微電子相敏軌道電路對絕緣破損的防護

劉 鋒

(深圳地鐵 3號線投資公司,518000,深圳∥工程師)

1 軌道電路絕緣的構成和分析

1.1 軌道電路絕緣結構的構成

如圖1所示,相鄰軌道電路絕緣結構主要由夾板絕緣、軌端絕緣、鋼軌軌端和夾板等組成。

1.2 軌道電路絕緣等效二端網絡分析

在夾板和鋼軌之間的軌道電路絕緣呈電容和電導性,可以把每2塊金屬和其間的絕緣視為1個電容電導二端網絡。這樣,如圖1所示的一套軌道電路絕緣系統就可以等效為如圖2所示的多元件網絡。

圖1 相鄰軌道電路絕緣結構示意圖

圖2 相鄰軌道電路絕緣等效電容電導二端網絡圖

正常情況下,對電容、電導、電納和阻抗均可用數學模型描述,進而對電壓、電流進行分析,以指導測試工作。由上述電容電導二端網絡的數學分析可得:

式中:

Z——軌道電路絕緣等效阻抗模值;

ρ——軌道電路絕緣電阻率;

l——軌道電路絕緣金屬件之間的距離;

s——軌道電路絕緣金屬件的面積;

α——軌道電路絕緣電介質的介電常數;

ω——軌道電路電源角頻率。

假定漏電流 IL的方向和相應電壓U1、U2、U3的方向如圖2所示,根據歐姆定律可得:

式(2)是指導實際測試工作的基本關系式,與實際工作中測試的大量數據基本相符。在理想狀態下,U2/U3=1;當絕緣破損時,Z=0,U=0。如果U1=0,則說明軌端絕緣破損,或者是U2和U3處的絕緣同時破損。如果U 1≠0,則會有U 1=U 2+U 3。若U2=0,表明U 2處絕緣破損 ;若U 2≠0,則U 3處絕緣破損。當發生短路性破損時,軌道電路絕緣的漏電電流遠遠大于流向指定受電端的電流,造成“紅光帶”,會給正常行車作業帶來影響。因此,有必要對軌道電路絕緣的破損進行防護。

2 傳統軌道電路對絕緣破損的防護

普通使用的JZXC-480型軌道電路是采用極性交叉的方法對軌道絕緣破損進行防護。如圖3所示,和是兩個相鄰的JZXC-480型軌道電路,它們之間沒有實現極性交叉的配置。當區段有車占用,在軌端絕緣破損的情況下,流經(軌道繼電器)的電流等于兩個軌道電源所供電流之和,因此有可能繼續保持在吸起狀態。這對行車安全來說是非常危險的。若按極性交叉來配置,在絕緣破損時,中的電流就是兩者之差,只要調整得當和繼電器都會落下,從而達到故障-安全的目的。

圖3 JZXC-480型軌道電路示意圖

很多測試結果表明,JZXC-480型軌道電路防護鋼軌絕緣破損的性能很差,只有當無車占用且相鄰軌道電路的電壓平衡時,其防護才能起到一定的作用。實際上,由于相鄰軌道電路的長度、道砟電阻值、鋼軌阻抗、電源電壓波動等的差別,使供電電壓相差很大,特別在“一送多受”式軌道電路中尤為明顯。因此,在普遍存在軌面電壓不平衡的情況下,雖有電源極性交叉,也起不到軌道絕緣破損防護的作用。這是JZXC-480型軌道電路無法解決的問題。

3 50 Hz相敏軌道電路對絕緣的防護

3.1 50 Hz相敏軌道電路原理簡介

如圖4所示,單軌條50 Hz微電子相敏軌道電路是利用一根鋼軌作為牽引回流線,它是一種具有頻率和相位選擇特性的新型軌道電路。頻率選擇特性可保證微電子接收器在接收到直流牽引電流干擾時,不會使軌道繼電器錯誤動作;只有在局部電源端加上50交流電壓,同時又接收到由鋼軌傳來的50軌道信息,且相位合適時,微電子接收器才能正常工作。

圖4 單軌條50 Hz相敏軌道電路原理圖

3.2 微電子接收器原理分析

WXJ50型微電子相敏軌道電路接收器是由以單片機為主的乘法器、積分器,及故障-安全輸入、動態輸出電路等所構成。其結構原理如圖5所示,分別用鑒壓、鑒頻、鑒相電路來完成對軌道電路的電壓、頻率、相位的鑒別。

圖5 微電子相敏軌道電路接收器原理圖

軌道電壓先經電容C1隔除直流牽引電流,然后送入鑒壓電路鑒別軌道電壓是否在合適范圍(如16～24 V),并由鑒壓電路驅動其光電耦合器的輸出;鑒頻電路鑒別軌道頻率是否在合適范圍(如f=50 Hz),驅動其光電耦合器導通;鑒相電路鑒別軌道相位是否正確,驅動其光電耦合器導通 。只有、、、4個光電耦合器的輸出端串聯都同時導通時,才使軌道光電耦合器輸出導通,軌道繼電器吸起,給出軌道空閑的表示。

3.3 鑒相電路分析

如圖6所示,由于局部電流的相位θ2超前軌道電流的相位θ1達90°,2個電流同時輸入到混頻器后,輸出的電流相位為 θe=θ1-θ2=90°;Ud(t)=Udsinθe是幅值恒定的直流電,經低通濾波(LF)后可使光電耦合器J X的輸出端導通。當軌道電路的電流沒有輸入時,θe=θ2,Ud(t)=Udsinθe,是與局部電流同頻同相的交流電;當軌道電路的電流輸入相位與局部電流的相位不符時,Ud(t)也是交流電。因此,U d(t)都不能通過LF,光電耦合器J X不能導通。

圖6 鑒相電路示意圖

微電子接收器局部電源為交流110 V,50 Hz;軌道電路送電電源為220 V,50 Hz。2種電源應由同一個電源屏供出。為了保證局部電源與軌道電源相位差為90°,應按圖4中的連接方式構成軌道電路。即微電子接收器的73、83端子分別接軌道輸入的正極和負極,51、61端子分別接局部電源的正極和負極。在調整軌道電路前,對標有同名端的設備應按設計圖檢查是否符合相位要求。

4 結語

綜上所述,單軌條50 Hz微電子相敏軌道電路利用相位鑒別特性,很好地解決了軌道絕緣破損時因兩側電壓不平衡而不能實現故障-安全的問題。在城市軌道交通大力發展的今天,單軌條50 Hz微電子相敏軌道電路已大量應用于車輛段、停車場甚至正線中,為行車安全提供了必要的保障。

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