ZPW-2000A型移頻閉塞系統(tǒng)室外調(diào)諧單元原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用

胡飛龍 賈 姣

（通號(hào)（北京）軌道工業(yè)集團(tuán)有限公司軌道交通技術(shù)研究院，上海 200436）

1 調(diào)諧單元的由來(lái)

在ZPW-2000A型無(wú)絕緣移頻閉塞系統(tǒng)中，對(duì)于相鄰軌道的信號(hào)隔離，不再通過(guò)機(jī)械的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣絕緣，而是在相鄰軌道之間引入一些特殊的電路，能在一定的條件下將兩個(gè)相鄰的區(qū)段進(jìn)行電氣隔離，從而保證本區(qū)段信號(hào)的有效傳輸，并阻止相鄰區(qū)段的信號(hào)通過(guò)鋼軌串入本區(qū)段。將實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相鄰軌道之間的電氣隔離電路稱(chēng)為調(diào)諧電路，將調(diào)諧電路構(gòu)成的設(shè)備稱(chēng)為“調(diào)諧單元”。

2 調(diào)諧單元的設(shè)計(jì)原理

調(diào)諧單元的設(shè)計(jì)原理是基于諧振電路。串聯(lián)諧振電路在其諧振頻率工作時(shí)，電路中總阻抗呈最小值。充分利用這一特性，實(shí)現(xiàn)諧振頻率信號(hào)在相鄰區(qū)段的入口處被短路衰減，阻止其串入到相鄰區(qū)段。

同理，并聯(lián)諧振電路在其諧振頻率工作時(shí)，電路中總阻抗值呈最大值。當(dāng)信號(hào)加載到諧振電路時(shí)，鋼軌因與其并聯(lián)獲得需要傳輸?shù)男盘?hào)，從而實(shí)現(xiàn)本區(qū)段的信號(hào)保真?zhèn)鬏敗?/p>

然而，在ZPW-2000A型無(wú)絕緣移頻閉塞系統(tǒng)中并不是簡(jiǎn)單的使用諧振電路，而是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深入的再開(kāi)發(fā)，其設(shè)計(jì)原理相對(duì)較為復(fù)雜。

2.1 工程設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)需求

根據(jù)工程設(shè)計(jì)可知，區(qū)段A和區(qū)段B為相鄰的區(qū)段，需在其分界處如圖1所示，進(jìn)行絕緣處理，使各自的移頻信號(hào)能在本區(qū)段有效的傳輸，且不會(huì)串入相鄰的區(qū)段，造成干擾。

圖1 電氣絕緣節(jié)的工程示意圖Fig.1 Sketch diagram of electrical insulated joints

由ZPW-2000A系統(tǒng)載頻使用原則可知，A區(qū)段和B區(qū)段在載頻選擇上，同時(shí)為一組上行載頻或者一組下行載頻，即一個(gè)為F1型頻率，一個(gè)為F2型頻率，如表1所示。

表1 ZPW-2000A系統(tǒng)載頻對(duì)照表Tab.1 Comparison table of ZPW-2000A system carrier frequency

2.2 設(shè)計(jì)構(gòu)想

基于現(xiàn)場(chǎng)的使用環(huán)境，A區(qū)段可能采用F1型或者F2型載頻頻率，相對(duì)應(yīng)B區(qū)段應(yīng)該采用F2型或者F1型載頻頻率。如圖2所示。

圖2 相鄰區(qū)段載頻頻率選擇示意圖Fig.2 Sketch diagram of carrier frequency selection of adjacent tracks

將設(shè)計(jì)需求和頻率選擇示意圖結(jié)合后，可知要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)區(qū)段的電氣絕緣，只需滿(mǎn)足：對(duì)于兩種不同頻率的信號(hào)，在相鄰軌道的分界點(diǎn)處能實(shí)現(xiàn)一路信號(hào)被短路衰減，一路信號(hào)可以繼續(xù)沿著鋼軌向前傳輸。

將需求轉(zhuǎn)化為：在同一絕緣點(diǎn)處對(duì)于兩種不同頻率的信號(hào)能呈現(xiàn)出兩種不同的阻抗要求。

2.3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

引入諧振電路去解決電氣絕緣，是基于諧振電路對(duì)不同頻率的信號(hào)表現(xiàn)出不同的阻抗值，利用阻抗變化，找到其阻抗的零點(diǎn)和極點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效控制。

為了阻止將相鄰區(qū)段的信號(hào)傳輸?shù)奖緟^(qū)段，在本區(qū)段的入口處設(shè)置一個(gè)相鄰區(qū)段信號(hào)可產(chǎn)生串聯(lián)諧振的串聯(lián)諧振電路。當(dāng)相鄰區(qū)段的信號(hào)傳輸?shù)奖緟^(qū)段入口處時(shí)，諧振電路會(huì)產(chǎn)生諧振，且當(dāng)其諧振阻抗值非常小時(shí)，相鄰區(qū)段的信號(hào)就被隔離在本區(qū)段的外面，從而實(shí)現(xiàn)電氣絕緣的功能，如圖3所示。

A區(qū)段為F1型，B區(qū)段為F2型。且L1、C1和R1構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路對(duì)F2型信號(hào)呈串聯(lián)諧振，L2、C2和R2構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路對(duì)F1型信號(hào)呈串聯(lián)諧振。

對(duì)于A區(qū)段，本區(qū)段信號(hào)送入鋼軌后，傳輸?shù)紸區(qū)段的末端，B區(qū)段的起始處時(shí)，此時(shí)L2、C2和R2構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路，出現(xiàn)諧振，將A區(qū)段的F1型信號(hào)在此處短路衰減掉。A區(qū)段信號(hào)沿著另外一個(gè)方向傳輸?shù)紸區(qū)段的起始處時(shí)，同理會(huì)遇到L2、C2和R2構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路，將其短路衰減。

對(duì)于B區(qū)段，信號(hào)在接入點(diǎn)送入鋼軌。傳輸?shù)紸區(qū)段結(jié)尾處和C區(qū)段入口處時(shí)，遇L1、C1和R1構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路，出現(xiàn)諧振。將其在此處短路衰減，阻止其沿著鋼軌繼續(xù)傳輸。

綜上所述：通過(guò)在相鄰區(qū)段的兩端引入串聯(lián)諧振電路，阻隔相鄰區(qū)段的信號(hào)經(jīng)鋼軌傳輸?shù)奖緟^(qū)段。

電氣絕緣節(jié)的設(shè)計(jì)不僅能阻隔相鄰區(qū)段的信號(hào)相互串?dāng)_，還需保證信號(hào)在本區(qū)段的鋼軌上有效的傳輸。鑒于在相鄰軌道信號(hào)串?dāng)_的電氣隔離設(shè)計(jì)采用串聯(lián)諧振電路，且考慮到并聯(lián)諧振電路在其諧振頻率時(shí)，電路中的阻抗值存在最大值。故此，在保證本區(qū)段信號(hào)傳輸?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)中可以借助并聯(lián)諧振電路的特性，當(dāng)諧振電路在諧振頻率時(shí)呈現(xiàn)出阻抗最大值，那么將軌道作為一個(gè)負(fù)載并聯(lián)在兩段時(shí)，可使信號(hào)沿著鋼軌向前傳輸。結(jié)合前面的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步延伸，使得電氣絕緣節(jié)的設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足上述的兩個(gè)功能。

由L1、C1構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路：

由L2、C2構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路：

由此可知：L1和C1構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路，要構(gòu)成并聯(lián)諧振需要并聯(lián)一個(gè)電感，電感值大小需根據(jù)實(shí)際的使用環(huán)境進(jìn)行計(jì)算。L2和C2構(gòu)成的串聯(lián)諧振對(duì)F2型頻率信號(hào)呈感性，那么要構(gòu)成并聯(lián)諧振，需給其并聯(lián)一個(gè)電容，同樣，電容的容值大小需要根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境進(jìn)行計(jì)算。

基于上述分析，再次對(duì)電氣絕緣節(jié)原理進(jìn)一步調(diào)整后，如圖4所示。

在完成總體原理架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其工作原理如下。

對(duì)于A區(qū)段： F1型移頻信號(hào)加載到由L1、C1和R1并構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路上，電路諧振，阻抗值約為2 Ω，使得信號(hào)被加載到一個(gè)2 Ω的電阻上，信號(hào)沿著A區(qū)段的鋼軌向前傳輸。當(dāng)傳輸完本區(qū)段時(shí)，到達(dá)上一個(gè)區(qū)段的電氣絕緣節(jié)，此時(shí)由L2、C2構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生諧振，阻抗值約為10 mΩ，將A區(qū)段的信號(hào)短路衰減，使其不能繼續(xù)向前傳輸。當(dāng)其沿著另一個(gè)方向，即順著列車(chē)運(yùn)行方向傳輸時(shí)，到達(dá)B區(qū)段入口處的L2、C2串聯(lián)諧振電路時(shí)，電路出現(xiàn)諧振，諧振電路的總阻抗約為10 mΩ，信號(hào)在此處被短路衰減，阻止其沿著鋼軌進(jìn)入B區(qū)段。由此可知，通過(guò)設(shè)置調(diào)諧電路，使信號(hào)只能在本區(qū)段進(jìn)行傳輸，不能越過(guò)電氣絕緣節(jié)傳向相鄰的區(qū)段。

圖4 再次設(shè)計(jì)后的電氣絕緣節(jié)示意圖Fig.4 Re-designed electrical insulated joints

同理，對(duì)于B區(qū)段：本區(qū)段的F2型移頻信號(hào)通過(guò)由L2、C2和C2并構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路接入軌道，此時(shí)該并聯(lián)諧振電路出現(xiàn)諧振，電路總阻抗值約為2 Ω，B區(qū)段的軌道通過(guò)并聯(lián)方式引入信號(hào)，傳輸至A區(qū)段時(shí)，由L1、C1構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路，出現(xiàn)諧振，信號(hào)在此處被短路衰減掉。當(dāng)B區(qū)段的信號(hào)沿著列車(chē)運(yùn)行方向繼續(xù)傳輸時(shí)，到達(dá)C區(qū)段由L1、C1構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，產(chǎn)生諧振。使得B區(qū)段的信號(hào)在此處被短路衰減掉。這樣B區(qū)段的信號(hào)也實(shí)現(xiàn)在本區(qū)段的保真?zhèn)鬏?，并阻止其串入A區(qū)段和C區(qū)段。

通過(guò)對(duì)上述原理分析可知，本電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在原理上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)電氣絕緣的兩個(gè)功能需求。但在ZPW-2000A系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，還需要考慮鋼軌的特性和使用環(huán)境以及設(shè)備集成等因素。

3 調(diào)諧單元的應(yīng)用

鋼軌在列車(chē)牽引系統(tǒng)中作為牽引回流線(xiàn)，構(gòu)成整個(gè)電力牽引網(wǎng)絡(luò)，因此電氣絕緣節(jié)的設(shè)計(jì)需要考慮牽引電流的平衡。

在信號(hào)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成中作為核心檢測(cè)部分，不僅存在電阻，還存在電感，對(duì)移頻信號(hào)有一定的阻抗。因電氣特性與其使用的路基環(huán)境不同有很大的差異，對(duì)于普通的路基，其軌道電阻和電感的取值范圍如表2所示。

表2 路基環(huán)境軌道電阻和電感取值范圍Tab.2 Numeric range of track resistance and inductance in subgrade

對(duì)于其中的每一對(duì)信號(hào)，按照頻率，設(shè)計(jì)出兩種諧振電路：第一種諧振電路在F1型信號(hào)條件下工作時(shí)，整個(gè)電路有最大阻抗，在F2型信號(hào)條件下工作時(shí)，電路有最小阻抗，滿(mǎn)足在F1型頻率信號(hào)條件下，將其本區(qū)段的信號(hào)傳輸出去，在F2型頻率信號(hào)條件下，阻隔其進(jìn)入當(dāng)前F1型區(qū)段。將這種串并聯(lián)電路稱(chēng)為“串并聯(lián)I型電路”，阻抗曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 串并聯(lián)|型諧振電路阻抗曲線(xiàn)圖Fig.5 Impedance curve of I-type series-parallel connection resonant circuit

第二種諧振電路是當(dāng)其工作在頻率較低的F1型信號(hào)頻率時(shí)，整個(gè)電路中有最小阻抗，工作在F2型頻率時(shí)，電路中有最大阻抗，阻止F1型信號(hào)頻率越過(guò)電氣絕緣節(jié)進(jìn)入F2型信號(hào)區(qū)段，即可使F2型信號(hào)頻率在本區(qū)段傳輸，將這種串并聯(lián)諧振電路稱(chēng)為“串并聯(lián)II型電路”，其阻抗曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 串并聯(lián)||型諧振電路阻抗曲線(xiàn)圖Fig.6 Impedance curve of II-type series-parallel connection resonant circuit

串并聯(lián)I型電路由L1、C1和電感Lt構(gòu)成，其工作在F2型信號(hào)頻率條件下時(shí)，L1和C1構(gòu)成串聯(lián)諧振電路對(duì)其進(jìn)行短路衰減。當(dāng)其工作在F1型頻率信號(hào)條件下時(shí)，L1、C1和Lt構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路產(chǎn)生并聯(lián)諧振，保證F1型頻率能夠在本區(qū)段良好傳輸，其原理如圖7所示。

圖7 串并聯(lián)|型諧振電路Fig.7 I-type series-parallel connection resonant circuit

串并聯(lián)II型電路由L2、C2、Ct和電感Lt構(gòu)成，當(dāng)其工作在F1型信號(hào)頻率條件下時(shí)，L2和C2構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路對(duì)其進(jìn)行短路泄漏，當(dāng)其工作在F2型頻率信號(hào)條件下時(shí)，L2、C2、Ct和Lt構(gòu)成的并列諧振電路產(chǎn)生并聯(lián)諧振，保證F2型信號(hào)頻率在本區(qū)段良好傳輸，其原理如圖8所示。

在上述兩種類(lèi)型的串并聯(lián)諧振電路中都出現(xiàn)電感Lt，由于考慮現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境，需要對(duì)鋼軌的不平衡牽引電流進(jìn)行平衡，故在ZPW-2000A系統(tǒng)中將這個(gè)電感單獨(dú)設(shè)計(jì)，并作為一種產(chǎn)品，用于對(duì)不平衡牽引電流進(jìn)行平衡，且其電感特性與其他設(shè)備一并構(gòu)成電氣絕緣節(jié)。

圖8 串并聯(lián)||型諧振電路Fig.8 II-type series-parallel connection resonant circuit

在ZPW-2000A系統(tǒng)中，電氣絕緣節(jié)由29 m鋼軌和上述兩種諧振電路共同構(gòu)成，上述兩種諧振電路又分為F1型調(diào)諧單元、F2型調(diào)諧單元和空芯線(xiàn)圈。

F1型調(diào)諧單元是由串并聯(lián)I型諧振電路設(shè)計(jì)而來(lái)，去除電感Lt后的兩元件構(gòu)成，用于F1型區(qū)段的兩端。F2型調(diào)諧單元是由串并聯(lián)II型諧振電路，除電感Lt后的三元件構(gòu)成，用于F2型區(qū)段的兩端?？招揪€(xiàn)圈是由電感Lt設(shè)計(jì)而來(lái)，對(duì)50 Hz信號(hào)有較低的阻抗，對(duì)不平衡牽引電流起到短路、平衡的作用。在移頻信號(hào)的工作條件下，構(gòu)成電氣絕緣節(jié)。

4 總結(jié)

本文通過(guò)分析ZPW-2000A型移頻閉塞系統(tǒng)室外調(diào)諧單元的原理設(shè)計(jì)，詳細(xì)講述調(diào)諧單元的設(shè)計(jì)原理在ZPW-2000A系統(tǒng)中的應(yīng)用，為調(diào)諧單元的使用提供必要的技術(shù)支持，有助于對(duì)其進(jìn)行研究和故障判斷等工作。