25 Hz相敏軌道電路自適應(yīng)穩(wěn)壓裝置設(shè)計(jì)

張偉林，董有福，孫永軍，張 鵬，劉建磊

（1.山東高速軌道交通集團(tuán)有限公司益羊鐵路管理處，山東壽光 262700；2.山東交通學(xué)院軌道交通學(xué)院，濟(jì)南 250357）

作為重要的鐵路信號(hào)設(shè)備，軌道電路一個(gè)重要的作用是檢測(cè)軌道區(qū)段是否有列車(chē)占用。97 型25 Hz 相敏軌道電路采用交流25 Hz 電源連續(xù)供電，受端采用交流二元二位軌道繼電器，具有更高的可靠性。97 型25 Hz 相敏軌道電路不僅可用于交流電氣化區(qū)段，也可用于非電氣化區(qū)段。因此，該類軌道電路是目前站內(nèi)最常用的軌道電路制式。

1 存在問(wèn)題

當(dāng)97 型25 Hz 相敏軌道電路應(yīng)用于貨物專用線時(shí)，散落于道床的貨物如煤炭、礦石會(huì)嚴(yán)重污染道床。從而對(duì)該類軌道電路造成嚴(yán)重的影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一次調(diào)整。

雨雪天時(shí)，污染嚴(yán)重的道床泄漏會(huì)出現(xiàn)“紅光帶”故障。為解決該問(wèn)題，工作人員需要到室外調(diào)高該區(qū)段送電端軌道變壓器Ⅱ次側(cè)電壓。晴天時(shí)，道床泄漏情況改善，為避免“分路不良”，工作人員需要把已調(diào)高的該區(qū)段送電端軌道變壓器Ⅱ次側(cè)電壓調(diào)低。惡劣天氣（雨雪天）時(shí)，送電端軌道變壓器Ⅱ次側(cè)電壓調(diào)高，晴天時(shí)再將送電端軌道變壓器Ⅱ次側(cè)電壓調(diào)低。這不僅會(huì)嚴(yán)重降低運(yùn)輸效率，也會(huì)大大增加工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

另外，由于不同現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境(軌道長(zhǎng)度、電纜長(zhǎng)度、道床污染程度)，會(huì)對(duì)二元二位繼電器軌道電壓幅值有較大影響。即當(dāng)送電端軌道變壓器Ⅱ次側(cè)電壓固定時(shí)，不同的軌道電路和電纜長(zhǎng)度，以及道床污染程度，其對(duì)應(yīng)的二元二位繼電器軌道電壓幅值也有較大不同。

2 電路原理

針對(duì)道床泄漏對(duì)25 Hz 相敏軌道電路的影響，本文設(shè)計(jì)了自適應(yīng)穩(wěn)壓裝置，其電路原理如圖1 所示，主要包含整流濾波電路、智能電壓比較電路和執(zhí)行電路。

圖1 自適應(yīng)穩(wěn)壓裝置電路圖Fig.1 Circuit diagram of self-adaptive voltage stabilizing device

二元二位繼電器兩端的交流電壓經(jīng)整流濾波電壓處理后輸入智能電壓比較電路；智能電壓比較電路的輸出驅(qū)動(dòng)三極管的導(dǎo)通與截止；三極管的導(dǎo)通與截止進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)繼電器吸合或斷開(kāi)；繼電器吸合減少與穩(wěn)壓管串聯(lián)電阻的阻值，從而減少串聯(lián)電阻的分壓量。繼電器斷開(kāi)增加與穩(wěn)壓管串聯(lián)電阻的阻值，增加串聯(lián)電阻的分壓量，從而自適應(yīng)性地保證穩(wěn)壓管兩端電壓的一致性。

整流濾波電路主要包括整流電路、電容濾波電路和取樣電位器。取樣電位器與電容濾波器并聯(lián)，其作用為：25 Hz 相敏軌道電路調(diào)整狀態(tài)下，無(wú)論二元二位繼電器兩端的電壓如何變化，通過(guò)取樣電位器分壓值，可有效驅(qū)動(dòng)智能比較電路。

智能電壓比較電路由滯回電壓比較器、AC-DC電源模塊、基準(zhǔn)電壓電路組成。AC-DC 電源模塊將二元二位繼電器110 V 的局部電壓轉(zhuǎn)換為12 V直流電壓，為滯回電壓比較器中的運(yùn)放單元和執(zhí)行電路中的繼電器供電；通過(guò)設(shè)定電阻R2、電阻R3、電阻R4和電阻R5的值可獲取滯回比較器電路的兩個(gè)最佳閾值電壓。

執(zhí)行電路包括三級(jí)管、繼電器、穩(wěn)壓二級(jí)管和電阻，以實(shí)現(xiàn)二元二位繼電器自適應(yīng)穩(wěn)壓。兩個(gè)穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)，且每個(gè)穩(wěn)壓二極管與兩個(gè)并聯(lián)的電阻串聯(lián)；其中一個(gè)電阻與繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)相連；當(dāng)繼電器吸合時(shí)，使較小的電阻值與穩(wěn)壓二極管串聯(lián)；當(dāng)繼電器斷開(kāi)時(shí)，使較大的電阻值與穩(wěn)壓二極管串聯(lián)。

防護(hù)盒是受電端中與二元二位繼電器連接最近的設(shè)備且其安裝在室內(nèi)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)條件發(fā)生變化時(shí)，受電端的軌面電壓會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致防護(hù)盒兩端的電壓也會(huì)發(fā)生改變。為減少外加電路對(duì)25 Hz 相敏軌道電路電氣特性參數(shù)的影響，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)穩(wěn)壓，自適應(yīng)穩(wěn)壓裝置安裝在97 型25 Hz 相敏軌道電路受電端室內(nèi)電路中的防護(hù)盒與二元二位繼電器之間，安裝位置如圖2 所示。

基于自適應(yīng)穩(wěn)壓電路原理可知，其具有以下特點(diǎn)：

1）符合故障導(dǎo)向安全原則。當(dāng)電壓處理電路和比較電路一個(gè)故障或同時(shí)故障時(shí)，穩(wěn)壓電路也可正常工作，保障了行車(chē)安全；穩(wěn)壓電路只有兩種故障形式，短路或斷路，但無(wú)論是短路故障還是斷路故障，二元二位繼電器都會(huì)失磁落下，導(dǎo)向安全側(cè)；

圖2 自適應(yīng)穩(wěn)壓裝置安裝位置Fig.2 Installation position of self-adaptive voltage stabilizing device

2）具有自適應(yīng)性。當(dāng)二元二位繼電器軌道電壓幅值較大時(shí)，執(zhí)行電路中的三級(jí)管導(dǎo)通；當(dāng)二元二位繼電器軌道電壓幅值較小時(shí)，執(zhí)行電路中的三級(jí)管截止。三級(jí)管導(dǎo)通使繼電器吸合，截止使繼電器落下。繼電器吸合，使得執(zhí)行電路中的電阻R7與穩(wěn)壓二級(jí)管串聯(lián)共同起穩(wěn)壓作用，電阻R7起到更大的分壓作用；繼電器落下，使得執(zhí)行電路中的電阻R7與電阻R8并聯(lián)后，再與穩(wěn)壓二級(jí)管串聯(lián)共同起作用。電阻R7與R8并聯(lián)后，總阻值變小，起到的分壓作用也變小。因此，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)情況發(fā)生變化時(shí)，自適應(yīng)穩(wěn)壓裝置可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的調(diào)整以保證所需穩(wěn)壓值的穩(wěn)定性；

3)不影響相位和聯(lián)鎖關(guān)系。本文提出的自適應(yīng)穩(wěn)壓電路只對(duì)二元二位繼電器軌道電壓的幅值進(jìn)行穩(wěn)定，并不改變其相位，更不影響聯(lián)鎖關(guān)系。

3 應(yīng)用場(chǎng)景分析

在最有利條件下，獲取能保證正常分路的送電端軌道變壓器Ⅱ次側(cè)最高電壓，假設(shè)為Vmax;在最不利條件下，獲取能有效消除道床泄漏影響（消除紅光帶故障）的送電端軌道變壓器Ⅱ次側(cè)最低電壓，假設(shè)為Vmin。

1）當(dāng)Vmin高于Vmax時(shí)

為保證正常分路和保障行車(chē)安全，送電端軌道變壓器Ⅱ次側(cè)最高電壓只能調(diào)整為Vmax。因此，在最不利條件下道床泄漏非常嚴(yán)重（Vmin高于Vmax）時(shí)，本裝置只能在一定程度上解決道床泄漏問(wèn)題。Vmin與Vmax的差值越小，能有效解決道床泄漏的程度越大；反之既然。

2）當(dāng)Vmin低于或等于Vmax時(shí)

在最有利情況下，送電端軌道變壓器Ⅱ次側(cè)最高電壓調(diào)整為Vmax并固定，可以保證有效分路。另外，繼電器兩端接有穩(wěn)壓裝置可以保證繼電器兩端電壓在正常范圍內(nèi)。在最不利情況下（道床泄漏時(shí)），因?yàn)閂min低于或等于Vmax。送電端軌道變壓器Ⅱ次側(cè)最高電壓調(diào)整為Vmax時(shí)可以完全解決道床泄漏問(wèn)題，從而消除紅光帶故障。

綜合以上分析，自適應(yīng)穩(wěn)壓裝置并不能解決任何情況下的道床泄漏問(wèn)題。對(duì)于泄漏非常嚴(yán)重的區(qū)段（Vmin高于Vmax），本裝置只能在一定程度上解決該問(wèn)題。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

山東高速軌道交通集團(tuán)有限公司益羊鐵路管理處管內(nèi)的晨鳴站對(duì)該裝置進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試區(qū)段為非電氣化區(qū)段，長(zhǎng)度1 100 m，二元二位繼電器的電壓范圍為16 ～27 V。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)條件和繼電器的電壓范圍，確定穩(wěn)壓裝置的穩(wěn)壓值為18 V。通常該區(qū)段送電端軌道變壓器Ⅱ次側(cè)電壓為1.76 V，二元二位繼電器兩端電壓為25 V（因道床泄漏較嚴(yán)重，雨雪天氣時(shí)容易出現(xiàn)紅光帶）。該區(qū)段送電端軌道變壓器Ⅱ次側(cè)電壓為2.84 V 時(shí)，在最有利條件下也能有效分路。當(dāng)該電壓大于2.84 V 時(shí)，在最有利情況下不能保證有效分路。因此，為盡可能降低道床泄漏的影響，該區(qū)段送電端軌道變壓器Ⅱ次側(cè)電壓調(diào)整為2.84 V。當(dāng)不增設(shè)自適應(yīng)穩(wěn)壓裝置時(shí)，繼電器兩端電壓為35 V，超出了電壓范圍。增設(shè)自適應(yīng)穩(wěn)壓裝置后，繼電器兩端的電壓穩(wěn)定在18 V，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 穩(wěn)壓結(jié)果圖Fig.3 Voltage stability result

加裝自適應(yīng)穩(wěn)壓電路后，軌道電壓與局部電壓的相位比較結(jié)果如圖4 所示（黃線為軌道電壓、藍(lán)線為局部電壓）。從圖4 可以看出，兩者的相位差符合規(guī)定。這說(shuō)明自適應(yīng)穩(wěn)壓電路對(duì)相位沒(méi)有影響。

圖4 軌道電壓與局部電壓的相位比較結(jié)果Fig.4 The phase comparison results of track voltage and local voltage

5 總結(jié)

25 Hz 相敏軌道電路自適應(yīng)穩(wěn)壓裝置能在一定程度上解決道床泄漏對(duì)25 Hz 相敏軌道電路的影響問(wèn)題，即在消除“紅光帶”故障的同時(shí)，避免了分路不良。從而有效提高了運(yùn)輸效率和降低一線工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。該裝置對(duì)于廠礦企業(yè)專用線而言具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。