ZPW-2000A型移頻閉塞系統室外調諧單元原理設計與應用

胡飛龍 賈 姣

（通號（北京）軌道工業集團有限公司軌道交通技術研究院，上海 200436）

1 調諧單元的由來

在ZPW-2000A型無絕緣移頻閉塞系統中，對于相鄰軌道的信號隔離，不再通過機械的方式來實現電氣絕緣，而是在相鄰軌道之間引入一些特殊的電路，能在一定的條件下將兩個相鄰的區段進行電氣隔離，從而保證本區段信號的有效傳輸，并阻止相鄰區段的信號通過鋼軌串入本區段。將實現兩個相鄰軌道之間的電氣隔離電路稱為調諧電路，將調諧電路構成的設備稱為“調諧單元”。

2 調諧單元的設計原理

調諧單元的設計原理是基于諧振電路。串聯諧振電路在其諧振頻率工作時，電路中總阻抗呈最小值。充分利用這一特性，實現諧振頻率信號在相鄰區段的入口處被短路衰減，阻止其串入到相鄰區段。

同理，并聯諧振電路在其諧振頻率工作時，電路中總阻抗值呈最大值。當信號加載到諧振電路時，鋼軌因與其并聯獲得需要傳輸的信號，從而實現本區段的信號保真傳輸。

然而，在ZPW-2000A型無絕緣移頻閉塞系統中并不是簡單的使用諧振電路，而是在此基礎上進行深入的再開發，其設計原理相對較為復雜。

2.1 工程設計及現場需求

根據工程設計可知，區段A和區段B為相鄰的區段，需在其分界處如圖1所示，進行絕緣處理，使各自的移頻信號能在本區段有效的傳輸，且不會串入相鄰的區段，造成干擾。

圖1 電氣絕緣節的工程示意圖Fig.1 Sketch diagram of electrical insulated joints

由ZPW-2000A系統載頻使用原則可知，A區段和B區段在載頻選擇上，同時為一組上行載頻或者一組下行載頻，即一個為F1型頻率，一個為F2型頻率，如表1所示。

表1 ZPW-2000A系統載頻對照表Tab.1 Comparison table of ZPW-2000A system carrier frequency

2.2 設計構想

基于現場的使用環境，A區段可能采用F1型或者F2型載頻頻率，相對應B區段應該采用F2型或者F1型載頻頻率。如圖2所示。

圖2 相鄰區段載頻頻率選擇示意圖Fig.2 Sketch diagram of carrier frequency selection of adjacent tracks

將設計需求和頻率選擇示意圖結合后，可知要實現兩個區段的電氣絕緣，只需滿足：對于兩種不同頻率的信號，在相鄰軌道的分界點處能實現一路信號被短路衰減，一路信號可以繼續沿著鋼軌向前傳輸。

將需求轉化為：在同一絕緣點處對于兩種不同頻率的信號能呈現出兩種不同的阻抗要求。

2.3 設計實現

引入諧振電路去解決電氣絕緣，是基于諧振電路對不同頻率的信號表現出不同的阻抗值，利用阻抗變化，找到其阻抗的零點和極點，從而實現信號的有效控制。

為了阻止將相鄰區段的信號傳輸到本區段，在本區段的入口處設置一個相鄰區段信號可產生串聯諧振的串聯諧振電路。當相鄰區段的信號傳輸到本區段入口處時，諧振電路會產生諧振，且當其諧振阻抗值非常小時，相鄰區段的信號就被隔離在本區段的外面，從而實現電氣絕緣的功能，如圖3所示。

A區段為F1型，B區段為F2型。且L1、C1和R1構成的串聯諧振電路對F2型信號呈串聯諧振，L2、C2和R2構成的串聯諧振電路對F1型信號呈串聯諧振。

對于A區段，本區段信號送入鋼軌后，傳輸到A區段的末端，B區段的起始處時，此時L2、C2和R2構成的串聯諧振電路，出現諧振，將A區段的F1型信號在此處短路衰減掉。A區段信號沿著另外一個方向傳輸到A區段的起始處時，同理會遇到L2、C2和R2構成的串聯諧振電路，將其短路衰減。

對于B區段，信號在接入點送入鋼軌。傳輸到A區段結尾處和C區段入口處時，遇L1、C1和R1構成的串聯諧振電路，出現諧振。將其在此處短路衰減，阻止其沿著鋼軌繼續傳輸。

綜上所述：通過在相鄰區段的兩端引入串聯諧振電路，阻隔相鄰區段的信號經鋼軌傳輸到本區段。

電氣絕緣節的設計不僅能阻隔相鄰區段的信號相互串擾，還需保證信號在本區段的鋼軌上有效的傳輸。鑒于在相鄰軌道信號串擾的電氣隔離設計采用串聯諧振電路，且考慮到并聯諧振電路在其諧振頻率時，電路中的阻抗值存在最大值。故此，在保證本區段信號傳輸的電路設計中可以借助并聯諧振電路的特性，當諧振電路在諧振頻率時呈現出阻抗最大值，那么將軌道作為一個負載并聯在兩段時，可使信號沿著鋼軌向前傳輸。結合前面的設計，在此基礎上進一步延伸，使得電氣絕緣節的設計能滿足上述的兩個功能。

由L1、C1構成的串聯諧振電路：

由L2、C2構成的串聯諧振電路：

由此可知：L1和C1構成的串聯諧振電路，要構成并聯諧振需要并聯一個電感，電感值大小需根據實際的使用環境進行計算。L2和C2構成的串聯諧振對F2型頻率信號呈感性，那么要構成并聯諧振，需給其并聯一個電容，同樣，電容的容值大小需要根據實際使用環境進行計算。

基于上述分析，再次對電氣絕緣節原理進一步調整后，如圖4所示。

在完成總體原理架構設計時，其工作原理如下。

對于A區段： F1型移頻信號加載到由L1、C1和R1并構成的并聯諧振電路上，電路諧振，阻抗值約為2 Ω，使得信號被加載到一個2 Ω的電阻上，信號沿著A區段的鋼軌向前傳輸。當傳輸完本區段時，到達上一個區段的電氣絕緣節，此時由L2、C2構成的串聯諧振電路產生諧振，阻抗值約為10 mΩ，將A區段的信號短路衰減，使其不能繼續向前傳輸。當其沿著另一個方向，即順著列車運行方向傳輸時，到達B區段入口處的L2、C2串聯諧振電路時，電路出現諧振，諧振電路的總阻抗約為10 mΩ，信號在此處被短路衰減，阻止其沿著鋼軌進入B區段。由此可知，通過設置調諧電路，使信號只能在本區段進行傳輸，不能越過電氣絕緣節傳向相鄰的區段。

圖4 再次設計后的電氣絕緣節示意圖Fig.4 Re-designed electrical insulated joints

同理，對于B區段：本區段的F2型移頻信號通過由L2、C2和C2并構成的并聯諧振電路接入軌道，此時該并聯諧振電路出現諧振，電路總阻抗值約為2 Ω，B區段的軌道通過并聯方式引入信號，傳輸至A區段時，由L1、C1構成的串聯諧振電路，出現諧振，信號在此處被短路衰減掉。當B區段的信號沿著列車運行方向繼續傳輸時，到達C區段由L1、C1構成串聯諧振電路，產生諧振。使得B區段的信號在此處被短路衰減掉。這樣B區段的信號也實現在本區段的保真傳輸，并阻止其串入A區段和C區段。

通過對上述原理分析可知，本電路結構設計在原理上已經實現電氣絕緣的兩個功能需求。但在ZPW-2000A系統應用時，還需要考慮鋼軌的特性和使用環境以及設備集成等因素。

3 調諧單元的應用

鋼軌在列車牽引系統中作為牽引回流線，構成整個電力牽引網絡，因此電氣絕緣節的設計需要考慮牽引電流的平衡。

在信號傳輸系統構成中作為核心檢測部分，不僅存在電阻，還存在電感，對移頻信號有一定的阻抗。因電氣特性與其使用的路基環境不同有很大的差異，對于普通的路基，其軌道電阻和電感的取值范圍如表2所示。

表2 路基環境軌道電阻和電感取值范圍Tab.2 Numeric range of track resistance and inductance in subgrade

對于其中的每一對信號，按照頻率，設計出兩種諧振電路：第一種諧振電路在F1型信號條件下工作時，整個電路有最大阻抗，在F2型信號條件下工作時，電路有最小阻抗，滿足在F1型頻率信號條件下，將其本區段的信號傳輸出去，在F2型頻率信號條件下，阻隔其進入當前F1型區段。將這種串并聯電路稱為“串并聯I型電路”，阻抗曲線如圖5所示。

圖5 串并聯|型諧振電路阻抗曲線圖Fig.5 Impedance curve of I-type series-parallel connection resonant circuit

第二種諧振電路是當其工作在頻率較低的F1型信號頻率時，整個電路中有最小阻抗，工作在F2型頻率時，電路中有最大阻抗，阻止F1型信號頻率越過電氣絕緣節進入F2型信號區段，即可使F2型信號頻率在本區段傳輸，將這種串并聯諧振電路稱為“串并聯II型電路”，其阻抗曲線如圖6所示。

圖6 串并聯||型諧振電路阻抗曲線圖Fig.6 Impedance curve of II-type series-parallel connection resonant circuit

串并聯I型電路由L1、C1和電感Lt構成，其工作在F2型信號頻率條件下時，L1和C1構成串聯諧振電路對其進行短路衰減。當其工作在F1型頻率信號條件下時，L1、C1和Lt構成的并聯諧振電路產生并聯諧振，保證F1型頻率能夠在本區段良好傳輸，其原理如圖7所示。

圖7 串并聯|型諧振電路Fig.7 I-type series-parallel connection resonant circuit

串并聯II型電路由L2、C2、Ct和電感Lt構成，當其工作在F1型信號頻率條件下時，L2和C2構成的串聯諧振電路對其進行短路泄漏，當其工作在F2型頻率信號條件下時，L2、C2、Ct和Lt構成的并列諧振電路產生并聯諧振，保證F2型信號頻率在本區段良好傳輸，其原理如圖8所示。

在上述兩種類型的串并聯諧振電路中都出現電感Lt，由于考慮現場使用環境，需要對鋼軌的不平衡牽引電流進行平衡，故在ZPW-2000A系統中將這個電感單獨設計，并作為一種產品，用于對不平衡牽引電流進行平衡，且其電感特性與其他設備一并構成電氣絕緣節。

圖8 串并聯||型諧振電路Fig.8 II-type series-parallel connection resonant circuit

在ZPW-2000A系統中，電氣絕緣節由29 m鋼軌和上述兩種諧振電路共同構成，上述兩種諧振電路又分為F1型調諧單元、F2型調諧單元和空芯線圈。

F1型調諧單元是由串并聯I型諧振電路設計而來，去除電感Lt后的兩元件構成，用于F1型區段的兩端。F2型調諧單元是由串并聯II型諧振電路，除電感Lt后的三元件構成，用于F2型區段的兩端。空芯線圈是由電感Lt設計而來，對50 Hz信號有較低的阻抗，對不平衡牽引電流起到短路、平衡的作用。在移頻信號的工作條件下，構成電氣絕緣節。

4 總結

本文通過分析ZPW-2000A型移頻閉塞系統室外調諧單元的原理設計，詳細講述調諧單元的設計原理在ZPW-2000A系統中的應用，為調諧單元的使用提供必要的技術支持，有助于對其進行研究和故障判斷等工作。