電纜分布電容對(duì)交流道岔表示電路的影響研究

王 勇 張 璐 陽(yáng) 龍

（1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070；3.大秦鐵路股份有限公司大同電務(wù)段，山西大同 037005）

1 概述

2015年，成都鐵路局貴陽(yáng)北站201#道岔（距信號(hào)樓4.429 km，采用ZYJ7型交流道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引）進(jìn)行聯(lián)鎖試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：道岔扳動(dòng)到位、道岔表示繼電器吸起后，在室外道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)用終端電纜盒處斷開(kāi)X1線（并用2芯）時(shí)，道岔表示繼電器不落下。經(jīng)過(guò)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后，提出“三相交流五線道岔控制距離大于2 km的，將X1與X2～X5分電纜設(shè)置，減小電纜的線間電容”的整治方案。

烏魯木齊鐵路局于2016年1月按上述整治方案進(jìn)行管內(nèi)遠(yuǎn)距離三相交流五線制道岔表示電路的試驗(yàn)工作，試驗(yàn)后該局管內(nèi)仍有16組控制距離大于2 km交流道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)，在斷開(kāi)X1電纜時(shí)，道岔表示繼電器不落的問(wèn)題。

據(jù)此，有必要系統(tǒng)的研究電纜線間分布電容對(duì)交流道岔表示電路的影響，并研究工程化解決方案。

2 電路分析

2.1 電路原理

交流轉(zhuǎn)轍機(jī)均采用繼電式五線制道岔控制電路，由道岔動(dòng)作電路和道岔表示電路兩部分組成。為了節(jié)省電纜、檢查道岔的動(dòng)作與表示的一致性，道岔控制電路的動(dòng)作電路和表示電路均共用室外電纜芯線。

三相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路的表示電路為室外二極管與室內(nèi)表示繼電器并聯(lián)的直接控制電路，是交流半波整流三值極性電路。其室內(nèi)部分由表示電源、JPXC-1000型表示繼電器、電阻R1等組成；室外部分由傳輸電纜、轉(zhuǎn)轍機(jī)、整流二極管、電阻R2等組成，如圖1所示。

圖1 交流五線制控制電路圖（表示電路）

2.2 等效電路

根據(jù)均勻傳輸線理論，交流電流在導(dǎo)線中引起電阻電壓降，并在導(dǎo)線的周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)產(chǎn)生電感電壓降；同時(shí)，由于兩導(dǎo)體會(huì)構(gòu)成電容，故在信號(hào)電纜中芯線與芯線之間、芯線與鋁護(hù)套和鋼帶之間存在分布電容。

以PTYL23-4型信號(hào)電纜為例，其由4根芯線、鋁護(hù)套和鋼帶（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“金屬護(hù)套”）等構(gòu)成，芯線間、芯線與金屬護(hù)套間分布電容的示意如圖2所示。

圖2 PTYL23-4型信號(hào)電纜截面圖

考慮信號(hào)電纜中分布電容后，道岔表示電路的等效電路如圖3所示。

圖3 考慮電纜分布電容的道岔表示電路等效電路圖

信號(hào)電纜中的分布電容，電纜越長(zhǎng)其就越大。此外，由于道岔控制電路動(dòng)作電路電壓降等因素，需對(duì)道岔控制電纜長(zhǎng)度超過(guò)理論計(jì)算長(zhǎng)度的道岔控制電路的室外去線和回線加芯，用以延長(zhǎng)電纜控制距離。由于芯線與芯線之間、芯線與金屬護(hù)套之間都存在分布電容，所以當(dāng)電纜超長(zhǎng)加芯使用時(shí)，一組并芯使用的芯線與另一組并芯使用的芯線、一組并芯使用的芯線與金屬護(hù)套之間的電容將隨加芯數(shù)量增加而增大。

2.3 原因分析

當(dāng)X1斷線時(shí)，交流電流會(huì)通過(guò)分布電容迂回至表示繼電器。電纜越長(zhǎng)、并芯數(shù)量越多，分布電容越大，流向表示繼電器的電流就越大，直至維持繼電器吸起狀態(tài)。X1斷線后，電流通過(guò)兩個(gè)分布電容回路迂回至表示繼電器：一部分通過(guò)線間分布電容；另一部分通過(guò)線對(duì)金屬護(hù)套的分布電容，如圖4所示。

圖4 電流通過(guò)電容迂回示意圖

3 模型搭建和驗(yàn)證

為了便于進(jìn)行電路分析、故障模擬和改善措施研究，分別對(duì)道岔表示電路的信號(hào)源部分、傳輸通道部分和終端阻抗部分建立仿真分析模型。

3.1 信號(hào)源部分

信號(hào)源部分由室內(nèi)交流信號(hào)源、BD1-7型變壓器和室外整流電路構(gòu)成，50 Hz的道岔表示交流電源經(jīng)整流后加載在表示繼電器線圈上的信號(hào)為正半周波峰電壓較高、負(fù)半周波峰電壓較低的周期性信號(hào)。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，整流后的信號(hào)并不只是直流或50 Hz交流信號(hào)，而是由一系列頻率組成的寬頻信號(hào)，該信號(hào)在傳輸過(guò)程中使得電纜分布電容的影響加劇，同時(shí)也導(dǎo)致繼電器兩端的阻抗變大。

3.2 傳輸通道部分

傳輸通道部分由室外信號(hào)傳輸電纜和轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)的線圈兩部分構(gòu)成。其中轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)部分均為集總參數(shù)是由測(cè)試直接獲得；信號(hào)傳輸電纜部分中的電感和電阻參數(shù)可由均勻傳輸線理論獲得，電纜分布電容經(jīng)過(guò)在電纜廠和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，芯線位置如圖5所示，測(cè)試結(jié)論為：

1）外圍單芯對(duì)金屬護(hù)套的分布電容約為外圍四線組對(duì)金屬護(hù)套分布電容的3倍；可忽略中心四線組對(duì)金屬護(hù)套的分布電容。

2）同一四線組內(nèi)相鄰芯線約為同一四線組內(nèi)對(duì)角芯線的5倍；可忽略?xún)伤木€組間的分布電容。

圖5 芯線位置示意圖

3.3 終端阻抗部分

道岔表示電路所用繼電器為JPXC-1000型偏極繼電器，該繼電器的返還系數(shù)為25%（釋放值不小于4 V、工作值不大于16 V）。此繼電器線圈在寬頻信號(hào)源下呈現(xiàn)出極大阻抗，該線圈阻抗隨著交流信號(hào)電壓的變化而變化。

3.4 仿真分析模型

通過(guò)上述分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，利用MATLAB/Simulink建立仿真分析模型，如圖6所示。

圖6 道岔表示電路仿真分析模型

為驗(yàn)證道岔表示電路仿真模型的有效性，于2017年5月在烏魯木齊鐵路局哈密南站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證性試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果誤差不超過(guò)7%，驗(yàn)證了仿真模型的有效性。

4 改善措施建議

4.1 信號(hào)源部分

1）采用全波整流—橋式整流電路

通過(guò)更改現(xiàn)有道岔表示電路，將原來(lái)通過(guò)單個(gè)二極管得到的半波整流信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化為全波整流橋，經(jīng)仿真模型分析，X1斷線后，繼電器線圈兩端的電壓幾乎為零，可以減少線間電容對(duì)道岔表示電路的影響。

2）表示電路電源采用獨(dú)立直流電源

道岔控制電路的動(dòng)作電路和表示電路拆分為兩個(gè)獨(dú)立回路，其中表示電路電源采用獨(dú)立直流電源。

4.2 傳輸通道部分

通過(guò)仿真模型搭建和對(duì)模型有效性驗(yàn)證，使得實(shí)驗(yàn)室仿真模型與現(xiàn)場(chǎng)情況基本相同或更嚴(yán)格，為了提高表示電路信號(hào)電纜的控制長(zhǎng)度，提出對(duì)信號(hào)電纜的使用要求。

1）表示回路中不得使用電纜中的外圍單芯。

2）X1需使用獨(dú)立的四線組，不得與其他回線同四線組。

4.3 終端阻抗部分

1）提高繼電器返還系數(shù)

現(xiàn)有JPXC-1000型偏極繼電器的返還系數(shù)為25%，釋放值僅為4 V，通過(guò)提高偏極繼電器返還系數(shù)，解決道岔表示電路在X1斷線時(shí)表示繼電器不落問(wèn)題。

2）并聯(lián)電容

在繼電器線圈上并聯(lián)電容以降低繼電器阻抗。阻抗降低后，X1斷線時(shí)繼電器兩端電壓下降，但其正常工作電壓同樣會(huì)出現(xiàn)下降，因此該措施需綜合考慮X1斷線和正常工作時(shí)的電壓。

5 結(jié)束語(yǔ)

上面針對(duì)電纜分布電容對(duì)交流道岔表示電路的影響進(jìn)行了理論分析，并通過(guò)搭建仿真分析模型，從3方面提出改善措施供實(shí)際工程使用，但每項(xiàng)改善措施還應(yīng)展開(kāi)單獨(dú)進(jìn)行系統(tǒng)性分析研究，并針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇綜合性解決措施。

[1]何文卿.6502電氣集中電路[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1997.

[2]林瑜筠.6502電氣集中電路圖冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2012.

[3]孫啟發(fā).S700K道岔轉(zhuǎn)換與鎖閉設(shè)備原理及維護(hù)知識(shí)[M]. 北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.

[4]孟恒信.保護(hù)用控制電纜分布電容參數(shù)測(cè)試方法研究[J].山西電力，2008，148（4）：16-19.

[5]馬士俊.分布電容對(duì)遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)的影響極其改善方法探討[J].電氣應(yīng)用，2009，28（3）：64-68.

[6]于勇.ZYJ7型電液轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路的故障分析與處理[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2017，14（2）：89-92.

[7]吳劍鳴.控制電纜的分布電容對(duì)繼電保護(hù)的影響及防范措施[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2007，27（11）：115-118.

[8]陳貴亮.長(zhǎng)電纜分布電容對(duì)保護(hù)裝置的影響及解決方法[J].安徽電力，2010，27（2）：32-34.

[9]邱光源.電路[M].北京:高等教育出版社，2004.