微电子相敏轨道电路对绝缘破损的防护

刘 锋

(深圳地铁 3号线投资公司,518000,深圳∥工程师)

1 轨道电路绝缘的构成和分析

1.1 轨道电路绝缘结构的构成

如图1所示,相邻轨道电路绝缘结构主要由夹板绝缘、轨端绝缘、钢轨轨端和夹板等组成。

1.2 轨道电路绝缘等效二端网络分析

在夹板和钢轨之间的轨道电路绝缘呈电容和电导性,可以把每2块金属和其间的绝缘视为1个电容电导二端网络。这样,如图1所示的一套轨道电路绝缘系统就可以等效为如图2所示的多元件网络。

图1 相邻轨道电路绝缘结构示意图

图2 相邻轨道电路绝缘等效电容电导二端网络图

正常情况下,对电容、电导、电纳和阻抗均可用数学模型描述,进而对电压、电流进行分析,以指导测试工作。由上述电容电导二端网络的数学分析可得:

式中:

Z——轨道电路绝缘等效阻抗模值;

ρ——轨道电路绝缘电阻率;

l——轨道电路绝缘金属件之间的距离;

s——轨道电路绝缘金属件的面积;

α——轨道电路绝缘电介质的介电常数;

ω——轨道电路电源角频率。

假定漏电流 IL的方向和相应电压U1、U2、U3的方向如图2所示,根据欧姆定律可得:

式(2)是指导实际测试工作的基本关系式,与实际工作中测试的大量数据基本相符。在理想状态下,U2/U3=1;当绝缘破损时,Z=0,U=0。如果U1=0,则说明轨端绝缘破损,或者是U2和U3处的绝缘同时破损。如果U 1≠0,则会有U 1=U 2+U 3。若U2=0,表明U 2处绝缘破损 ;若U 2≠0,则U 3处绝缘破损。当发生短路性破损时,轨道电路绝缘的漏电电流远远大于流向指定受电端的电流,造成“红光带”,会给正常行车作业带来影响。因此,有必要对轨道电路绝缘的破损进行防护。

2 传统轨道电路对绝缘破损的防护

普通使用的JZXC-480型轨道电路是采用极性交叉的方法对轨道绝缘破损进行防护。如图3所示,和是两个相邻的JZXC-480型轨道电路,它们之间没有实现极性交叉的配置。当区段有车占用,在轨端绝缘破损的情况下,流经(轨道继电器)的电流等于两个轨道电源所供电流之和,因此有可能继续保持在吸起状态。这对行车安全来说是非常危险的。若按极性交叉来配置,在绝缘破损时,中的电流就是两者之差,只要调整得当和继电器都会落下,从而达到故障-安全的目的。

图3 JZXC-480型轨道电路示意图

很多测试结果表明,JZXC-480型轨道电路防护钢轨绝缘破损的性能很差,只有当无车占用且相邻轨道电路的电压平衡时,其防护才能起到一定的作用。实际上,由于相邻轨道电路的长度、道砟电阻值、钢轨阻抗、电源电压波动等的差别,使供电电压相差很大,特别在“一送多受”式轨道电路中尤为明显。因此,在普遍存在轨面电压不平衡的情况下,虽有电源极性交叉,也起不到轨道绝缘破损防护的作用。这是JZXC-480型轨道电路无法解决的问题。

3 50 Hz相敏轨道电路对绝缘的防护

3.1 50 Hz相敏轨道电路原理简介

如图4所示,单轨条50 Hz微电子相敏轨道电路是利用一根钢轨作为牵引回流线,它是一种具有频率和相位选择特性的新型轨道电路。频率选择特性可保证微电子接收器在接收到直流牵引电流干扰时,不会使轨道继电器错误动作;只有在局部电源端加上50交流电压,同时又接收到由钢轨传来的50轨道信息,且相位合适时,微电子接收器才能正常工作。

图4 单轨条50 Hz相敏轨道电路原理图

3.2 微电子接收器原理分析

WXJ50型微电子相敏轨道电路接收器是由以单片机为主的乘法器、积分器,及故障-安全输入、动态输出电路等所构成。其结构原理如图5所示,分别用鉴压、鉴频、鉴相电路来完成对轨道电路的电压、频率、相位的鉴别。

图5 微电子相敏轨道电路接收器原理图

轨道电压先经电容C1隔除直流牵引电流,然后送入鉴压电路鉴别轨道电压是否在合适范围(如16～24 V),并由鉴压电路驱动其光电耦合器的输出;鉴频电路鉴别轨道频率是否在合适范围(如f=50 Hz),驱动其光电耦合器导通;鉴相电路鉴别轨道相位是否正确,驱动其光电耦合器导通 。只有、、、4个光电耦合器的输出端串联都同时导通时,才使轨道光电耦合器输出导通,轨道继电器吸起,给出轨道空闲的表示。

3.3 鉴相电路分析

如图6所示,由于局部电流的相位θ2超前轨道电流的相位θ1达90°,2个电流同时输入到混频器后,输出的电流相位为 θe=θ1-θ2=90°;Ud(t)=Udsinθe是幅值恒定的直流电,经低通滤波(LF)后可使光电耦合器J X的输出端导通。当轨道电路的电流没有输入时,θe=θ2,Ud(t)=Udsinθe,是与局部电流同频同相的交流电;当轨道电路的电流输入相位与局部电流的相位不符时,Ud(t)也是交流电。因此,U d(t)都不能通过LF,光电耦合器J X不能导通。

图6 鉴相电路示意图

微电子接收器局部电源为交流110 V,50 Hz;轨道电路送电电源为220 V,50 Hz。2种电源应由同一个电源屏供出。为了保证局部电源与轨道电源相位差为90°,应按图4中的连接方式构成轨道电路。即微电子接收器的73、83端子分别接轨道输入的正极和负极,51、61端子分别接局部电源的正极和负极。在调整轨道电路前,对标有同名端的设备应按设计图检查是否符合相位要求。

4 结语

综上所述,单轨条50 Hz微电子相敏轨道电路利用相位鉴别特性,很好地解决了轨道绝缘破损时因两侧电压不平衡而不能实现故障-安全的问题。在城市轨道交通大力发展的今天,单轨条50 Hz微电子相敏轨道电路已大量应用于车辆段、停车场甚至正线中,为行车安全提供了必要的保障。

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