單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)的電纜距離計(jì)算

王宏亮，蕢凱騰，王禮俊，李金海，謝文斌

（通號萬全信號設(shè)備有限公司，杭州 310000）

1 概述

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,商品流通越發(fā)活躍,樞紐編組站和區(qū)段站作業(yè)能力擴(kuò)大,道岔距信號樓位置也越來越遠(yuǎn)，對應(yīng)的轉(zhuǎn)轍機(jī)控制距離也隨之增大。在鐵路工程建設(shè)中，一般根據(jù)轉(zhuǎn)轍機(jī)與道岔控制柜之間的距離來配置轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制芯線，控制距離增大往往代表著電纜投資成本增加。這點(diǎn)在單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)上表現(xiàn)得更加明顯，單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)的工作電流比直流轉(zhuǎn)轍機(jī)和三相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)要大很多，需要的電纜加芯更多。轉(zhuǎn)轍機(jī)與軌旁柜的距離越長，因加芯過多而增加的電纜成本也就越大；但是控制電纜芯線數(shù)量配置過少又會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)兩端電壓下降，從而使轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)在低電壓狀態(tài)下工作，降低電機(jī)使用壽命，嚴(yán)重的甚至可能威脅行車安全事故。因此恰當(dāng)?shù)男揪€數(shù)量配置不僅能減少轉(zhuǎn)轍機(jī)的使用成本，增加企業(yè)效益，也能一定程度上延長轉(zhuǎn)轍機(jī)的使用壽命，降低故障發(fā)生的可能性。

根據(jù)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)信號手冊》及各類相關(guān)文獻(xiàn)中關(guān)于直流轉(zhuǎn)轍機(jī)以及三相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)電纜距離計(jì)算的研究很多，很少有文獻(xiàn)涉及單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)電纜距離的原理闡述。單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制電路與三相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制電路不同，更加接近直流轉(zhuǎn)轍機(jī)，但單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)在計(jì)算電路壓降時(shí)又與直流轉(zhuǎn)轍機(jī)有很大不同，必須考慮電阻、電容、電感對交流電的影響。

本文結(jié)合直流轉(zhuǎn)轍機(jī)電纜距離計(jì)算一般方法和交流電遠(yuǎn)距離傳輸相關(guān)理論，提供了單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)壓降計(jì)算的一般公式，并提供了配線方案，為轉(zhuǎn)轍機(jī)現(xiàn)場配線提供理論依據(jù)。

2 單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)電纜距離計(jì)算原理

2.1 單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)電路原理

單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)電路如圖1所示，采用四線制控制電路。其中X1、X4組成定位到反位的動(dòng)力回路；X2、X4組成反位到定位的動(dòng)力回路； X1、X3組成定位表示回路；X2、X3組成反位表示回路。X1、X2為去線，X4為公共啟動(dòng)回線，X3為公共表示回線。

圖1 單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)電路Fig.1 Single-phase AC switch machine circuit diagram

2.2 單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)電纜距離計(jì)算方法

由2.1節(jié)內(nèi)容可知，單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)的四線制控制電路中的一條線專做表示用，采用單芯即能滿足要求。動(dòng)作線為3條，即定位動(dòng)作線、反位動(dòng)作線、動(dòng)作共用“回線”。所以在計(jì)算電纜時(shí)可按二線式公式計(jì)算“去線”和“回線”，根據(jù)電纜長度計(jì)算出電纜總芯數(shù)。

轉(zhuǎn)轍機(jī)允許壓降由3部分組成，即去線壓降、回線壓降以及連接線接點(diǎn)壓降。公式如下所示。

其中：

ΔUL—允許電壓降/V；

ΔUQ—去線電壓降/V；

ΔUH—回線電壓降/V；

ΔUJ—連接線接點(diǎn)電壓降/V；

L—電纜芯線長度/m；

τ—電纜單芯每米電阻值/（Ω/m）；

I—電動(dòng)機(jī)動(dòng)作電流/A；

ZQ—去線（X1/X2）芯數(shù)；

ZH—回線(X4)芯數(shù)；

RJ—連接線、端子和接點(diǎn)總電阻/Ω。

單相電路電壓損失計(jì)算公式為：

其中：

ΔU—電壓損失/V；

R0—單位長度有效電阻/(Ω/m），與電纜工作溫度有關(guān)，通過查表獲得；

X0—單位有效電抗/(Ω/m），同上；

cosφ—負(fù)載功率因數(shù)；

sinφ—功率因數(shù)角正弦值，可通過sinφ=sin（arc cosφ）計(jì)算。

將公式（2）～（5）代入公式（1）可得轉(zhuǎn)轍機(jī)允許壓降公式如公式（6）所示：

計(jì)算轉(zhuǎn)轍機(jī)電纜時(shí)采用的數(shù)據(jù)如下：

1）ΔUL=220-U，其中U為轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)的輸入電壓，且160 V≤U≤215.2 V;

2）連接線、端子和接點(diǎn)總電阻阻值按1.6 Ω計(jì)算，即RJ＝1.6 Ω；

3）工作電流I=3 A;

4）信號電纜每米阻值不大于0.0235 Ω，即R0＝0.0235 Ω/m；

5）電纜的電抗值通常由制造廠提供，當(dāng)缺該項(xiàng)技術(shù)數(shù)據(jù)時(shí)，可采用下列數(shù)據(jù)進(jìn)行估算：1 kV電纜X0＝6×10-5Ω/m；

6）對現(xiàn)有電機(jī)進(jìn)行測試，得電機(jī)功率因數(shù)cos φ與電機(jī)輸入電壓U關(guān)系式：

cosφ=1.22-U/350,其中160 V≤U≤215.2 V；

將以上數(shù)據(jù)代入公式（7）后可知，當(dāng)U=160 V時(shí)，電纜控制距離最長，即：

3 單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)加芯方案

本文單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)采用四線制，其中X4為公共啟動(dòng)回線，為節(jié)省投資，通常情況下先對X4線進(jìn)行加芯，再對X1和X2線進(jìn)行加芯；表示線一般情況下不需要加芯。根據(jù)以上原則通過公式（8）可得出單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電纜的加芯方案如表1所示。

表1 單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)加芯方案Tab.1 Single-phase AC switch machine core-adding scheme

4 結(jié)語

本文為單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)電纜距離的計(jì)算及其加芯方案提供了理論依據(jù)，公式（7）可以作為單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)電纜距離計(jì)算的一般公式。但是在計(jì)算過程中的諸多參數(shù)（如單位有效電抗X0，電機(jī)的相關(guān)參數(shù)cosφ，連接線、端子和接點(diǎn)總電阻阻值RJ）并不是一般常數(shù)，轉(zhuǎn)轍機(jī)的壓降受電源質(zhì)量、電纜質(zhì)量、電機(jī)質(zhì)量、施工及接線情況等諸多因素的影響，特別是電機(jī)功率因數(shù)cosφ。相關(guān)技術(shù)工作者在設(shè)計(jì)單相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)電纜距離的時(shí)候可以參考以上計(jì)算方法。