功出側(cè)并入補(bǔ)償電感對ZPW-2000A軌道電路傳輸性能提升分析

張開鋒

(中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司信陽建設(shè)指揮部，河南信陽 464000)

1 概述

ZPW-2000A軌道電路是國內(nèi)目前應(yīng)用廣泛的鐵路信號系統(tǒng)，其安全可靠性一直是該領(lǐng)域研發(fā)人員普遍關(guān)注的問題。隨著國內(nèi)軌道交通的迅速發(fā)展，軌道電路傳輸距離不斷增大，發(fā)送器作為軌道電路關(guān)鍵單元，對其帶載能力提出了更高要求。目前發(fā)送器普遍存在使用功率較高導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重，存在著潛在的安全可靠性降低的風(fēng)險。鑒于發(fā)送器在軌道電路中的關(guān)鍵作用，有必要尋找方法在保證軌道電路正常工作的情況下有效降低使用功率，從而降低發(fā)送器功耗，進(jìn)而延長其使用壽命，全面提升軌道電路安全可靠性。

基于此，本文提出在軌道電路發(fā)送端并入電感的方法改善發(fā)送器負(fù)載阻抗特性，并在搭建軌道電路傳輸模型的基礎(chǔ)上利用軌道電路傳輸計算的方法探索并入電感值與發(fā)送端電氣參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，確定最優(yōu)并入電感值。經(jīng)現(xiàn)場試驗論證，確實可有效降低發(fā)送器使用功率，該研究具有十分重要的工程應(yīng)用價值。

2 過程及方法

本文主要是在搭建軌道電路傳輸模型的基礎(chǔ)上，采用軌道電路傳輸計算的方法，研究發(fā)送端并聯(lián)電感對ZPW-2000A軌道電路發(fā)送端輸入阻抗及電氣參數(shù)的影響規(guī)律，并優(yōu)化并聯(lián)電感值，降低軌道電路發(fā)送器功率。

如圖1所示，該傳輸系統(tǒng)包括鋼軌側(cè)阻抗、匹配變壓器、模擬網(wǎng)絡(luò)盤+實際電纜、防雷變壓器、并聯(lián)電感及發(fā)送器，其中模擬網(wǎng)絡(luò)盤用于模擬實際電纜，對其進(jìn)行距離補(bǔ)償。依據(jù)該傳輸系統(tǒng)，采用軌道電路傳輸計算的方法計算不同并聯(lián)電感值對軌道電路發(fā)送端輸入阻抗、電壓、電流及功率值。

具體計算過程如下。

1) 匹配變壓器輸入阻抗Rpt

匹配變壓器變比為NPT，根據(jù)鋼軌側(cè)阻抗Rr（Rr為鋼軌軌面輸入等效阻抗，取1.3 Ω）及變壓器特性，求得匹配變壓器輸入阻抗為RPT=(NPT)2×Rr。

圖1 ZPW-2000A軌道電路發(fā)送端傳輸系示意圖Fig.1 Schematic diagram for transmission of sending end of ZPW-2000A track circuit

2) 模擬網(wǎng)絡(luò)盤+電纜端輸入阻抗ZSPT

模擬網(wǎng)絡(luò)盤電氣參數(shù)與SPT電纜一致，計算過程中按照SPT電纜電氣參數(shù)計算，已知SPT電纜RSPT，LSPT，CSPT，GSPT等參數(shù)及載頻f，電纜長度Ld，根據(jù)傳輸線原理：

SPT電纜傳輸常數(shù)

θ=可 知SPT電纜輸入阻抗ZSPT為：

3) 防雷變壓器輸入阻抗ZFL

軌道電路中防雷變壓器變比為NFL，按照變壓器特性，計算防雷變壓器輸入阻抗ZFL為：

ZFL=(NFL)2×ZSPT

4) 并入電感后發(fā)送端輸入阻抗，ZL

ZL=1/(1/ZFL+1/jωLP)，其中LP為并入電感值。

5) 發(fā)送器輸出功率P

選取發(fā)送器電平級1，確定發(fā)送器電壓U，則：

則發(fā)送器輸出功率P=U×I。

通過上述步驟，每隔1 mH，依次計算并入電感值在1～200 mH范圍的發(fā)送端輸入阻抗、電壓、電流及功率，研究并入電感值對軌道電路輸入端電氣參數(shù)的影響規(guī)律，并確定最優(yōu)電感值在確保軌道電路正常使用的情況下降低發(fā)送器使用功率。

3 結(jié)果與討論

并聯(lián)電感值對ZPW-2000A軌道電路發(fā)送端輸入阻抗的影響規(guī)律如圖2所示，其中圖2(a)為并聯(lián)電感值對軌道電路發(fā)送端輸入阻抗模值的影響規(guī)律。由圖可見，隨著并入電感值的增大，在不同載頻下軌道電路發(fā)送端輸入阻抗模值呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)隨著載頻頻率的增大，輸入阻抗模值最 值逐漸增大，最值對應(yīng)的并入電感值則逐漸減小。圖2(b)為并入電感值對軌道電路輸入阻抗相位角的影響?？梢婋S著并入電感值的增大，輸入阻抗相位角由正值逐漸減小至負(fù)值，表明并入電感對軌道電路起到補(bǔ)償效果。

圖2 電感值對ZPW-2000A軌道電路發(fā)送端輸入阻抗的影響規(guī)律Fig.2 The influence for inductance value on input impedance of transmitting terminal of ZPW-2000A track circuit transmitter

并入電感值對軌道電路發(fā)送端電氣參數(shù)的影響規(guī)律如圖3所示。圖3(a)為并入電感值對軌道電路發(fā)送端電壓模值的影響，可見隨著并入電感值的增加，發(fā)送端電壓模值先快速增加，后趨于平緩增加。圖3(b)為并入電感值對發(fā)送端電流模值的影響。發(fā)送端電流模值隨并入電感值的增加迅速降低后趨于平緩。另外可以發(fā)現(xiàn)，隨著載頻的增加，發(fā)送端電流模值的最低值逐漸降低，最低值對應(yīng)的并入電感值也逐漸減低。

圖3 電感值對ZPW-2000A軌道電路發(fā)送端電氣參數(shù)的影響規(guī)律Fig.3 The influence for inductance value on electrical parameters of sending end of ZPW-2000A track circuit

并入電感值對軌道電路發(fā)送端視在功率的影響規(guī)律如圖4所示?？梢娷壍离娐钒l(fā)送端視在功率隨并入電感值的增加先降低后緩慢增加，在不同載頻時出現(xiàn)最低功率值，且隨著載頻的增加，最低功率值逐漸降低，最低功率值對應(yīng)的并入電感值也逐漸降低。當(dāng)載頻為1 700 Hz，并入電感值為98 mH時存在最低視在功率為57.11 W；當(dāng)載頻為2 000 Hz，并入電感值為67 mH時存在最低視在功率為55.59 W；當(dāng)載頻在2 300 Hz，最低功率為54.89 W，此時并入電感值為50 mH；當(dāng)載頻在2 600 Hz，最低視在功率為54.39 W，此時并入電感值為34 mH。

并入電感后軌道電路發(fā)送端功出電壓及視在功率隨電纜長度的變化如圖5所示，可知，隨電纜長度的增加，軌道電路發(fā)送端功出電壓出現(xiàn)先降低后增加的趨勢，而視在功率則出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。

圖4 電感值對ZPW-2000A軌道電路發(fā)送端視在功率的影響規(guī)律Fig.4 The influence for inductance value on apparent power of sending end of ZPW-2000A track circuit

圖5 并入電感后電纜長度對ZPW-2000A軌道電路發(fā)送端功出電壓及視在功率的影響Fig.5 The influence for cable length on power output voltage and apparent power of sending end of ZPW-2000A track circuit after the inductance is incorporated

并入44 mH電感及未并入電感時功出電壓及視在功率對比結(jié)果如表1所示，當(dāng)并入電感后發(fā)送器功出電壓降低較小，不易引起鋼軌軌面電壓大幅降低。同時可見并入電感后發(fā)送器視在功率大幅降低，當(dāng)載頻為2 600 Hz時視在功率降低最大，為37.8%；當(dāng)載頻為1 700 Hz時視在功率降低最小，為-13.4%，可見并入電感可有效降低發(fā)送器功率，具有積極效果。

表1 并入電感及未并入電感時功出電壓及視在功率對比Tab.1 The comparison between power output voltage and apparent power with and without inductance

4 故障—安全分析

從圖3（a）可知，選取不同載頻最優(yōu)電感，當(dāng)電感失效感值下降時，功出電壓逐漸降低。由此軌面電壓降低，軌出電壓同比例降低，符合“故障導(dǎo)向安全”原則。

當(dāng)電感斷線時，功出電壓最大上升5%，軌出電壓最高上升不超過5%，系統(tǒng)上可以容忍。亦可后續(xù)在電感上加上電流傳感器監(jiān)測，判斷是否存在斷線或者電感值下降的問題。

5 結(jié)論

本文在搭建ZPW-2000A軌道電路模型的基礎(chǔ)上，利用軌道電路傳輸計算方法，優(yōu)選可有效降低發(fā)送器功率的并入電感值，仿真與實驗室試驗結(jié)果吻合。主要結(jié)論如下。

1）因信號電纜長度超過一定值時，從功出側(cè)往室外側(cè)看，輸入阻抗將呈現(xiàn)明顯容性，并入電感值后，輸入阻抗將趨向阻性，且輸入阻抗模值增大，相角減小，優(yōu)化了傳輸通道。

2）通過在發(fā)送器功出側(cè)并入一定的電感值，軌道電路發(fā)送器視在功率最大降低37.8%左右，大大降低了發(fā)送器的功率，降低了發(fā)送器的發(fā)熱，提升了發(fā)送器的使用壽命。

3）后續(xù)考慮對并聯(lián)電感的方案進(jìn)行工程化改進(jìn)，對ZPW-2000A現(xiàn)場工程應(yīng)用定會產(chǎn)生較大的優(yōu)化提升。