長距離傳輸?shù)慕徊姝h(huán)線的優(yōu)化

李 華

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

1 交叉環(huán)線的應(yīng)用

“計(jì)軸+交叉環(huán)線”以計(jì)軸設(shè)備代替區(qū)間軌道電路，實(shí)現(xiàn)閉塞分區(qū)空閑與占用的檢查，以環(huán)線代替鋼軌向機(jī)車傳遞機(jī)車信號信息，主要特點(diǎn)如下。

1）不受道床電阻變化影響，受線路條件制約小。

2）不需在鋼軌上加裝絕緣節(jié)，不受軌距稈絕緣節(jié)破損影響，安裝簡單方便。

3）不受電氣化干擾，適用于電化、非電化區(qū)段。

2003年9月和2004年4月在京廣線“計(jì)軸+ZPW-2000A交叉環(huán)線”“菠蘿坑—連江口”和“張灘—土嶺”成功開通投入運(yùn)用。環(huán)線系統(tǒng)中主要設(shè)備為發(fā)送器、室內(nèi)環(huán)線防雷匹配單元、模擬網(wǎng)絡(luò)、室外環(huán)線防雷匹配單元（LFW）、室外環(huán)線互感器單元（DB1）、環(huán)線檢測繼電器、電纜。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

該交叉環(huán)線大小環(huán)共用一臺發(fā)送器，電纜長度最大為7 km，大環(huán)1 200 m，小環(huán)300 m。

2 針對長距離傳輸?shù)男枨?/h2>

后續(xù)工程陸續(xù)出現(xiàn)了長大隧道，例如蘭武二線的烏鞘嶺隧道站間距為27.9 km，隧道長20.5 km，需要考慮最長傳輸電纜為15 km。針對具體工程需求和前期運(yùn)用的經(jīng)驗(yàn)，可按照以下原則進(jìn)行研究。

1）12 km以下電纜時(shí)，1 500 m以內(nèi)的閉塞分區(qū)，將環(huán)線等分為大小環(huán)2段，大環(huán)1 200 m，小環(huán)300 m；12～15 km電纜時(shí)，最長750 m，根據(jù)需要分割。

2）合理調(diào)整設(shè)備參數(shù)，做到現(xiàn)場使用調(diào)整方便，有足夠的運(yùn)用余量。

3）在不進(jìn)行大功率發(fā)送設(shè)備開發(fā)條件下，消除發(fā)送過熱現(xiàn)象，降低信號源的故障。

4）在菠蘿坑—連江口和張灘—土嶺運(yùn)用基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)提出計(jì)算和試驗(yàn)依據(jù)，使系統(tǒng)的合理性得以確認(rèn)。

5）為了減少設(shè)備發(fā)熱情況，原則上按3級電平及以下設(shè)計(jì)，并為運(yùn)用調(diào)整留有余量。

3 功率消耗因素的分析與優(yōu)化

在波蘿坑—連江口的環(huán)線設(shè)置中已經(jīng)使用了2級電平，甚至在個(gè)別1 700 Hz的區(qū)段采用了1級電平，從單純提高發(fā)送器輸出角度已經(jīng)不能滿足長距離傳輸要求，必須從系統(tǒng)級考慮，重新考慮功率分配和傳輸優(yōu)化。

傳輸通道中包括：帶2個(gè)輸出端的變壓器、電纜模擬、電纜、匹配變壓器、環(huán)線和電流互感器。下面基于烏鞘嶺交叉環(huán)線的應(yīng)用對功率優(yōu)化的方式進(jìn)行分析。

1）環(huán)線的補(bǔ)償

烏鞘嶺隧道采用無碴道床，軌枕板內(nèi)鋼筋未做絕緣處理。因此，軌枕板內(nèi)的鋼筋網(wǎng)構(gòu)成閉合回路。環(huán)線回路就像變壓器的一次線圈，而這些鋼筋網(wǎng)閉合回路成為二次短路線圈，形成二次電流，也就是說，無碴軌枕板內(nèi)的金屬閉合網(wǎng)格成為環(huán)線附加負(fù)載，從環(huán)線吸收和消耗能量，增加環(huán)線的衰耗。因此首先要測量隧道內(nèi)環(huán)線阻抗，做為計(jì)算依據(jù)。經(jīng)現(xiàn)場測量，環(huán)線阻抗參數(shù)如表1所示。

表1 環(huán)線阻抗測試數(shù)據(jù)

與大瑤山連江口-菠蘿坑環(huán)線相比，環(huán)線導(dǎo)線截面積由2.0 mm2加粗為3.7 mm2，截面增加0.85倍，但環(huán)線2 600 Hz每公里的電阻卻由18 Ω增加為22.78 Ω，上述所提到情況，是每公里環(huán)線電阻增加的原因之一。

以2 600 Hz為例，為了形成600 mA電流，需要功率為p=I2×Z環(huán)線=0.36×51.19=18.4 W，由于環(huán)線阻抗為感抗性質(zhì)，為了降低無功損耗，考慮在環(huán)線電纜入口并聯(lián)電容以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，按照環(huán)線電感為2.806 mH/km選取，諧振點(diǎn)選擇在2 600 Hz，C=1/W2/L=1.34 uF。按照1.34 uF補(bǔ)償后，入口阻抗升高為91.6029-46.3168i，模值為102.6 Ω，此時(shí)為了在環(huán)線上得到600 mA電流，在入口上消耗的總功率為9.19 W。通過在環(huán)線入口處并聯(lián)電容進(jìn)行補(bǔ)償，降低了環(huán)線所需要功率。

2）電纜補(bǔ)償

環(huán)線至信號樓，電纜最長按15 km考慮。電纜超長，大大增加信號的傳輸衰耗。

根據(jù)電纜的一次參數(shù)，求其傳輸固有衰耗。其公式為：

其中：

γ：電纜傳輸每公里的傳播常數(shù)；

β：電纜傳輸每公里的固有相移；

α：電纜傳輸每公里的固有衰耗；

R、L、G、C：均為電纜的一次參數(shù)，分別按照45 Ω/km、825 uH/km、10-10S/km、28 nF/km。

按上述公式和電纜一次參數(shù)計(jì)算，15 km電纜的固有衰耗為：

其中：

P受：電纜的負(fù)載接收功率，即環(huán)線經(jīng)過電纜，從發(fā)送器得到的功率；

P送：發(fā)送器發(fā)送功率，該功率經(jīng)電纜向環(huán)線傳輸,發(fā)送器輸出功率按90 VA考慮。

以上計(jì)算是一個(gè)粗的估算，從中可以看到15 km電纜的衰耗非常大，發(fā)送器發(fā)出的功率，絕大部分都消耗在電纜上，如果不采取必要措施，環(huán)線得到的功率很小，環(huán)線長度也就很短，只有0.354 km。用這個(gè)方法去估算大瑤山連江口-菠蘿坑段環(huán)線長度，電纜長8 km時(shí)，環(huán)線長度也就在1.2 km左右，實(shí)際情況和此估算差不太多。為了能夠降低電纜損耗，在電纜的始端和終端串入電感進(jìn)行補(bǔ)償。

3）發(fā)送器輸出功率

由于發(fā)送器輸出功率有限，電纜衰耗又大，故按一供一考慮，即大、小環(huán)線各用一臺發(fā)送器。電平級不高于三級，功出電流限制在0.6 A左右。

4）取消模擬網(wǎng)絡(luò)

在ZPW-2000A軌道電路中，為了達(dá)到各位置配置一致，采用電纜模擬網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)齊至一特定長度，在最初的環(huán)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也采用了該方式，但是在長大隧道的應(yīng)用環(huán)境下，功率的限制成為關(guān)鍵，因此為了在電纜長度較短的區(qū)段能夠節(jié)約該消耗，且室外不存在列車分路時(shí)的負(fù)載變化，因此取消模擬網(wǎng)絡(luò)。

5）室外增加可調(diào)整的匹配環(huán)節(jié)

在原系統(tǒng)中，由于電纜模擬到固定長度，因此通道阻抗固定，在取消了模擬網(wǎng)絡(luò)后，需要在室外的調(diào)整變壓器上進(jìn)行繞組調(diào)整，以達(dá)到不同環(huán)線長度對各種電纜長度的阻抗匹配。

根據(jù)上述分析，能夠從如下幾個(gè)方面對環(huán)線系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

①每段環(huán)線獨(dú)立設(shè)置1套發(fā)送器。

②取消原有室內(nèi)1托2變壓器，以減少附加功耗。

③取消“電纜模擬網(wǎng)絡(luò)”。

④在室內(nèi)外增加電感對電纜的無功損耗進(jìn)行補(bǔ)償。

⑤環(huán)線調(diào)整變壓器采用多種繞組輸出，以進(jìn)行匹配調(diào)整。

⑥提高環(huán)線線徑，減少環(huán)線環(huán)阻。

⑦對環(huán)線阻抗進(jìn)行并聯(lián)補(bǔ)償，提高環(huán)線入口阻抗，降低環(huán)線的無功損耗。

系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2所示。

4 計(jì)算驗(yàn)證

1）理論計(jì)算

室外變壓器變比為2；

并聯(lián)補(bǔ)償電容為2 μF。

電纜參數(shù)取值執(zhí)行電纜標(biāo)準(zhǔn)。

計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示。

①無任何補(bǔ)償措施，2 600 Hz信號條件下。

表2 無補(bǔ)償措施條件下的環(huán)線分析

②采取補(bǔ)償措施。

增加電平級及優(yōu)選補(bǔ)償配置還能進(jìn)一步提高傳輸長度。

表3 增加補(bǔ)償措施后的環(huán)線分析

5 總結(jié)

不管是在軌道電路還是交叉環(huán)線，進(jìn)行通道的補(bǔ)償已經(jīng)是一個(gè)應(yīng)用廣泛的手段，且ZPW-2000A無絕緣軌道電路對鋼軌的容性補(bǔ)償更得到了對調(diào)整、分路、機(jī)車信號、斷軌檢查等全面性能的提升。本文僅舉例說明，在環(huán)線系統(tǒng)中對通道進(jìn)行功率補(bǔ)償減少衰耗的可行性，針對該系統(tǒng)仍能夠通過進(jìn)行更為合理的配置選取提高傳輸性能。

[1]張冠瑩．信號傳輸原理［M］．ZPW-2000A無絕緣自動閉塞系統(tǒng)培訓(xùn)教材．北京：中國鐵道出版社，1989.

[2]傅世善．鐵路信號基礎(chǔ)知識（第三講）——閉塞制式的基本概念[J]．鐵路通信信號工程技術(shù)，2009（4）：64-66.