數(shù)字無絕緣軌道電路調(diào)諧單元的諧振分析

姚向明

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100073）

數(shù)字無絕緣軌道電路調(diào)諧單元的諧振分析

姚向明

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100073）

介紹數(shù)字無絕緣軌道電路S型電氣絕緣節(jié)的工作原理，并對調(diào)諧單元進行頻率特性和特性阻抗的分析。說明數(shù)字無絕緣軌道電路的調(diào)諧單元具有良好的選頻特性，并分析改變調(diào)諧單元電氣參數(shù)所造成的影響。

數(shù)字無絕緣軌道電路；調(diào)諧單元；頻率特性；特性阻抗

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟的快速增長，城市人口迅速增加，發(fā)展速度快、運量大的城市軌道交通很自然的成了許多城市解決公共交通客運問題的首選方案，它安全、迅速、舒適、便利地在城市范圍內(nèi)運送乘客，最大限度地滿足市民出行的需要。軌道電路作為城市軌道交通信號系統(tǒng)的一種模式，對保障列車的運行安全、提高列車運行效率起著非常重要的作用。

數(shù)字編碼制式的無絕緣軌道電路為電氣隔離式軌道電路，同一個信號點為相鄰兩個軌道區(qū)段的分隔點，采用調(diào)諧單元構(gòu)成電氣隔離，是近年來城市軌道交通軌道電路的主要形式之一。其技術先進，通用性強，電路的集成度高，軟件處理能力強。本文以國產(chǎn)化試驗型數(shù)字軌道電路為研究背景，在長春輕軌現(xiàn)場參數(shù)配置的基礎上，通過對軌道電路調(diào)諧單元進行分析，為合理配置傳輸通道中器材參數(shù)提供依據(jù)，并為數(shù)軌的最大有效傳輸提供理論基礎。

2 電氣絕緣節(jié)的工作原理

在無絕緣軌道電路中，電氣絕緣節(jié)有多種形式。其中，常用的主要有兩種：S型絕緣節(jié)和UM71絕緣節(jié)。前者主要用在地鐵、輕軌線路上，后者更多地被用在大鐵線路上。S型電氣絕緣節(jié)（簡稱S棒）的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 S棒的等效電路

S棒由兩段鋼軌和一條S型（多股銅絞線）連接線構(gòu)成。圖1中，支路1、2，9、10各為一段鋼軌，支路3、4、5，6、7、8各為S型連接線的一部分，支路0、15分別表示本區(qū)段和鄰區(qū)段軌道四端網(wǎng)的輸入阻抗，支路11、12，13、14分別為調(diào)諧單元到S棒的引線，C16、C18為調(diào)諧電容。

S棒發(fā)送端調(diào)諧槽路主要由支路6、7、8、9、13、14的電感和支路18的電容C18構(gòu)成。支路0的兩端是本區(qū)段輸出，支路15的兩端是鄰區(qū)段輸出。當發(fā)送調(diào)諧槽路處于并聯(lián)諧振時，S棒的輸入阻抗遠遠高于發(fā)送器電源的內(nèi)阻以及信號傳輸電纜的阻抗，從而使發(fā)送器輸出的功率主要加在S棒上，保證本區(qū)段有較高的信號傳輸比。由于鋼軌支路1和S棒支路7緊密接觸鋪設，兩支路存在互感，使鄰區(qū)段輸出降低，保證S棒發(fā)送端有很好的隔離性能。

S棒接收端調(diào)諧槽路主要由支路2、3、4、5、11、12的電感及支路16的電容C16構(gòu)成。同一區(qū)段內(nèi)接收端、發(fā)送端調(diào)諧槽路的參數(shù)相同。當接收調(diào)諧槽路處于諧振時，接收端有較高的輸入阻抗，保證信號的高效接收。同理，由于鋼軌支路10和S棒支路4緊密接觸鋪設，兩支路同樣存在互感，使接收端鄰區(qū)段輸出電壓降低，保證S棒接收端有很好的隔離性能。

由于引線11和引線12緊密捆綁在一起，兩者間的互感應予考慮，互感會減少引線對調(diào)諧槽路的影響。同樣也要考慮引線13和引線14的互感。

3 調(diào)諧單元的諧振分析

調(diào)諧單元結(jié)構(gòu)和等效電路如圖2、圖3所示。對圖3進行簡化，如圖4所示。

圖2 調(diào)諧單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 調(diào)諧單元等效電路圖

圖4 簡化電路圖

3.1 頻率特性分析

圖3電路發(fā)生并聯(lián)諧振，因此

可得，諧振頻率：

圖4中，由等效變換可得

圖4中的并聯(lián)諧振槽路的頻率特性如下：

根據(jù)上述理論公式，用matlab工具對相鄰軌道電路中心頻率分別為11.5 kHz和13.5 kHz的調(diào)諧單元頻率特性進行模擬仿真，結(jié)果如圖5所示。

數(shù)字無絕緣軌道電路正線軌道電路頻率配置為 9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5 kHz，頻率相差1 kHz。從圖5可以看出，頻率為11.5 kHz和13.5 kHz的相鄰軌道電路調(diào)諧單元的帶寬Bw分別為0.85 kHz和0.859 kHz，均小于1 kHz，說明該軌道電路的調(diào)諧單元具有良好的選頻特性和電氣絕緣性能。

3.2 特性阻抗分析

本文以本區(qū)段頻率為9.5 kHz為例，由實驗所測各部分參數(shù)數(shù)據(jù)帶入matlab程序中，分析結(jié)果如圖6所示。

在現(xiàn)場中，調(diào)諧單元與S棒間距離并非絕對相同，若調(diào)諧單元與S棒相距較遠，鋼軌接續(xù)線較長，相應的R1與L發(fā)生變化。在頻率較大時，感抗的影響比電阻的影響更大。等效電路如圖7所示。

圖5 調(diào)諧單元頻率特性（鄰線頻率分別為11.5 kHz和13.5 kHz）

圖6 阻抗-頻率變化曲線圖

圖7 延長鋼軌接續(xù)線等效電路圖

此處在L處再串聯(lián)一個小電感L1為1 μH模擬該情形，用matlab進行分析，阻抗隨頻率的變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 延長鋼軌接續(xù)線阻抗-頻率變化曲線圖

圖8與圖6比較可知，諧振點由9.5 kHz變?yōu)?.2 kHz。

在采用新調(diào)諧單元中，工藝發(fā)生變化，加長了調(diào)諧電容的引線長度。相應的R2發(fā)生變化，并有感抗出現(xiàn)。在頻率較大時，感抗的影響比電阻的影響更大。等效電路如圖9所示。

圖9 延長電容引線等效電路圖

此處在C的分支再串聯(lián)一個小電感L2為1μH模擬該情形，用matlab進行分析，阻抗隨頻率的變化規(guī)律如圖10所示。

從圖10可知，諧振點為9.2 kHz，與加長引接線長度對調(diào)諧單元的阻抗影響類似。

圖1O 延長電容引線阻抗-頻率變化曲線圖

由此可知，現(xiàn)場實際安裝和工藝變化可能造成調(diào)諧單元的諧振點發(fā)生變化，因此現(xiàn)場安裝情況改變預期時，必須進行分析驗證，必要時重新設置電氣參數(shù)。

4 結(jié)語

通過對數(shù)字無絕緣軌道電路的軌旁調(diào)諧單元的頻率特性和特性阻抗進行分析，可以看出，數(shù)字無絕緣軌道電路具有較好的絕緣特性，相鄰軌道區(qū)段相互影響較?。徽{(diào)諧單元的各部分參數(shù)變化均會對諧振產(chǎn)生影響。本文為調(diào)諧單元的諧振分析提供一種方法，對軌道電路的分析及指導軌道電路的調(diào)整具有現(xiàn)實意義。

［1］鄒雷濱，李曉月，王厲珘.數(shù)字編碼制式無絕緣軌道電路調(diào)諧單元探析［J］.城市軌道交通研究，2006，9（5）：43-45.

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［3］毛廣智，解學書.S型電氣絕緣節(jié)的建模與分析［J］.清華大學學報（自然科學版），2004，44（10）：1364-1367.

［4］毛廣智，解學書.S型電氣絕緣節(jié)的建模與仿真［J］.鐵道學報，2004，26（1）：45-48.

The paper introduces the principle of S-shaped electrical insulated joints in digital jointless track circuit， and analyzes the frequency characteristics and characteristic impedance of the tuning unit. It explains good frequency selecting characteristics of the tuning unit， and illustrates the impact of changing electrical parameters of the tuning unit.

digital jointless track circuit； tuning unit； frequency characteristics； characteristic impedance

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.06.026

2013-02-04）