完成t b 厂r 3 0 7 3 2 0 0 3 所规定的其他谐波试验和g b 厂r17 6 2 6 13 2 0 0 6 中规 定的各等级谐波抗扰度试验的能力。 最后，对本文的研究内容进行总结，在此基础上展望了不平衡牵引电流对轨 道电路的骚扰的研究前景，并对轨道电路谐波试验自动测试系统的功能进行了进 一步的构想。 关键词：不平衡牵引电流；轨道电路；z p w 二2 0 0 0 a ；谐波骚扰；抗扰度 分类号：u 2 2 8 2 j e 塞童遵态堂亟堂僮途塞旦墨! g ! a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t hd e v e l o p m e n to fc h i i l a se l e c t r i f i e dr a i l w a ys y s t e mt o w a r dt o h i g h - s p e e da n dh e a v y - l o a dd j r e c t i o i l ，t r 眦s p o r te 伍c i e n c yo fr a i l w a ys y s t e mi n l p r o v e d s i g 血f i c a n t l yt o o a sw e u ，r e l i a b i l i t yo fr a i l w a ys y s t e mh a sb e e na t t a c h e d 铲e a t i m p o n a n c e t oe n s u r er a i l w a ys y s t e mm l m i l l gr e l i a b l mz p w _ 2 0 0 0 at y p e 舶q u e n c y s h i f ta u t o b l o c ks y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e da 1 1 du s e d i tc o m e s 丘o mu m 71 t y p e 丘e q u e n c ys k j f t a u t o b l o c ks y s t e ma n di sd e s i g n e ds u i t i n gt or a i l w a ys y s t e mo fo u r c o u n t i y a sac o r e p a no fz p w 一2 0 0 0 at y p e 疗e q u e n c ys h ma u t o b l o c ks y s t e i l l ， z p w - 2 0 0 0 at y p en o i n s u l a t i o nt r a c kc i r c l l i t ，i sg u 聪m t e et or e l i a b l eo p e r a t i o no f r a i l w a ys y s t e m a n di i l 仃a c kc i r c u i tt h e r ei su n b a l a l l c e 仃a c t i o nc u m 斌w l l i c hi 1 1 c r e a s e s w i t hs c a l eo ft r a c t i o nc u r r 以1 ti n c r e a s e d t h e r e f o r e ， r e s e a rc _ ho fe l e c t r o m a g r 坨t i c i 舢【i l u n i t yo ft r a c kc i r c u i th a sav 盯yi m p o n a l l tm e a n i l l g r e s e a r c h i sd i v i d e dn o 南1 1 0 w i i 玛a s p e c t s i f i r s t ，t l l i st h e s i sg i v e sa ni n d e p t hr e s e a r c ho nz p w 二2 0 0 0 at y p en o i n s u l a t i o nt r a c k c i r c u i t o p e r a t i n g l e c h a i l i s mo ft r a c k 血c u i t ，s t r u c t u r e sa i l do p e r a t i n gc h a r a c t 舒s t i c so f a l l如n c t i o n a l c o i n p o n e n t so f i ta r e a n a l y z e d a c c o r d i l l g t o a n a l y s i s ，i m m u n i t y c h a r a c t e r i s t i c so fz p w - 2 0 0 0 at y p en 0 - i i l s u l a t i o nt r a c k 由c u i th a sb e e ng o t ，a j l d i i l t e r 佗r e n c eo fu n b a l a n c e dt r a c t i o nc u h e n to nt r a c kc i r c u i th a sa l s ob e e nr e s e a r c h e d b a s e do ni t o nb a s i so fr e s e a r c h ，a i 】_ t i _ i n t e r 凫r e n c ec | h a r a c t e r i s t i c so ft r a e kc i r c u i ta b o u t h a | m o i l i cc u r r e n ti sc o n c l u d e d ，t h a tl i e s 旬u n d a t i o nf o r 如r t h e rr e s e a r c ho fu i l b a l a n c e t r a c t i o nc u r r e n ti i l t e r f e r e n c e s e c o n d l y ，g e n e r a t i o nm e c h a 血s mo f u n b a l a n c ec u r r e i l ti sg a i n e db yr e s e a u r c ho nl o t so f 1 i t e r a t u r e s c o m b i 芏1 e dw i t hd a t a 证z h e n g x i - l i i l et e s ta n di i l - d e p t hr e s e a r c ho nh 撇o n i c s o u r c e s 曲t r a c kc i r c u i t ，丘e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft w oi i n p o r t a n th 撇o n i cs o u r c e sh a s b e e ng a 洫e d t h e l l ，a c c o r d i l l gt oi i l d e p t hr e s e a r c ho ni n t e r f 打e n c eo fu 1 1 b a l a n c e dt r a c t i o nc u r r e n t o nt r a c kc i r c i u i t s s t a n d a i r df i l e sr e l a t e dt ot r a c kc i r c u i ta r es t u d i e db a s e do n 向u u n d e r s t a n d i i l go fs t a i l d a r d6 l e s ，t r a c kc i r c u i th a n l l o n i ci n n u n i t ya u t ot e s ts y s t e mi s d e v e l o p e di nl a b v i e w w i t ht r a c kc i r c u i th 籼n i ci i i 】m u n i t ya u t ot e s ts y s t e l n ，w ec a n 6 n i s ha l lt e s t sa b o u ti i 【1 m u n i t yo ft r a c kc i r c u j tb a s e do nt b t3 0 7 3 2 0 0 3s t a n d a l d a s w e l l ，w ec a nt a k es o m eo t h e rt e s t s o nr e s e a r c ho fm u 血yo ft r a c kc i r c u i tt o u n b a l a n c e dt m c t i o nc u l l r e n t ，a sw e l la sh a n n o i l i ci i i 曲u n i t yt e s t sd e s c r i b e di 1 1g b t 17 6 2 6 13 2 0 0 6a 1 1 da n vo t h e rt e s t sd e s c r i b e di nt b t3 0 7 3 2 0 0 6 f i l l a l l y ，t h i st h e s i ss u m m a r i z e sr e s e a r c hc o n t e n t s ，a j l dp r o s p e c to f 向n h e r a b o u t t r a c kc i r c u i th a n l 】o n i ci m 瑚u n i t ya u t ot e s ts y s t e ma r em a d e ，b a s e do ni t k e y w o r d s ：t r a c t i o nc u r r e n ti i n b a l a n c e ；t r a c kc i r c u i t ；z p w 一2 0 0 0 a ；i 舢= i l u n i t y ； h a 】m n i ci i l t i 玎f e r e n c e c i 。a s s n o ：1 1 2 2 8 2 致谢 本论文的工作是在我的导师沙斐教授和陈嵩老师的悉心指导下完成的。两位 老师渊博的知识、严谨的治学态度、敏锐的学术洞察力、求实的科学态度以及严 格的要求，使本文的研究工作得以顺利进行和完成。在此衷心感谢两位老师近三 年来对我学习和生活上的关心和指导。 感谢实验室全体老师给予我的热心帮助，感谢王国栋老师、朱云老师、崔勇 老师、王凤兰老师、闻映红老师、周克生老师在我研究生期间给予我许多关心和 指导。 感谢陈大伟、张婧亮、史锁兰、王淞宇、许振玲、张璐、赵兴、王望、杨志 超、汪庭霁等同学对我论文中的研究工作给予的热情帮助，在此向他们表达我的 感激之情。 感谢我的家人，他们的理解和支持是我能够在学校专心完成学业的坚实后盾， 感谢他们为我所付出的点点滴滴。 再次向所有关心和帮助过我的人们表示衷心的感谢! 图目录 图2 1z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路的构成5 图2 2 电气绝缘节原理图6 图2 3 匹配变压器原理图8 图2 4 补偿电容原理图9 图2 5 发送器原理图1 0 图2 6 接收器原理图1 l 图2 7 电缆模拟网络原理图1 2 图3 1 牵引供电系统原理图1 4 图3 2 带回流线的直接供电方式原理图1 5 图3 3 自耦变压器供电方式原理电路图1 6 图3 4 吸流变压器供电方式原理图1 7 图3 5 牵引电流轮轨回路示意图1 8 图3 6 邻近牵引回路的磁场耦合1 9 图3 7 不平衡牵引电流示意图2 0 图3 8 公网离线时的牵引回路电流波形2 l 图3 9 牵引系统回路2 2 图3 1 0 牵引系统回路的等效处理2 2 图3 1 1 牵引系统等效回路2 2 图3 1 2 机车牵引变压器周边电气连接示意图2 4 图3 1 3 静止带电状态机车牵引变压器磁场2 5 图3 1 4 静止带电状态机车牵引变压器磁场频谱2 5 图3 1 5 低速运行状态机车牵引变压器磁场2 5 图3 1 6 低速运行状态机车牵引变压器磁场频谱2 6 图3 1 7 加速运行状态机车牵引变压器磁场2 6 图3 1 8 加速运行状态机车牵引变压器磁场频谱2 6 图3 1 9 减速运行状态机车牵引变压器磁场2 7 图3 2 0 减速运行状态机车牵引变压器磁场2 7 图3 2 1 过分相时机车牵引变压器磁场2 7 图3 2 2 过分相时机车牵引变压器磁场频谱2 8 图3 2 3 正常行驶状态机车牵引变压器磁场2 8 图3 2 4 正常行驶状态机车牵引变压器磁场频谱2 8 图4 1s m a ns o u r c e1 4 0 t m x 前面板3 1 图4 2 测试系统架构3 2 图4 3 等级3 的试验流程图3 3 图4 4 测试系统功能结构图3 4 图4 5l a b v i e w 提供的仪器控制方法3 5 图4 6u p c 3 tl a b v i e w 驱动v i 树3 6 图4 7c o n f i g u r et r a n s i t i o nt i i i l e v i 程序框图3 6 图4 8 平顶波波形图3 7 图4 9 平项波测试模块流程图3 8 图4 1 0 平项波测试系统功能性验证波形3 8 图4 1 1 尖项波波形图3 9 图4 1 2 尖项波测试模块流程图4 0 图4 1 3 尖顶波测试模块功能性验证波形4 0 图4 1 4 单相e u t 试验布置4 1 图4 1 5 频率扫描( 模拟信号) 或者阶跃( 数字信号) 的速率要求4 2 i图4 1 6 扫频试验测试模块流程图4 3 图4 1 7 扫频试验模块功能性验证4 3 图4 18 单次谐波谐间波试验模块流程4 5 图4 1 9 单次谐波谐问波试验模块功能性验证4 6 图4 2 0m e i s t e r 曲线试验模块流程图4 7 图4 2 lm e i s t e r 曲线试验模块功能性验证波形4 8 图4 2 2 轨道电路谐波试验配置示意图4 9 图4 2 3 牵引电流谐波试验系统流程图5 0 1引言 1 1 课题的研究背景 从我国第一条电气化铁路宝鸡风州段的建成运行到现在，电气化铁路以其巨 大的优越性而得到长足的发展。近年随着我国经济和科技的发展，我国的铁路 系统也步入了飞速发展的阶段，根据铁道部出台的中长期铁路网规划( 2 0 0 8 年调整) n 1 ，到2 0 2 0 年，我国铁路营业总里程将达到1 2 万公里以上，其中 电气化铁路总里程将会达到全国铁路营业里程的6 0 以上，也就是将达到7 2 万公里以上，因此，电气化铁路将成为我国铁路系统的主体。 电气化铁路以电力牵引代替传统的蒸汽牵引和内燃牵引，使得铁路系统 的运输能力大幅提升，它在实现高速、高效、重载的同时，也很好地降低了 对环境的污染。但是，在具有上述优点的同时，电气化铁路也存在着其自身 固有的缺点。我国电气化铁路的牵引系统采用单相工频交流供电方式 2 】，接触网 额定电压采用2 5 k v 制式，接触网向电力机车供电的方式主要有三种：直接供电 方式 2 1 、吸流变压器供电方式 2 】和自耦变压器供电方式 2 1 。三种接触网供电方式在 馈电方式上各不相同，但其在回流方面均使用轨道作为其回流的通路，即采用了 接触网一钢轨( 大地) 回流方式，属于不平衡供电系统【2 】，这种不平衡供电系统， 将在周围环境中产生电场和磁场，对铁路沿线各种弱电信号及通信设备电磁干扰 影响。同时，受到诸如轨道电路制式【3 】、天气、施工质量和相邻线路的磁场耦合等 多种因素影响，牵引电流在回流线路( 轨道) 中会有不同程度的不平衡电流【4 】出现， 不平衡电流将会以传导的方式对以轨道为通路的信号设备构成骚扰。 伴随着铁路系统的发展，为保证铁路系统的运行安全，同时也为提高铁路系 统的运输效率，铁路系统引进了自动闭塞技术【5 】，自动闭塞与传统的半自动闭塞【6 】 相比有着巨大的优势，它无需办理闭塞手续，并准许列车追踪运行，这样极大地 提高r 运输的效率。然而随着我国近年铁路系统的快速发展，已有的自动闭塞技 术在效率及可靠性上已无法满足高速重载的需求，于是我国在引进法国u m 7 1 【7 型自动闭塞技术的基础上，结合我国铁路系统的自有特点，开发出了z p w - 2 0 0 0 a 型移频自动闭塞系统【8 】，满足了我国铁路系统高速化的要求。 由于z p w 二2 0 0 0 a 型移频自动闭塞系统的重要组成部分一轨道电路以轨道作为 其传输移频信号的通路，而牵引系统也以轨道作为其回流的通路，因而牵引系统 可能以传导耦合 9 】的形式对轨道电路构成干扰。轨道电路作为自动闭塞系统的核 心，它的正常工作是保证高速铁路信号系统【4 1 正常运转的基础，而自动闭塞系统作 为高速铁路信号系统的重要组成部分，是保证我国铁路提速线路和客运专线【4 1 列车 运行安全、提高列车运行效率的重要技术设备，因此研究不平衡牵引电流对轨道 电路的影响有着十分重要的意义。 1 2国内外研究现状 牵引电流不平衡现象是电气化铁路一个普遍存在的问题，由于其电流量大可 能对周围的环境及设备构成干扰，一直是电气化铁路系统研究的一个重点。然而 由于造成牵引电流不平衡的因素很多，存在明显的不确定性，因而国内对牵引电 流不平衡现象的研究主要集中在对已出现的不平衡牵引电流的测量与分析上。其 中在测量部分，由于铁路系统相关标准中仅对牵引电流的不平衡系数做出规定， 因而各试验测量的内容也主要集中的对其不平衡系数的测量，即对整个不平衡牵 引电流在工频频段处的等效电流的测量，因而对其谐波的测量及研究很少。国外 对牵引电流不平衡现象的研究与国内水平相差不大，虽然有对牵引回流骚扰的研 究与建模，但由于牵引回路参数变化较大，且国外的牵引制式与国内存在差异， 因而可借鉴的很少。 在对不平衡牵引电流骚扰的研究上，国内外研究现状基本一致，都主要围绕 着牵引电流可能产生的磁场、电场骚扰，对其所产生的传导骚扰的研究，由于所 研究的敏感设备的不同存在差异。国外主要针对其对铁路沿线的通信、信号设备 的骚扰进行；国内则根据我国铁路系统中所使用的具体的轨道电路的制式展开研 究。由于z p w 2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路是我国在法国u m 7 1 的基础上结合我国铁 路系统的具体情况而进行的再创造，因而与u m 7 1 在很多性能上存在明显差异， 不能直接借鉴国外的分析结论，而国内对于不平衡牵引电流对轨道电路骚扰的研 究并未涉及z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路，其主要集中在站内轨道电路制式2 5 h z 相敏轨道电路上，而对z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路抗不平衡牵引电流谐波骚扰 方面的研究，仅有关于z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路信号调制制式f s k 的纯理 论分析与仿真，并未涉及其对不平衡牵引电流抗扰性的分析。 、= 1 3 本文的主要内容及安排 本文共分为五个章节，各个章节的具体内容及安排如下： 第一章引言部分，主要介绍本课题研究的背景及意义。通过对不平衡牵引电 流存在的客观性及普遍性的阐述以及轨道电路在信号系统乃至整个列车控制系统 2 中的重要性的论述，得出本课题研究的重要性。然后通过分析和总结国内外学者 对本课题的研究现状，得出本文所进行的研究的现实意义。 第二章主要阐述z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路电路的工作原理及系统构成。 通过对z p w 二2 0 0 0 a 型轨道电路的工作原理的分析、系统内各组成部件功能的介绍， 引出其可能受到的骚扰及其抗骚扰能力( 即抗扰度【5 j ) 。 第三章不平衡牵引电流部分分两部分：第一部分着重研究不平衡牵引电流产 生的机理，通过理论分析来定性地分析不平衡牵引电流的产生；第二部分着重对 不平衡牵引电流可能对轨道电路工作频段构成干扰的两大谐波源进行研究，并通 过相应的计算及仿真得出其频谱特性。 第四章轨道电路谐波抗扰度试验自动测试系统开发部分，主要分析国内现行 的与轨道电路的谐波( 即不平衡牵引电流谐波) 抗扰度相关的标准，在对标准充 分理解的基础上，结合上文的研究结果开发轨道电路谐波抗扰度自动测试系统， 以对轨道电路相关设备的抗扰性进行测试和评价，为其在实际运行中的可靠性提 供参考意见。 第五章结论和展望部分，在对全文内容的概括和总结的基础上，得出本文的 研究结果及相关结论，为本课题的进一步研究做出合理性地展望。 2 z p w - 2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路 2 1 z p w 一2 0 0 0 a 型移频自动闭塞系统概述 z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘自动闭塞系统是在法国u m 7 l 型无绝缘自动闭塞系统 ( 以下简称u m 7 1 ) 的基础上，结合我国的具体国情而进行的技术再开发。它不仅 满足了列车超速防护和主体化机车信号对轨道电路在安全性、可靠性上的高要求， 而且克服了u m 7 1 在传输安全性及传输长度上存在的不足。 z p w 二2 0 0 0 a 型移频自动闭塞系统从功能上可分为无绝缘轨道电路、改变运行 方向电路、信号控制电路和信号电灯电路。其中，无绝缘轨道电路是整个 z p w 二2 0 0 0 a 型移频自动闭塞系统的核心，用于反映列车的运行状态，主要由发送 设备、接收设备、轨道参数补偿设备等构成。z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路在轨 道电路信号传输的安全性方面，它解决了拍频干扰防护、轨道电路全程断轨检查、 调谐单元断线检查、调谐单元内分路死区长等多个技术难题；在轨道电路传输的 可靠性方面，采用了数字信号处理技术和单片微机技术，有效地提高了系统的抗 干扰能力。改变运行方向电路用以在需要改变线路行车方向时控制相关设备实现 对线路行车方向的改变，从而提高线路的运输能力。信号点灯电路用于将接收到 的控制信号以信号灯光的形式发送出去，提示列车线路的占用情况。信号控制电 路用以控制信号电灯电路的工作，由高稳定性安全型继电器构成。 下面本文将从z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路的具体工作原理、构成及特点等 方面进行阐述，为进一步地分析不平衡牵引电流对其的骚扰做准备。 2 2z p w 一2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路的工作原理及构成 2 2 1z p w - 2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路的工作原理 如图所示，为z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路的构成： 4 图2 1z 肼- 2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路的构成 f i g u r e2 一lc o m p o s i t i o no f z p 、肌2 0 0 0 at y p en o l l i n s u l a t i o n 仃a c kc i r c u i t z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路通过闭塞分区的空闲和占用情况来反映列车对 闭塞分区的使用情况，同时，它还控制着本闭塞分区和相邻闭塞分区的防护信号 机【7 的点灯，进而实现对列车的运行指挥。z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路之所以 称之为无绝缘轨道电路，其“无绝缘”体现在：在区间轨道电路中，采用谐振原 理来实现对轨道电路相邻闭塞分斟7 】的电气隔离，即两相邻的闭塞分区之间采用电 气绝缘节( ”】来实现对各自移频轨道信号的电气隔离。现以图2 1 中标号为3 g 的闭 塞分区为例对z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路的工作原理进行阐述。 如图2 1 所示，一个闭塞分区( 3 g ) 由主轨道电路和小轨道电路( 又称调谐 区小轨道电路) 两部分组成，两部分通过调谐单元 13 】b a 3 分隔。在实际运行中， 3 g 的发送器f s 2 生成本闭塞分区的移频调制信号，经电缆模拟网络、s p t 电缆、 匹配变压器后以端口电压的形式加载到轨道电路上在3 g 内传输。移频调制信号在 3 g 主轨道电路内传输时，通过调谐单元b a 2 拾取，然后经匹配变压器、s p t 电缆、 电缆模拟网络等送入本闭塞分区接收器j s l ，完成主轨道信号的传输；同时，相邻 闭塞分区1 g 的调谐单元b a l 对3 g 的移频调制信号构成串联谐振，使3 g 的移频 调制信号被限值在闭塞分区3 g 内。移频调制信号在本闭塞分区( 3 g ) 的小轨道电 路中传输时，通过相邻闭塞分区( 5 g ) 的调谐单元b a 3 将小轨道信号拾取，经匹 配变压器、s p t 电缆、电缆模拟网络送入5 g 的接收器j s 2 ，经j s 2 判决后将判决 结果送至接收器j s l ；同时，b a 3 对3 g 移频调制信号构成串联谐振，将3 g 的移 频信号限制在3 g 闭塞分区内。 2 2 2z p w - 2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路的构成 由图2 1 可知，z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路由室内设备和室外设备组成， 下面以此为准对其构成进行详述。 ( 一) 室外设备 室外设备由电气绝缘节、匹配变压器 8 】和补偿电容【8 等组成。现分条陈述如下： 1 电气绝缘节 电气绝缘节又称电气调谐区，为图2 1 所示小轨道电路部分，其作用是实现相 邻两轨道电路之间的电气隔离，由调谐单元( b a ) 、空芯线圈( s v a ) 和2 9 m 长 的钢轨组成。如图2 2 所示为电气绝缘节的原理图 6 】： 图2 2 电气绝缘节原理图 f i g l l r e2 2s c h e m a t i co fe l e c t r i c a l i i l s u l a t i o ns e c t i o n b a l 、b a 2 、s v a 及2 9 m 长的钢轨构成了电气绝缘节，其中两调谐单元b a l 、 b a 2 间隔2 9 m ，空芯线圈s v a 位于两调谐单元之间。电气绝缘节是利用谐振原理 来实现两相邻轨道的绝缘的。当相邻两轨道电路的载频确定后，通过选择相应的 b a l 、b a 2 参数，使得本区段的调谐单元对相邻区段的载频呈串联谐振【1 4 】，谐振阻 抗为“o 阻抗”( 只有百分之几欧姆的阻抗) ，从而使相邻区段的移频信号被短路； 而对于本区段的频率呈容抗，和s v a 中的电感以及2 9 m 长的钢轨的分布电感共同 产生并联谐振【14 1 ，其谐振阻抗为“极阻抗【1 5 】”( 阻抗值在2 2 5 欧姆之间) ，从而使 本区段的移频信号被接收。因此，某一载频的移频信号只能被限制在本区段内传 送，而不能向相邻区段进行跨区段传送，从而形成了电气隔离。 ( 1 ) 调谐单元b a i ”j 调谐单元是电气绝缘节的主要部件，由电感线圈和电容器构成( 如图2 2 所 示) ，按其内部结构的不同，可分为f l 型和f 2 型。f l 型又名b a l 型，如图2 2 所 示由l l 、c 1 两个元件构成，用于上、下行中频率较低的载频( 即1 7 0 0 h z 和2 0 0 0 h z ) 。 f 2 型又名b a 2 型，如图2 2 所示由l 2 、c 2 、c 3 三个元件构成，用于上、下行线频 率较高的载频( 即2 3 0 0 h z 和2 6 0 0 h z ) 。如表2 1 所示为其具体的型号及参数： 6 表2 1 调谐单元的电感、电容元件参数 1 a b l e 2 - lp a r a m e t e r so fi 1 1 d u c t a n c e ，c a p a c i t a n c ec o m p o n e n t s 类型频率 l l ( l 2 )c l ( c 2 ) ( “f ) c 3 ( “f ) ， ( h z )( h )c l ( c 2 )c l( c 2 )c 3c 3 f l 1 7 0 03 3 51 2 4 用0 4 7 6 8 调整 2 0 0 03 4 6 8 1 6 用0 4 7 5 1 调整 f 2 2 3 0 08 89 0 9 用0 4 7 5 6 调整 1 2 7 2 用o 4 7 1 2 调整 2 6 0 09 06 0 4用0 4 7 3 9 调整 1 0 1 2 用o 4 7 1 0 调整 ( 2 ) 空芯线圈s v a 【j 空芯线圈s v a 主要用来平衡两根钢轨之间的不平衡牵引电流，如图2 2 所示 其由一个电感构成，在工程实践中由直径为1 5 3 i m 的1 9 股铜线绕成，电感值为 3 3 衄，直流电阻值为4 5 m q ，交流电阻为1 4 2 5 m q ，内无铁芯，带有中心抽头 ( 接地以降低轨面电压，在道岔处与相邻空芯线圈中心抽头连接以平衡两轨道电 位) 。空芯线圈对钢轨中的工频牵引回流及其奇次谐波呈现出l o m q 左右的电抗， 可等效为一根短路线，正常情况下两根钢轨间存在的不平衡牵引回流经空芯线圈 后将被短路掉，从而对牵引回流起到了平衡作用，降低了不平衡牵引电流基波及 其谐波对轨道电路的骚扰。除此之外，空芯线圈还有如下功能： a 参与并改善电气绝缘节的工作：在电气绝缘节内，空芯线圈自身的感抗与2 9 m 长的钢轨的分布电感共同参与本区段的并联谐振，而不单单是一个分路电抗，因 而，其为谐振回路提供了一个合适的品质因数，确保了电气绝缘节的稳定工作。 b 确保维修工作的安全：在工程实际中，上、下行线路中的两个空芯线圈每隔一 定的距离就进行等电位连接并接地，用以平衡上、下行线路之间的不平衡牵引电 流，同时也起到了保护维修人员人身安全的作用。 c 作扼流变压器使用：在道岔弯股绝缘两侧各安装一个空芯线圈，可将两个空芯 线圈的中心抽头连接起来作为扼流变压器使用。 ( 3 ) 2 9 m 长钢轨 电气绝缘节之所以确定小轨道钢轨长度为2 9 m ，不仅与轨道电路的载频和频 偏有关，还与调谐单元元件参数的选取以及钢轨的一次参数等诸多因素有关。若 调谐区长度选择得过长，为满足调谐区谐振特性要求，则需要增大l l ，从而导致 线圈电阻的增大，不利于对相邻区段移频信号的电气隔离。若调谐区长度选取得 过短，则对f ，而言，使得其并联谐振阻抗降低，从而加大了信号在f l 上的衰耗。 对f 2 而言，为满足谐振条件，则： a c 2 减小，l 2 增大，从而不利于对相邻区段移频信号的电气隔离。 b c 2 增大，l 2 减小，此种调整虽然有利于对相邻区段移频信号的电气隔离，但 7 是由于l 。减小使得对f ：的并联谐振阻抗下降，从而增大了对本区段信号的衰减。 2 匹配变压器 对于移频信号，移频信号发送器的内阻很高，而轨道阻抗较小，两者直接连 接将会导致移频信号在连接处( 即阻抗不匹配点) 产生较大的衰耗，为避免这一 衰耗的产生，z p w 二2 0 0 0 a 在二者之间使用了匹配变压器来实现阻抗的匹配，进而 获得最佳的传输效果。如图2 3 所示为匹配变压器的电路图【1 3 】： v 至 电 缆 图2 3 匹配变压器原理图 f i g u r e2 3s c h e m a t i co fm a t c h i n g 仃a n s f o l l l l e r 其中，v l 、v 2 端通过调谐单元端子连接轨道，而e 卜e 2 端接s p t 铁路信号电缆【1 3 】。 f 为压敏电阻 1 6 】，其作用是对匹配变压器进行雷电横向防护，根据z p w 二2 0 0 0 a 技 术条件规定其防护等级取a c 7 5 v 级，具体型号依据工程实践需要而定。c 1 、c 2 为两个4 7 0 0 m f 1 6 v 的电解电容器，两电容器按照相反极性串接构成无极性连接， 从而起到隔直流而通交流的作用，以确保在该设备在直流电力牵引区段中运用时， 不会因为直流成分而造成匹配变压器的磁路饱和。l 为电感值为1 0 n l h 的电感，其 作用是对s p t 铁路信号电缆所表现出的容性进行补偿。同时，匹配变压器还具有 变压的作用( 为降低电缆上的信号损耗，发送器发出的信号采用了较高的电平， 而此较高电平不能直接入轨，需降压后才能进行加载) 。工程中，l 由设在同一线 圈骨架两个槽上的单独线圈构成，以使两条电缆芯线的每一根芯线所呈现出的阻 抗相同；同时，为防止因振动和撞击而造成电感的损坏，导致电感量下降甚或丧 失而引起接收器电平升高，采用富有弹性的物质对l 进行灌封。 3 补偿电容 z p w 二2 0 0 0 a 型无绝缘自动闭塞系统的移频信号频率较高，在此频率范围内钢 轨呈现出较高的电感量( 1 4 m h m ) ，从而导致移频信号较快的衰减，制约了轨道 电路的传输长度。为了保证轨道电路的传输距离和机车信号的可靠工作， z p w 二2 0 0 0 a 闭塞系统采用分段加装补偿电容的方法来抵消钢轨在此频段范围内的 感性。如图2 4 所示为补偿电容的补偿原理【6 ： dd a b c d 图2 4 补偿电容原理图 f i g u r e2 4s c h e m a t i co fc o i n p e i l s a t i o nc a p a c i t o r 其中，r 和l 为钢轨的等效电阻和电感，补偿电容c 通过与其串联构成串联谐振， 从而使补偿段从移频信号的入口端( a 、b 端) 看去可趋于纯阻性负载r ，在出口 端( c 、d 端) 即可获得较高的输出电平。补偿电容的设置方式采用“等间距法 1 3 】”， 具体方法如下： ( 1 ) 确定补偿电容的数量 由于在钢轨型号确定的前提下轨道的分布电感等参数也是相对确定的，因而 根据理论计算及实测，工程中针对不同的载频采用以下四种规格的电容对轨道电 路进行补偿： 表2 2 补偿电容规格选型 t a b l e 2 - 2c h o i c e so fc o m p e i l s a t i o nc a p a c i t o r 载频规格 1 7 0 0 h z 2 0 0 0 h z 2 3 0 0 h z 2 6 0 0 h z 5 5 p f 士2 7 5 p f 5 0 斗f 士2 5 p f 4 6 肛f 士2 3 p f 4 0 心士2 心 在已知主轨道电路的长度l z 的情况下，所需补偿电容的数量按照如下方法确 定呸取l z 1 0 0 = n ，则若n 为整数，则补偿电容数m = n ；若n 不为整数，则补 偿电容的数量m = n 】+ 1 ( n 】表示对n 取整，即舍去其小数部分，仅保留整数部分) 。 ( 2 ) 确定补偿电容补偿间隔 的确定按照如下公式确定：= l z m 。 ( 3 ) 补偿电容的布局 。 靠近电气绝缘节的补偿电容在距邻近调谐单元1 2 处布置，其他补偿电容等 间距( ) 设置。 补偿电容除了具有保证轨道电路的有效传输距离外，补偿电容还具有如下作 用： a 确保接收端移频信号有效的信干比：补偿电容的接入使得轨道电路的阻抗 9 趋于纯阻性，在改善了轨道电路移频信号的传输性能的同时，加大了轨道入口端 的短路电流，有效地降低了发送端和接收端的钢轨电流比，从而确保了轨道电路 入口端的信干比，进而改善了接收器及机车信号的工作。 b 实现了对断轨状态的检查，确保了在钢轨同侧两端接地条件下，仍具有断 轨检查和0 1 5 q 分路检查功能。 4 s p t 电缆 s p t 电缆为国产内屏蔽铁路信号数字电缆，其直径为1 o m m ，可实现1 m h z 模拟信号、2 m b i t s 数字信号的传输，以及交流额定电压7 5 0 v 和直流额定电压 1 1 0 0 v 及以下铁路信号系统中相关设备与控制装置之间的连接，其总长度按1 0 k m 计算。 5 b a 、s v a 、s v a 弓f 接线 如图2 1 所示，b a 、s v a 等的引接线采用3 6 0 0 m m 和1 6 0 0 l i l 】【i l 规格钢包铜线。 ( 二) 室内设备 室内设备主要由发送器、接收器、衰耗器和电缆模拟网络等构成，其中，发 送器、接收器、衰耗器安装在移频柜6 1 内，电缆模拟网络等安装在综合柜【6 1 内。 1 发送器 发送器即移频信号的产生和发送装置，用以产生高精度、高稳定性的移频信 号，其原理框图如图2 5 所示 6 】： 至 轨 道 图2 5 发送器原理图 f i g l l r e2 5s c h e m a t i co fs e n d e r 同一载频编码条件源和低频编码条件源分别以反码形式送入c p u l 、c p u 2 两套微 处理器中，其中c p u ，控制移频发生器使其产生移频键控信号f s k ( 其低频控制信 号为f c ) 。移频发生器生成的移频键控信号分别被送入微处理器c p u l 、c p u 2 进行 频率检测，检测结果符合规定后微处理器便产生控制输出信号，经控制与门将移 1 0 频键控信号送至滤波环节，经滤波后将方波信号转换为正弦波信号。滤波后的移 频信号经功放后送入两微处理器进行功出电压检测。f s k 信号的低频、载频和幅 度特征经两微处理器检测均符合要求后，两微处理器便打开安全与门，使发送报 警继电器f b j 励磁，进而使经功放放大后的移频信号输出至轨道。而当两微处理 器检测到发送输出端短路时，则产生输出控制信号使控制与门关闭1 0 s ( 此功能称 为休眠保护) 。 2 接收器 接收器相当于一个电子继电器，其主要作用是接收、解调从钢轨上拾取的移 频信息，检测区段空闲情况和钢轨完整性。z p w 二2 0 0 0 a 的接收器为无选频方式接 收器，在接收到对应本闭塞分区载频的移频信号后，无论该移频信号是由何种低 频信号调制而成，都将使轨