【《无砟轨道轨道电路电气参数综述》4900字】

无砟轨道轨道电路电气参数综述目录TOC\o"1-3"\h\u4978无砟轨道轨道电路电气参数综述 114321.1无砟轨道电路及钢轨阻抗 1176071.1.1轨道电路 159631.1.2钢轨阻抗 3155441.2无砟轨道电路电气参数计算方法 4199521.1.1Carson理论 4195821.1.2有限元法 6220511.1.3有限元法在电磁场中的应用 755001.4小结 81.1无砟轨道电路及钢轨阻抗1.1.1轨道电路轨道电路是重要的铁路信号基础设备，实现现代化铁路列车运行的自动控制与远程控制，并以铁路线路中的钢轨作为载体传输控车信息，其通过发送和接收轨道区段相关信息，起着监督列车占用出清以及轨道电路完整性检查的作用。同时还作为一个可以传递控车信息的通道，使信号机、地面设备与车载设备紧密的联系在一起。从而为列车安全高效的运行提供重要的保障。轨道电路[51]是钢轨线路、钢轨绝缘（电气绝缘）和连接于其始终端设备的总称。其中钢轨线路以铁路的钢轨作为导线再加以接续线和引线组成；钢轨绝缘是为了分隔相邻轨道电路的一类绝缘装置，通常位于钢轨线路的两端；始终端设备主要由电源、限流设备及接收设备组成，接收设备一般使用电磁继电器或电子继电器。其轨道电路的组成如图1.1所示。图1.1轨道电路的组成目前，高速铁路普遍采用的是我国自主研发的ZPW-2000系列无绝缘轨道电路,其使用的是谐振式无绝缘轨道电路，它是利用谐振槽路，采用电容和的电感在相邻轨道电路的隔离处形成谐振回路，且利用相邻轨道电路区段内信号电流频率的不同，使轨道电路呈现出不同的阻抗特性实现电气绝缘。以ZPW-2000A型无绝缘轨道电路为例分析，其电气绝缘节的原理如图1.2所示。电气绝缘节主要由调谐单元BA、空心线圈SVA及29m钢轨线路构成，图1.2中1G区段的调谐单元为BA1，其相邻轨道区段为3G。3G区段的调谐单元为BA2，其相邻轨道区段为1G。3G中发送器发出移频信号时会与AB端L1和C1形成短路，阻止其向左传送，使3G的移频信号不能传输至1G，而与EF端的L2、C2、C3及钢轨电感形成高阻抗，保证了1G中移频信号能顺利沿钢轨向左传送。同理，1G中发送器发出移频随信号时会在EF端的BA2形成短路，会阻止其向右传送，致使1G的移频信号不能传输至3G，而与AB端的L1、C1及钢轨电感形成高阻抗，保证了3G中移频信号能顺利沿钢轨向右传送。图1.2电气绝缘节轨道电路作为传递列车控制信息和牵引回流的通道，其传输性能的重要性不言而喻，而轨道电路钢轨阻抗是影响轨道电路传输性能的重要因素。轨道电路钢轨阻抗的值过大或过小，都会影响轨道电路的传输性能，从而影响轨道电路的正常工作。具体表现为：轨道电路在正常工作状态时，此时由发送器沿钢轨线路向轨道接收器或者机车接收器发送信号电流。若钢轨阻抗过大，其能量损耗势必也会增加，从而使轨道继电器从钢轨上接收的信号电流幅值减小，若小于轨道继电器的可靠落下值，致使轨道继电器不能可靠吸起，轨道区段的状态也会随之错误改变，形成红光带从而影响行车效率。对于机车接收器而言，若信号电流幅值过低，小于STM接收灵敏度时，将会使得机车无法从轨道电路中接收到完整的机车信息，出现“掉码”现象，对列车的正常运行造成影响；轨道电路在分路状态下，当钢轨阻抗过小，会使轨道继电器从钢轨上接收的信号电流幅值增大，若高于轨道继电器的可靠不吸起值，致使轨道继电器吸起，错误显示轨道区间的状态，这样将危及行车安全，容易造成行车事故；轨道电路在断轨状态下，当钢轨阻抗过小，使轨道继电器从钢轨上接收到信号电流，致使轨道继电器仍可以正常工作，从而将无法正确判别轨道区段的状态，增加了轨道电路的维修难度。因此，准确计算钢轨阻抗对轨道电路传输性能分析及优化设计具有重要意义。在实际研究中认为轨道电路钢轨阻抗在轨道电路内部在均匀分布的，因此，在对钢轨阻抗的研究分析中，不必对整个范围内的钢轨电路进行研究只需对其中任意一段进行研究即可。1.1.2钢轨阻抗轨道电路钢轨阻抗主要由电阻R和电感L两部分构成，钢轨阻抗由自阻抗和互阻抗组成，自阻抗主要与单根钢轨有关，互阻抗主要是由两根钢轨间的电磁感应产生。图1.3为轨道电路的钢轨阻抗分布图。图1.3轨道电路钢轨阻抗分布在图1.3中，i1和i2是分布在钢轨线路中的激励电流，两根钢轨自身的自阻抗分别用Z11和Z22表示，两根钢轨之间的互阻抗用Z12表示。由于钢轨线路的对称性，可认为Z11与Z22是相等的。对于钢轨自阻抗的计算研究，考虑有无大地影响下自阻抗的变化情况将其分为内阻抗和外阻抗并分别进行计算。计算钢轨内阻抗时，要考虑到钢轨材料具有铁磁特性，当有信号电流流经钢轨时，且随着频率的变化，将出现集肤效应及磁滞饱和现象，具体表现为钢轨表面电流分布的不均匀性以及相对磁导率的不同，再者，钢轨截面的不规则性也将会给钢轨内阻抗的计算带来难度。在钢轨外阻抗的计算中，主要与钢轨-地回路有关，由于大地涡流效应的存在，故要考虑大地为完美导体（纵向阻抗）时和大地为有损导体时的不同进行计算。对于钢轨互阻抗的计算研究，不仅要考虑其两根钢轨之间由于电磁感应形成回路之间的互阻抗，还应该考虑两根钢轨分别与大地形成回路间的互阻抗的计算。即对应于考虑钢轨和大地为完美导体时候两根钢轨之间的互阻抗以及考虑大地为有损媒质时的互阻抗计算。钢轨外、互阻抗的计算只与它的外部磁场与关，与其内部电流幅值变化、电流分布情况无关。除此之外，还应该考虑钢筋网对钢轨阻抗增量的影响，依据文献[43]中阻抗分解法的原理，本文在计算钢轨外、互阻抗时，首先不考虑钢筋网络，考虑大地分层结构，对钢轨外阻抗和互阻抗进行理论计算。其次，计算钢筋网对无砟轨道钢轨阻抗的增量。目前，主要基于PEEC法和有限元法计算钢筋网对无砟轨道钢轨阻抗的增量，在采用PEEC法时，通过对钢筋网结构进行分析从而将其化简为一个含有电阻、电容、电感等电路元件的等效电路模型进行分析计算。但是，目前对含钢筋网的PEEC等效电路的搭建尚不完善，为了更加准确的计算无砟轨道电路钢轨互阻抗，本文采用有限法计算钢筋网对无砟轨道钢轨阻抗的增量，其仿真计算过程将在第四章重点介绍。第三章主要是钢轨内阻抗和不考虑钢筋网时的钢轨外、互阻抗的理论计算。1.2无砟轨道电路电气参数计算方法1.1.1Carson理论美国科学家Carson与Pollaczek最初以电话线路为研究对象进行阻抗分析，并通过不断完善最终得到了阻抗计算公式，并于1926年发表论文，由此奠定了当电流流过大地时，计及大地影响下各类导体或输电线路与大地回路间阻抗计算的基础。二人所提出的计算公式均适用于架空导线的分析计算。Pollaczek的公式更适用于对地下导线和地下管道的自、互阻抗的计算。而Carson的公式更偏向于在考虑大地影响的导体-地回路阻抗的计算中，由此也得出了在分层土壤的条件下，Carson地回路阻抗的应用。并且Carson公式更容易编程实现，ATP-EMTP中的lineConstants及CableConstants这两种子程序均以Carson公式为基础理论进行编写的。后来学者对Pollaczek和Carson在计算架空导线阻抗的思想及公式进行统一归纳整理，称为Carson理论[52-54]。依据Carson地回路阻抗公式对位于大地上方的导体自、互阻抗进行计算，自阻抗和互阻抗公式的表达式分别为式1.1和式1.2所示，架空导线示意图如图1.4所示。图1.4Carson阻抗示意图 (1.1) (1.2)其中，代表导体的交流电阻；、代表Carson地回路自电阻和自电抗的误差修正项；、代表Carson地回路互电阻和互电抗的误差修正项；代表导体与水平地面之间的高度；代表导线的半径；和分别代表导体与导体的镜像导体；代表导体与镜像导体之间的距离；代表导体与导体之间的距离；为真空磁导率，。Carson地阻抗的电阻校正项和电抗校正项的表达式如式1.3和式1.4所示。 (1.3) (1.4)其中，计算自阻抗时，为，为，=0；计算互阻抗时，为，为，；为大地电阻率；sign=，sign函数中每四项构为一个周期进行正负交替循环计算。当取值为1，2，3，4时，取符号为+1；当取值为5，6，7，8时，取符号为-1。可以看出，电阻校正项和电抗校正项比较复杂，在实际应用计算中难以实现。后来，Carson对其阻抗校正项做进一步简化，得出了Carson地回路阻抗公式的级数算法，通过对该算法的进一步研究、归纳，使其成为了迄今为止应用最为广泛的架空线阻抗的计算方法。1.1.2有限元法有限元法是一类具有应用广泛、简单实效等优点的运算方法[55]。1950年左右，结构工程师第一次指出了这个方法，并将其运用在了弹性力学的相关问题上，获得了一定成绩。近年来，随着其理论基础与方法的逐步改进与成熟，有限元法在求解热传导、流体力学及电磁场等其他领域已有诸多建树。这个方法的基本内容为：把指定范围划分成许多在节点处相互联系的模块，之后在各个模块上面做近似处理，让“能量”能够近似表达成指定数量节点参数的函数，进而让变分问题整理总结成多元函数，然后解出极值，具有近似数值方法的显著优势。有限元法是解变分问题的古典的Ritz方法的进一步发展，它运用了计算数学（逼近理论）的成果，而电子计算机的出现和发展，则是促使它发展和广泛应用的直接动力。由于从各单元分析得到的矩阵基本形式相同，而集成时又是有规则地将涉及该节点的各单元的“贡献”叠加，因此，这样的步骤在电子计算机上是容易实现的。这是有限元法得到广泛应用的原因之一。通过有限元法离散化得到的矩阵，一般是稀疏的，即含有大量零元素。这对于节省计算机使用资源也是有利的。1.1.3有限元法在电磁场中的应用近十余年来，国内外对于应用有限元法解电磁场[56]问题做了不少工作。下面以一维场及二维场为例分析有限元法在电磁场中的应用。求解一维场问题，是要找出电位函数。作为一元函数，在图上表示为一条曲线。如图1.6所示，这条曲线可以用一条折线（即分段为直线）来近似。这种近似相当于假设在各个局部范围内电场是均匀的，总体看电位函数是连续的。若将上述近似的想法用数学式子来表达，则首先将所讨论区间分为有限个（如n个）子区间，每个子区间叫做一个单元，在各个单元上，φ(x)近似地看做随x线性变化。故在区间[,]上可以得到： (1.5)其中，和分别是对应于和点上的值；剖分区间的点(i=0,1,2,.,n)，叫做节点；在节点处的值，叫做节点参数。在单元上，的近似由两个节点参数和确定。的近似函数确定的基本条件是我们能够解出全部的节点指数。这样，求解变分问题变成了求解一个以节点参数为未知数的代数方程组。图1.6曲线近似图有限元法不仅是一种基于变分原理的离散化方法，而且是一种将变分问题化成求解代数方程组的系统方法。它首先对求解模型进行区域划分，然后对每个子区域进行处理，进而将局部板块的近似整理成整体近似，最终完成整个模型的求解计算。在二维场的情形中，涉及的区域是二维区域，待求函数是二元函数，因此，在区域剖分、局部近似等方面，都比一维场情形复杂一些。关于二维区域图的剖分，一般用一些分割线将其分割为许多三角形单元，剖分后的两个相邻的三角形有一对公共的顶点及一条公共的边，如图1.7所示。涉及曲线边界的情形，通常将曲边用直线段近似。如域内有不同介质，则分界线一般选为分割线。容易看到，三角形剖分能适应各种几何形状的区域，所以是最常用的。对于有限元法的收敛性和精度问题。一般地说，只要在三角剖分时，要保证各个三角形的最小角度均大于0度。那么，当单元无限缩小时，有限元的近似解就能够收敛集合于精准解，不但这样，近似解对应的导数也应该收敛集合于精准解的导数。因此，通常做出三角剖分的时候，需要避开三个顶点几乎在同一条直线上的三角形。有限元近似解的精度，通常和三角剖分的三角形边长最大值有关系，如果针对函数存在二阶连续导数时，则要求其求解误差就和h2同阶、导数误差和h同阶（当h趋近于0时）。在除此之外，针对不同模型及求解区域，还可以采用矩形和四边形的进行网格剖分计算，以及采用二次、三次的多项式近似进行更高精度的局部近似计算，以达到求解要求。图1.7二维区域网格剖分电磁场有限元法可以同时对几何结构的复杂性和介质环境的多样性进行考虑，并且由于其计算结果的高精度性，从而被广泛应用于无砟轨道电路钢轨阻抗的计算中。本文在宽频条件下，采用电磁场有限元法对无砟轨道电路仿真模型进行分析计算，为优化无砟轨道电路传输性能提供理论参考和仿真参