25 Hz相敏軌道電路自適應穩壓裝置設計

張偉林，董有福，孫永軍，張 鵬，劉建磊

（1.山東高速軌道交通集團有限公司益羊鐵路管理處，山東壽光 262700；2.山東交通學院軌道交通學院，濟南 250357）

作為重要的鐵路信號設備，軌道電路一個重要的作用是檢測軌道區段是否有列車占用。97 型25 Hz 相敏軌道電路采用交流25 Hz 電源連續供電，受端采用交流二元二位軌道繼電器，具有更高的可靠性。97 型25 Hz 相敏軌道電路不僅可用于交流電氣化區段，也可用于非電氣化區段。因此，該類軌道電路是目前站內最常用的軌道電路制式。

1 存在問題

當97 型25 Hz 相敏軌道電路應用于貨物專用線時，散落于道床的貨物如煤炭、礦石會嚴重污染道床。從而對該類軌道電路造成嚴重的影響，無法實現一次調整。

雨雪天時，污染嚴重的道床泄漏會出現“紅光帶”故障。為解決該問題，工作人員需要到室外調高該區段送電端軌道變壓器Ⅱ次側電壓。晴天時，道床泄漏情況改善，為避免“分路不良”，工作人員需要把已調高的該區段送電端軌道變壓器Ⅱ次側電壓調低。惡劣天氣（雨雪天）時，送電端軌道變壓器Ⅱ次側電壓調高，晴天時再將送電端軌道變壓器Ⅱ次側電壓調低。這不僅會嚴重降低運輸效率，也會大大增加工作人員的勞動強度。

另外，由于不同現場環境(軌道長度、電纜長度、道床污染程度)，會對二元二位繼電器軌道電壓幅值有較大影響。即當送電端軌道變壓器Ⅱ次側電壓固定時，不同的軌道電路和電纜長度，以及道床污染程度，其對應的二元二位繼電器軌道電壓幅值也有較大不同。

2 電路原理

針對道床泄漏對25 Hz 相敏軌道電路的影響，本文設計了自適應穩壓裝置，其電路原理如圖1 所示，主要包含整流濾波電路、智能電壓比較電路和執行電路。

圖1 自適應穩壓裝置電路圖Fig.1 Circuit diagram of self-adaptive voltage stabilizing device

二元二位繼電器兩端的交流電壓經整流濾波電壓處理后輸入智能電壓比較電路；智能電壓比較電路的輸出驅動三極管的導通與截止；三極管的導通與截止進一步驅動繼電器吸合或斷開；繼電器吸合減少與穩壓管串聯電阻的阻值，從而減少串聯電阻的分壓量。繼電器斷開增加與穩壓管串聯電阻的阻值，增加串聯電阻的分壓量，從而自適應性地保證穩壓管兩端電壓的一致性。

整流濾波電路主要包括整流電路、電容濾波電路和取樣電位器。取樣電位器與電容濾波器并聯，其作用為：25 Hz 相敏軌道電路調整狀態下，無論二元二位繼電器兩端的電壓如何變化，通過取樣電位器分壓值，可有效驅動智能比較電路。

智能電壓比較電路由滯回電壓比較器、AC-DC電源模塊、基準電壓電路組成。AC-DC 電源模塊將二元二位繼電器110 V 的局部電壓轉換為12 V直流電壓，為滯回電壓比較器中的運放單元和執行電路中的繼電器供電；通過設定電阻R2、電阻R3、電阻R4和電阻R5的值可獲取滯回比較器電路的兩個最佳閾值電壓。

執行電路包括三級管、繼電器、穩壓二級管和電阻，以實現二元二位繼電器自適應穩壓。兩個穩壓二極管反向串聯，且每個穩壓二極管與兩個并聯的電阻串聯；其中一個電阻與繼電器的常開觸點相連；當繼電器吸合時，使較小的電阻值與穩壓二極管串聯；當繼電器斷開時，使較大的電阻值與穩壓二極管串聯。

防護盒是受電端中與二元二位繼電器連接最近的設備且其安裝在室內。當現場條件發生變化時，受電端的軌面電壓會發生改變，從而導致防護盒兩端的電壓也會發生改變。為減少外加電路對25 Hz 相敏軌道電路電氣特性參數的影響，同時能夠實現自適應穩壓，自適應穩壓裝置安裝在97 型25 Hz 相敏軌道電路受電端室內電路中的防護盒與二元二位繼電器之間，安裝位置如圖2 所示。

基于自適應穩壓電路原理可知，其具有以下特點：

1）符合故障導向安全原則。當電壓處理電路和比較電路一個故障或同時故障時，穩壓電路也可正常工作，保障了行車安全；穩壓電路只有兩種故障形式，短路或斷路，但無論是短路故障還是斷路故障，二元二位繼電器都會失磁落下，導向安全側；

圖2 自適應穩壓裝置安裝位置Fig.2 Installation position of self-adaptive voltage stabilizing device

2）具有自適應性。當二元二位繼電器軌道電壓幅值較大時，執行電路中的三級管導通；當二元二位繼電器軌道電壓幅值較小時，執行電路中的三級管截止。三級管導通使繼電器吸合，截止使繼電器落下。繼電器吸合，使得執行電路中的電阻R7與穩壓二級管串聯共同起穩壓作用，電阻R7起到更大的分壓作用；繼電器落下，使得執行電路中的電阻R7與電阻R8并聯后，再與穩壓二級管串聯共同起作用。電阻R7與R8并聯后，總阻值變小，起到的分壓作用也變小。因此，當現場情況發生變化時，自適應穩壓裝置可實現自適應的調整以保證所需穩壓值的穩定性；

3)不影響相位和聯鎖關系。本文提出的自適應穩壓電路只對二元二位繼電器軌道電壓的幅值進行穩定，并不改變其相位，更不影響聯鎖關系。

3 應用場景分析

在最有利條件下，獲取能保證正常分路的送電端軌道變壓器Ⅱ次側最高電壓，假設為Vmax;在最不利條件下，獲取能有效消除道床泄漏影響（消除紅光帶故障）的送電端軌道變壓器Ⅱ次側最低電壓，假設為Vmin。

1）當Vmin高于Vmax時

為保證正常分路和保障行車安全，送電端軌道變壓器Ⅱ次側最高電壓只能調整為Vmax。因此，在最不利條件下道床泄漏非常嚴重（Vmin高于Vmax）時，本裝置只能在一定程度上解決道床泄漏問題。Vmin與Vmax的差值越小，能有效解決道床泄漏的程度越大；反之既然。

2）當Vmin低于或等于Vmax時

在最有利情況下，送電端軌道變壓器Ⅱ次側最高電壓調整為Vmax并固定，可以保證有效分路。另外，繼電器兩端接有穩壓裝置可以保證繼電器兩端電壓在正常范圍內。在最不利情況下（道床泄漏時），因為Vmin低于或等于Vmax。送電端軌道變壓器Ⅱ次側最高電壓調整為Vmax時可以完全解決道床泄漏問題，從而消除紅光帶故障。

綜合以上分析，自適應穩壓裝置并不能解決任何情況下的道床泄漏問題。對于泄漏非常嚴重的區段（Vmin高于Vmax），本裝置只能在一定程度上解決該問題。

4 現場測試

山東高速軌道交通集團有限公司益羊鐵路管理處管內的晨鳴站對該裝置進行了現場測試。測試區段為非電氣化區段，長度1 100 m，二元二位繼電器的電壓范圍為16 ～27 V。綜合考慮現場條件和繼電器的電壓范圍，確定穩壓裝置的穩壓值為18 V。通常該區段送電端軌道變壓器Ⅱ次側電壓為1.76 V，二元二位繼電器兩端電壓為25 V（因道床泄漏較嚴重，雨雪天氣時容易出現紅光帶）。該區段送電端軌道變壓器Ⅱ次側電壓為2.84 V 時，在最有利條件下也能有效分路。當該電壓大于2.84 V 時，在最有利情況下不能保證有效分路。因此，為盡可能降低道床泄漏的影響，該區段送電端軌道變壓器Ⅱ次側電壓調整為2.84 V。當不增設自適應穩壓裝置時，繼電器兩端電壓為35 V，超出了電壓范圍。增設自適應穩壓裝置后，繼電器兩端的電壓穩定在18 V，結果如圖3 所示。

圖3 穩壓結果圖Fig.3 Voltage stability result

加裝自適應穩壓電路后，軌道電壓與局部電壓的相位比較結果如圖4 所示（黃線為軌道電壓、藍線為局部電壓）。從圖4 可以看出，兩者的相位差符合規定。這說明自適應穩壓電路對相位沒有影響。

圖4 軌道電壓與局部電壓的相位比較結果Fig.4 The phase comparison results of track voltage and local voltage

5 總結

25 Hz 相敏軌道電路自適應穩壓裝置能在一定程度上解決道床泄漏對25 Hz 相敏軌道電路的影響問題，即在消除“紅光帶”故障的同時，避免了分路不良。從而有效提高了運輸效率和降低一線工作人員的勞動強度。該裝置對于廠礦企業專用線而言具有良好的推廣價值和應用前景。