微電子相敏軌道電路對絕緣破損的防護(hù)

劉 鋒

(深圳地鐵 3號線投資公司,518000,深圳∥工程師)

1 軌道電路絕緣的構(gòu)成和分析

1.1 軌道電路絕緣結(jié)構(gòu)的構(gòu)成

如圖1所示,相鄰軌道電路絕緣結(jié)構(gòu)主要由夾板絕緣、軌端絕緣、鋼軌軌端和夾板等組成。

1.2 軌道電路絕緣等效二端網(wǎng)絡(luò)分析

在夾板和鋼軌之間的軌道電路絕緣呈電容和電導(dǎo)性,可以把每2塊金屬和其間的絕緣視為1個電容電導(dǎo)二端網(wǎng)絡(luò)。這樣,如圖1所示的一套軌道電路絕緣系統(tǒng)就可以等效為如圖2所示的多元件網(wǎng)絡(luò)。

圖1 相鄰軌道電路絕緣結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 相鄰軌道電路絕緣等效電容電導(dǎo)二端網(wǎng)絡(luò)圖

正常情況下,對電容、電導(dǎo)、電納和阻抗均可用數(shù)學(xué)模型描述,進(jìn)而對電壓、電流進(jìn)行分析,以指導(dǎo)測試工作。由上述電容電導(dǎo)二端網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)分析可得:

式中:

Z——軌道電路絕緣等效阻抗模值;

ρ——軌道電路絕緣電阻率;

l——軌道電路絕緣金屬件之間的距離;

s——軌道電路絕緣金屬件的面積;

α——軌道電路絕緣電介質(zhì)的介電常數(shù);

ω——軌道電路電源角頻率。

假定漏電流 IL的方向和相應(yīng)電壓U1、U2、U3的方向如圖2所示,根據(jù)歐姆定律可得:

式(2)是指導(dǎo)實(shí)際測試工作的基本關(guān)系式,與實(shí)際工作中測試的大量數(shù)據(jù)基本相符。在理想狀態(tài)下,U2/U3=1;當(dāng)絕緣破損時,Z=0,U=0。如果U1=0,則說明軌端絕緣破損,或者是U2和U3處的絕緣同時破損。如果U 1≠0,則會有U 1=U 2+U 3。若U2=0,表明U 2處絕緣破損 ;若U 2≠0,則U 3處絕緣破損。當(dāng)發(fā)生短路性破損時,軌道電路絕緣的漏電電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流向指定受電端的電流,造成“紅光帶”,會給正常行車作業(yè)帶來影響。因此,有必要對軌道電路絕緣的破損進(jìn)行防護(hù)。

2 傳統(tǒng)軌道電路對絕緣破損的防護(hù)

普通使用的JZXC-480型軌道電路是采用極性交叉的方法對軌道絕緣破損進(jìn)行防護(hù)。如圖3所示,和是兩個相鄰的JZXC-480型軌道電路,它們之間沒有實(shí)現(xiàn)極性交叉的配置。當(dāng)區(qū)段有車占用,在軌端絕緣破損的情況下,流經(jīng)(軌道繼電器)的電流等于兩個軌道電源所供電流之和,因此有可能繼續(xù)保持在吸起狀態(tài)。這對行車安全來說是非常危險(xiǎn)的。若按極性交叉來配置,在絕緣破損時,中的電流就是兩者之差,只要調(diào)整得當(dāng)和繼電器都會落下,從而達(dá)到故障-安全的目的。

圖3 JZXC-480型軌道電路示意圖

很多測試結(jié)果表明,JZXC-480型軌道電路防護(hù)鋼軌絕緣破損的性能很差,只有當(dāng)無車占用且相鄰軌道電路的電壓平衡時,其防護(hù)才能起到一定的作用。實(shí)際上,由于相鄰軌道電路的長度、道砟電阻值、鋼軌阻抗、電源電壓波動等的差別,使供電電壓相差很大,特別在“一送多受”式軌道電路中尤為明顯。因此,在普遍存在軌面電壓不平衡的情況下,雖有電源極性交叉,也起不到軌道絕緣破損防護(hù)的作用。這是JZXC-480型軌道電路無法解決的問題。

3 50 Hz相敏軌道電路對絕緣的防護(hù)

3.1 50 Hz相敏軌道電路原理簡介

如圖4所示,單軌條50 Hz微電子相敏軌道電路是利用一根鋼軌作為牽引回流線,它是一種具有頻率和相位選擇特性的新型軌道電路。頻率選擇特性可保證微電子接收器在接收到直流牽引電流干擾時,不會使軌道繼電器錯誤動作;只有在局部電源端加上50交流電壓,同時又接收到由鋼軌傳來的50軌道信息,且相位合適時,微電子接收器才能正常工作。

圖4 單軌條50 Hz相敏軌道電路原理圖

3.2 微電子接收器原理分析

WXJ50型微電子相敏軌道電路接收器是由以單片機(jī)為主的乘法器、積分器,及故障-安全輸入、動態(tài)輸出電路等所構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示,分別用鑒壓、鑒頻、鑒相電路來完成對軌道電路的電壓、頻率、相位的鑒別。

圖5 微電子相敏軌道電路接收器原理圖

軌道電壓先經(jīng)電容C1隔除直流牽引電流,然后送入鑒壓電路鑒別軌道電壓是否在合適范圍(如16～24 V),并由鑒壓電路驅(qū)動其光電耦合器的輸出;鑒頻電路鑒別軌道頻率是否在合適范圍(如f=50 Hz),驅(qū)動其光電耦合器導(dǎo)通;鑒相電路鑒別軌道相位是否正確,驅(qū)動其光電耦合器導(dǎo)通 。只有、、、4個光電耦合器的輸出端串聯(lián)都同時導(dǎo)通時,才使軌道光電耦合器輸出導(dǎo)通,軌道繼電器吸起,給出軌道空閑的表示。

3.3 鑒相電路分析

如圖6所示,由于局部電流的相位θ2超前軌道電流的相位θ1達(dá)90°,2個電流同時輸入到混頻器后,輸出的電流相位為 θe=θ1-θ2=90°;Ud(t)=Udsinθe是幅值恒定的直流電,經(jīng)低通濾波(LF)后可使光電耦合器J X的輸出端導(dǎo)通。當(dāng)軌道電路的電流沒有輸入時,θe=θ2,Ud(t)=Udsinθe,是與局部電流同頻同相的交流電;當(dāng)軌道電路的電流輸入相位與局部電流的相位不符時,Ud(t)也是交流電。因此,U d(t)都不能通過LF,光電耦合器J X不能導(dǎo)通。

圖6 鑒相電路示意圖

微電子接收器局部電源為交流110 V,50 Hz;軌道電路送電電源為220 V,50 Hz。2種電源應(yīng)由同一個電源屏供出。為了保證局部電源與軌道電源相位差為90°,應(yīng)按圖4中的連接方式構(gòu)成軌道電路。即微電子接收器的73、83端子分別接軌道輸入的正極和負(fù)極,51、61端子分別接局部電源的正極和負(fù)極。在調(diào)整軌道電路前,對標(biāo)有同名端的設(shè)備應(yīng)按設(shè)計(jì)圖檢查是否符合相位要求。

4 結(jié)語

綜上所述,單軌條50 Hz微電子相敏軌道電路利用相位鑒別特性,很好地解決了軌道絕緣破損時因兩側(cè)電壓不平衡而不能實(shí)現(xiàn)故障-安全的問題。在城市軌道交通大力發(fā)展的今天,單軌條50 Hz微電子相敏軌道電路已大量應(yīng)用于車輛段、停車場甚至正線中,為行車安全提供了必要的保障。

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