單相交流轉轍機的電纜距離計算

王宏亮，蕢凱騰，王禮俊，李金海，謝文斌

（通號萬全信號設備有限公司，杭州 310000）

1 概述

隨著國內經濟高速發展,商品流通越發活躍,樞紐編組站和區段站作業能力擴大,道岔距信號樓位置也越來越遠，對應的轉轍機控制距離也隨之增大。在鐵路工程建設中，一般根據轉轍機與道岔控制柜之間的距離來配置轉轍機的控制芯線，控制距離增大往往代表著電纜投資成本增加。這點在單相交流轉轍機上表現得更加明顯，單相交流轉轍機的工作電流比直流轉轍機和三相交流轉轍機要大很多，需要的電纜加芯更多。轉轍機與軌旁柜的距離越長，因加芯過多而增加的電纜成本也就越大；但是控制電纜芯線數量配置過少又會導致轉轍機電機兩端電壓下降，從而使轉轍機電機在低電壓狀態下工作，降低電機使用壽命，嚴重的甚至可能威脅行車安全事故。因此恰當的芯線數量配置不僅能減少轉轍機的使用成本，增加企業效益，也能一定程度上延長轉轍機的使用壽命，降低故障發生的可能性。

根據《鐵路工程設計技術信號手冊》及各類相關文獻中關于直流轉轍機以及三相交流轉轍機電纜距離計算的研究很多，很少有文獻涉及單相交流轉轍機電纜距離的原理闡述。單相交流轉轍機的控制電路與三相交流轉轍機的控制電路不同，更加接近直流轉轍機，但單相交流轉轍機在計算電路壓降時又與直流轉轍機有很大不同，必須考慮電阻、電容、電感對交流電的影響。

本文結合直流轉轍機電纜距離計算一般方法和交流電遠距離傳輸相關理論，提供了單相交流轉轍機壓降計算的一般公式，并提供了配線方案，為轉轍機現場配線提供理論依據。

2 單相交流轉轍機電纜距離計算原理

2.1 單相交流轉轍機電路原理

單相交流轉轍機電路如圖1所示，采用四線制控制電路。其中X1、X4組成定位到反位的動力回路；X2、X4組成反位到定位的動力回路； X1、X3組成定位表示回路；X2、X3組成反位表示回路。X1、X2為去線，X4為公共啟動回線，X3為公共表示回線。

圖1 單相交流轉轍機電路Fig.1 Single-phase AC switch machine circuit diagram

2.2 單相交流轉轍機電纜距離計算方法

由2.1節內容可知，單相交流轉轍機的四線制控制電路中的一條線專做表示用，采用單芯即能滿足要求。動作線為3條，即定位動作線、反位動作線、動作共用“回線”。所以在計算電纜時可按二線式公式計算“去線”和“回線”，根據電纜長度計算出電纜總芯數。

轉轍機允許壓降由3部分組成，即去線壓降、回線壓降以及連接線接點壓降。公式如下所示。

其中：

ΔUL—允許電壓降/V；

ΔUQ—去線電壓降/V；

ΔUH—回線電壓降/V；

ΔUJ—連接線接點電壓降/V；

L—電纜芯線長度/m；

τ—電纜單芯每米電阻值/（Ω/m）；

I—電動機動作電流/A；

ZQ—去線（X1/X2）芯數；

ZH—回線(X4)芯數；

RJ—連接線、端子和接點總電阻/Ω。

單相電路電壓損失計算公式為：

其中：

ΔU—電壓損失/V；

R0—單位長度有效電阻/(Ω/m），與電纜工作溫度有關，通過查表獲得；

X0—單位有效電抗/(Ω/m），同上；

cosφ—負載功率因數；

sinφ—功率因數角正弦值，可通過sinφ=sin（arc cosφ）計算。

將公式（2）～（5）代入公式（1）可得轉轍機允許壓降公式如公式（6）所示：

計算轉轍機電纜時采用的數據如下：

1）ΔUL=220-U，其中U為轉轍機電機的輸入電壓，且160 V≤U≤215.2 V;

2）連接線、端子和接點總電阻阻值按1.6 Ω計算，即RJ＝1.6 Ω；

3）工作電流I=3 A;

4）信號電纜每米阻值不大于0.0235 Ω，即R0＝0.0235 Ω/m；

5）電纜的電抗值通常由制造廠提供，當缺該項技術數據時，可采用下列數據進行估算：1 kV電纜X0＝6×10-5Ω/m；

6）對現有電機進行測試，得電機功率因數cos φ與電機輸入電壓U關系式：

cosφ=1.22-U/350,其中160 V≤U≤215.2 V；

將以上數據代入公式（7）后可知，當U=160 V時，電纜控制距離最長，即：

3 單相交流轉轍機加芯方案

本文單相交流轉轍機采用四線制，其中X4為公共啟動回線，為節省投資，通常情況下先對X4線進行加芯，再對X1和X2線進行加芯；表示線一般情況下不需要加芯。根據以上原則通過公式（8）可得出單相交流轉轍機控制電纜的加芯方案如表1所示。

表1 單相交流轉轍機加芯方案Tab.1 Single-phase AC switch machine core-adding scheme

4 結語

本文為單相交流轉轍機電纜距離的計算及其加芯方案提供了理論依據，公式（7）可以作為單相交流轉轍機電纜距離計算的一般公式。但是在計算過程中的諸多參數（如單位有效電抗X0，電機的相關參數cosφ，連接線、端子和接點總電阻阻值RJ）并不是一般常數，轉轍機的壓降受電源質量、電纜質量、電機質量、施工及接線情況等諸多因素的影響，特別是電機功率因數cosφ。相關技術工作者在設計單相交流轉轍機電纜距離的時候可以參考以上計算方法。