集中供電ZD6-E/J/J型轉轍機控制距離的分析與計算

李衛鋒

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

1 概述

道岔轉轍機電纜網絡計算是信號工程設計的重要內容之一，其主要目的是給轉轍機配置適當的控制電纜，使轉轍機正常運轉和控制信號電纜工程投資。為適應多種車輛的運營需求，國內部分鐵路站場鋪設一種50 kg/m鋼軌18號單開道岔（道岔圖號為專線(01)4275），該道岔配置ZD6-E/J/J型直流道岔轉換設備。由于該轉轍機的控制距離不能簡單等同于ZD6-E/J型，在相關文獻資料中又很難查到，電纜網絡計算不當時很容易造成轉轍機不能正常動作或鋪設電纜浪費的情況。本文通過對信號設備電纜網絡通用計算原則的分析，最后總結出ZD6-E/J/J型轉轍機的電纜網絡計算方法。

2 信號設備電纜網絡通用計算原則

2.1 電阻系數

截面為1 mm2，長1 m的導線，在溫度20 ℃的電阻值，稱之為電阻系數。通用符號用ρ表示，單位為Ω?mm2/m。信號電纜芯線均采用軟銅，其電阻系數為0.017 54 Ω?mm2/m。由于信號電纜在制造時為扭絞，芯線的長度大于電纜長度，在實際中采用0.018 4 Ω?mm2/m的換算電阻系數。

2.2 電纜截面積

信號電纜采用銅導線，線芯直徑為1 mm，其截面近似為0.785 mm2，通常用S表示。

2.3 電纜芯線的直流電阻值

直徑為1 mm的單芯銅線，當溫度在20 ℃時，根據電阻的計算公式，可以求出銅線的電阻約為0.023 5 Ω。按照電纜制造的技術要求，直徑為1 mm的單芯銅線在20 ℃時每米長有效電阻不大于0.023 5 Ω，通常用r表示。

2.4 導線電阻與溫度的關系

信號電纜線芯的電阻值隨溫度升高而增加。在任一溫度下的電阻值，可用公式（1）計算。

公式（1）中Rt——預求某溫度時的電阻；

R20——t=20 ℃時的導線電阻；

δ——銅芯溫度系數，銅芯取0.004；

t——實際溫度值；

20——t=20 ℃為標準溫度。

由于信號室外電纜一般埋于0.7 m地下，溫度變化引起電纜電阻值的變化甚微。因此，在計算電纜電阻時，可不考慮由溫度變化而引起的電阻值的改變。

2.5 “線”和“芯”

在電路中，不同用途的電流通路數即為電路的導線數，簡稱為“線”。導線數只與電路的形式有關，與電纜的長度，電氣特性無關。如電氣集中所采用的“四線制”道岔電路，說明該電路的導線數為4。又如，在直流電路中，供電線路的一條導線是供正電，另一條導線是供負電，則稱為“雙線”回路。

芯線數量除取決于導線外，尚與電纜的長度、允許的電壓降、導線內的電流值有關。一條導線可以由一根芯線組成，也可以由幾根芯線并聯組成。在電路中芯線的數目總是等于或大于導線的數目。

2.6 “去線”和“回線”

一般以受電器引入端子兩邊的導線劃分“去線”和“回線”。例如：直流電動機正電源線稱為“去線”，那么負電源線就稱為“回線”。雙線回路示意如圖1所示。在雙線回路里“去線”和“回線”同時參加工作，并且電流值相同。

圖1 雙線回路Fig.1 Dual lines loop

2.7 電纜芯線分配原則

電纜芯線必須滿足由其構成的電路在電氣方面的技術要求。相同數量的電纜芯線，分配在“去線”和“回線”的方式不同，可得出不同的結果。為了使電纜回路的電阻最小，電纜芯線使用得節省，“去線”和“回線”應有一定的分配比例。這種比例與回路的導線數及電路結構有關。假設電纜芯線總數為Z，“去線”芯線數為ZQ，“回線”芯線數為ZH，電纜單芯每米長的電阻值為r，在電纜長度為1 m時的總電阻為RO時，它們可用公式（2）表示。

公式（2）中以RO對ZQ求導并令其等于0，求出的ZQ即是RO的最小值。

由公式（3）中可知，“雙線”式回路中最經濟的分配比例為：“去線”與“回線”的芯線數量相等。如果使用的電纜芯線為奇數時，“去線”和“回線”不能等量分配，出現兩芯線數的不一致，經過類似上述的推導可以得到：當芯線數為奇數時，“去線”和“回線”按相差一芯進行分配，可使回路的電阻值最小。電纜芯線數在實際的使用中應按上述原則進行分配。

2.8 計算電纜最大控制長度

如圖1所示的雙線回路，假設電纜芯線總數為Z，根據電纜芯線分配原則，即可確定電纜的“去線”和“回線”芯線數。因此，回路中的電阻R可由公式（4）求出。

公式（4）中，L——設備點到信號樓電纜長度。

因為回路電阻值可以由線路允許壓降ΔU及回路中工作電流I確定，即：

將公式（5）代入公式（4），可得：

公式（6）表明，電纜芯線數可以通過電纜最大控制長度的計算來確定，其方法是根據線路允許壓降、回路中的工作電流，以及假定選用的“去線”和“回線”的電纜芯數，計算出Lmax。若Lmax大于L，說明選用的電纜芯數是合適的，能滿足被控設備可靠工作的技術要求；若Lmax小于L，則應增加電纜芯線，再進行計算，直到滿足要求為止。

3 集中供電ZD6-E/J/J型電動轉轍機電纜網絡計算

ZD6-E/J/J轉轍機控制線為10條，即動作表示線3條，即E機、J1機、J2機各一條；其中動作線為7條，即E機定位動作線、E機反位動作線、J1機定位動作線、J1機反位動作線、J2機定位動作線、J2機反位動作線、動作共用“回線”1條。在計算電纜時按二線式公式只需計算E機的“去線”及“回線”，由于E機和J1、J2機的去線相等，根據電纜長度計算出E機電纜芯線數即可求出總芯線數。

此時回路原理如圖2所示（虛框內所示，以E機為例）。

圖2 ZD6-E/J/J的E機雙線回路 Fig.2 Dual lines loop of ZD6-E/J/J E switch machine

其E機回路上壓降等效公式：

電纜芯線計算方法采用公式（8），按E機“去線”和“回線”各采用1芯時，把電纜最大控制長度計算出來。若Lmax大于L，說明采用去一芯、回一芯的芯線數是可以的。否則應增加電纜芯線。一般是在“回線”上增加一芯，再進行計算，直到滿足Lmax大于L為止。

計算轉轍機電纜時采用的數據如下：

電纜芯線單芯每米電阻r為0.023 5 Ω；

供電電源電壓為220 V；

電動轉轍機額定電壓為160 V；

連接線、端子和接點總電阻為1.6 Ω；

電動機工作電流為2 A。

根據上述公式計算的ZD6-E/J/J電纜最大控制長度及電纜芯線數如表1所示。

表1 集中供電ZD6-E/J/J轉轍機控制距離Tab.1 Control distance tableof centralized power supply ZD6-E/J/J switch machine

4 結語

本文所述的計算方法也同樣適用于ZD6-D或ZD6-E/J型直流轉轍機電纜網絡計算。以ZD6-E/J為六線制道岔為例，動作專用表示線1條，其中動作線為5條，即E機定位動作線、E機反位動作線、J機定位動作線、J機反位動作線、動作共用“回線”1條。在計算電纜時可按二線式公式只計算E機或J機的“去線”及“回線”，根據電纜長度計算出電纜總芯線數。

此時回路原理如圖3所示（虛框內所示，以E機為例）。

圖3 ZD6-E/J的E機雙線回路Fig.3 Dual lines loop of ZD6-E/JE switch machine

其E機回路上壓降等效公式：

依據上述ZD6-E/J/J轉轍機控制距離表，為專線(01)4275道岔配置的ZD6-E/J/J轉轍機在膠濟客專工程得到成功應用。本文的通用電纜網絡分析及計算結果可在類似工程設計時參考、借鑒。