電纜分布電容對交流道岔表示電路的影響研究

王 勇 張 璐 陽 龍

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070；3.大秦鐵路股份有限公司大同電務段，山西大同 037005）

1 概述

2015年，成都鐵路局貴陽北站201#道岔（距信號樓4.429 km，采用ZYJ7型交流道岔轉轍機牽引）進行聯鎖試驗時發現：道岔扳動到位、道岔表示繼電器吸起后，在室外道岔轉轍機用終端電纜盒處斷開X1線（并用2芯）時，道岔表示繼電器不落下。經過研究和現場試驗后，提出“三相交流五線道岔控制距離大于2 km的，將X1與X2～X5分電纜設置，減小電纜的線間電容”的整治方案。

烏魯木齊鐵路局于2016年1月按上述整治方案進行管內遠距離三相交流五線制道岔表示電路的試驗工作，試驗后該局管內仍有16組控制距離大于2 km交流道岔轉轍機，在斷開X1電纜時，道岔表示繼電器不落的問題。

據此，有必要系統的研究電纜線間分布電容對交流道岔表示電路的影響，并研究工程化解決方案。

2 電路分析

2.1 電路原理

交流轉轍機均采用繼電式五線制道岔控制電路，由道岔動作電路和道岔表示電路兩部分組成。為了節省電纜、檢查道岔的動作與表示的一致性，道岔控制電路的動作電路和表示電路均共用室外電纜芯線。

三相交流轉轍機控制電路的表示電路為室外二極管與室內表示繼電器并聯的直接控制電路，是交流半波整流三值極性電路。其室內部分由表示電源、JPXC-1000型表示繼電器、電阻R1等組成；室外部分由傳輸電纜、轉轍機、整流二極管、電阻R2等組成，如圖1所示。

圖1 交流五線制控制電路圖（表示電路）

2.2 等效電路

根據均勻傳輸線理論，交流電流在導線中引起電阻電壓降，并在導線的周圍產生磁場產生電感電壓降；同時，由于兩導體會構成電容，故在信號電纜中芯線與芯線之間、芯線與鋁護套和鋼帶之間存在分布電容。

以PTYL23-4型信號電纜為例，其由4根芯線、鋁護套和鋼帶（以下簡稱“金屬護套”）等構成，芯線間、芯線與金屬護套間分布電容的示意如圖2所示。

圖2 PTYL23-4型信號電纜截面圖

考慮信號電纜中分布電容后，道岔表示電路的等效電路如圖3所示。

圖3 考慮電纜分布電容的道岔表示電路等效電路圖

信號電纜中的分布電容，電纜越長其就越大。此外，由于道岔控制電路動作電路電壓降等因素，需對道岔控制電纜長度超過理論計算長度的道岔控制電路的室外去線和回線加芯，用以延長電纜控制距離。由于芯線與芯線之間、芯線與金屬護套之間都存在分布電容，所以當電纜超長加芯使用時，一組并芯使用的芯線與另一組并芯使用的芯線、一組并芯使用的芯線與金屬護套之間的電容將隨加芯數量增加而增大。

2.3 原因分析

當X1斷線時，交流電流會通過分布電容迂回至表示繼電器。電纜越長、并芯數量越多，分布電容越大，流向表示繼電器的電流就越大，直至維持繼電器吸起狀態。X1斷線后，電流通過兩個分布電容回路迂回至表示繼電器：一部分通過線間分布電容；另一部分通過線對金屬護套的分布電容，如圖4所示。

圖4 電流通過電容迂回示意圖

3 模型搭建和驗證

為了便于進行電路分析、故障模擬和改善措施研究，分別對道岔表示電路的信號源部分、傳輸通道部分和終端阻抗部分建立仿真分析模型。

3.1 信號源部分

信號源部分由室內交流信號源、BD1-7型變壓器和室外整流電路構成，50 Hz的道岔表示交流電源經整流后加載在表示繼電器線圈上的信號為正半周波峰電壓較高、負半周波峰電壓較低的周期性信號。

經現場測試，整流后的信號并不只是直流或50 Hz交流信號，而是由一系列頻率組成的寬頻信號，該信號在傳輸過程中使得電纜分布電容的影響加劇，同時也導致繼電器兩端的阻抗變大。

3.2 傳輸通道部分

傳輸通道部分由室外信號傳輸電纜和轉轍機電機的線圈兩部分構成。其中轉轍機電機部分均為集總參數是由測試直接獲得；信號傳輸電纜部分中的電感和電阻參數可由均勻傳輸線理論獲得，電纜分布電容經過在電纜廠和現場測試，芯線位置如圖5所示，測試結論為：

1）外圍單芯對金屬護套的分布電容約為外圍四線組對金屬護套分布電容的3倍；可忽略中心四線組對金屬護套的分布電容。

2）同一四線組內相鄰芯線約為同一四線組內對角芯線的5倍；可忽略兩四線組間的分布電容。

圖5 芯線位置示意圖

3.3 終端阻抗部分

道岔表示電路所用繼電器為JPXC-1000型偏極繼電器，該繼電器的返還系數為25%（釋放值不小于4 V、工作值不大于16 V）。此繼電器線圈在寬頻信號源下呈現出極大阻抗，該線圈阻抗隨著交流信號電壓的變化而變化。

3.4 仿真分析模型

通過上述分析和現場測試結果，利用MATLAB/Simulink建立仿真分析模型，如圖6所示。

圖6 道岔表示電路仿真分析模型

為驗證道岔表示電路仿真模型的有效性，于2017年5月在烏魯木齊鐵路局哈密南站進行現場驗證性試驗。試驗測試結果與仿真計算結果誤差不超過7%，驗證了仿真模型的有效性。

4 改善措施建議

4.1 信號源部分

1）采用全波整流—橋式整流電路

通過更改現有道岔表示電路，將原來通過單個二極管得到的半波整流信號進行優化為全波整流橋，經仿真模型分析，X1斷線后，繼電器線圈兩端的電壓幾乎為零，可以減少線間電容對道岔表示電路的影響。

2）表示電路電源采用獨立直流電源

道岔控制電路的動作電路和表示電路拆分為兩個獨立回路，其中表示電路電源采用獨立直流電源。

4.2 傳輸通道部分

通過仿真模型搭建和對模型有效性驗證，使得實驗室仿真模型與現場情況基本相同或更嚴格，為了提高表示電路信號電纜的控制長度，提出對信號電纜的使用要求。

1）表示回路中不得使用電纜中的外圍單芯。

2）X1需使用獨立的四線組，不得與其他回線同四線組。

4.3 終端阻抗部分

1）提高繼電器返還系數

現有JPXC-1000型偏極繼電器的返還系數為25%，釋放值僅為4 V，通過提高偏極繼電器返還系數，解決道岔表示電路在X1斷線時表示繼電器不落問題。

2）并聯電容

在繼電器線圈上并聯電容以降低繼電器阻抗。阻抗降低后，X1斷線時繼電器兩端電壓下降，但其正常工作電壓同樣會出現下降，因此該措施需綜合考慮X1斷線和正常工作時的電壓。

5 結束語

上面針對電纜分布電容對交流道岔表示電路的影響進行了理論分析，并通過搭建仿真分析模型，從3方面提出改善措施供實際工程使用，但每項改善措施還應展開單獨進行系統性分析研究，并針對現場實際情況，選擇綜合性解決措施。

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