长距离传输的交叉环线的优化

李 华

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

1 交叉环线的应用

“计轴+交叉环线”以计轴设备代替区间轨道电路，实现闭塞分区空闲与占用的检查，以环线代替钢轨向机车传递机车信号信息，主要特点如下。

1）不受道床电阻变化影响，受线路条件制约小。

2）不需在钢轨上加装绝缘节，不受轨距秆绝缘节破损影响，安装简单方便。

3）不受电气化干扰，适用于电化、非电化区段。

2003年9月和2004年4月在京广线“计轴+ZPW-2000A交叉环线”“菠萝坑—连江口”和“张滩—土岭”成功开通投入运用。环线系统中主要设备为发送器、室内环线防雷匹配单元、模拟网络、室外环线防雷匹配单元（LFW）、室外环线互感器单元（DB1）、环线检测继电器、电缆。系统构成如图1所示。

该交叉环线大小环共用一台发送器，电缆长度最大为7 km，大环1 200 m，小环300 m。

2 针对长距离传输的需求

后续工程陆续出现了长大隧道，例如兰武二线的乌鞘岭隧道站间距为27.9 km，隧道长20.5 km，需要考虑最长传输电缆为15 km。针对具体工程需求和前期运用的经验，可按照以下原则进行研究。

1）12 km以下电缆时，1 500 m以内的闭塞分区，将环线等分为大小环2段，大环1 200 m，小环300 m；12～15 km电缆时，最长750 m，根据需要分割。

2）合理调整设备参数，做到现场使用调整方便，有足够的运用余量。

3）在不进行大功率发送设备开发条件下，消除发送过热现象，降低信号源的故障。

4）在菠萝坑—连江口和张滩—土岭运用基础上，对系统提出计算和试验依据，使系统的合理性得以确认。

5）为了减少设备发热情况，原则上按3级电平及以下设计，并为运用调整留有余量。

3 功率消耗因素的分析与优化

在波萝坑—连江口的环线设置中已经使用了2级电平，甚至在个别1 700 Hz的区段采用了1级电平，从单纯提高发送器输出角度已经不能满足长距离传输要求，必须从系统级考虑，重新考虑功率分配和传输优化。

传输通道中包括：带2个输出端的变压器、电缆模拟、电缆、匹配变压器、环线和电流互感器。下面基于乌鞘岭交叉环线的应用对功率优化的方式进行分析。

1）环线的补偿

乌鞘岭隧道采用无碴道床，轨枕板内钢筋未做绝缘处理。因此，轨枕板内的钢筋网构成闭合回路。环线回路就像变压器的一次线圈，而这些钢筋网闭合回路成为二次短路线圈，形成二次电流，也就是说，无碴轨枕板内的金属闭合网格成为环线附加负载，从环线吸收和消耗能量，增加环线的衰耗。因此首先要测量隧道内环线阻抗，做为计算依据。经现场测量，环线阻抗参数如表1所示。

表1 环线阻抗测试数据

与大瑶山连江口-菠萝坑环线相比，环线导线截面积由2.0 mm2加粗为3.7 mm2，截面增加0.85倍，但环线2 600 Hz每公里的电阻却由18 Ω增加为22.78 Ω，上述所提到情况，是每公里环线电阻增加的原因之一。

以2 600 Hz为例，为了形成600 mA电流，需要功率为p=I2×Z环线=0.36×51.19=18.4 W，由于环线阻抗为感抗性质，为了降低无功损耗，考虑在环线电缆入口并联电容以实现补偿，按照环线电感为2.806 mH/km选取，谐振点选择在2 600 Hz，C=1/W2/L=1.34 uF。按照1.34 uF补偿后，入口阻抗升高为91.6029-46.3168i，模值为102.6 Ω，此时为了在环线上得到600 mA电流，在入口上消耗的总功率为9.19 W。通过在环线入口处并联电容进行补偿，降低了环线所需要功率。

2）电缆补偿

环线至信号楼，电缆最长按15 km考虑。电缆超长，大大增加信号的传输衰耗。

根据电缆的一次参数，求其传输固有衰耗。其公式为：

其中：

γ：电缆传输每公里的传播常数；

β：电缆传输每公里的固有相移；

α：电缆传输每公里的固有衰耗；

R、L、G、C：均为电缆的一次参数，分别按照45 Ω/km、825 uH/km、10-10S/km、28 nF/km。

按上述公式和电缆一次参数计算，15 km电缆的固有衰耗为：

其中：

P受：电缆的负载接收功率，即环线经过电缆，从发送器得到的功率；

P送：发送器发送功率，该功率经电缆向环线传输,发送器输出功率按90 VA考虑。

以上计算是一个粗的估算，从中可以看到15 km电缆的衰耗非常大，发送器发出的功率，绝大部分都消耗在电缆上，如果不采取必要措施，环线得到的功率很小，环线长度也就很短，只有0.354 km。用这个方法去估算大瑶山连江口-菠萝坑段环线长度，电缆长8 km时，环线长度也就在1.2 km左右，实际情况和此估算差不太多。为了能够降低电缆损耗，在电缆的始端和终端串入电感进行补偿。

3）发送器输出功率

由于发送器输出功率有限，电缆衰耗又大，故按一供一考虑，即大、小环线各用一台发送器。电平级不高于三级，功出电流限制在0.6 A左右。

4）取消模拟网络

在ZPW-2000A轨道电路中，为了达到各位置配置一致，采用电缆模拟网络补齐至一特定长度，在最初的环线系统设计中也采用了该方式，但是在长大隧道的应用环境下，功率的限制成为关键，因此为了在电缆长度较短的区段能够节约该消耗，且室外不存在列车分路时的负载变化，因此取消模拟网络。

5）室外增加可调整的匹配环节

在原系统中，由于电缆模拟到固定长度，因此通道阻抗固定，在取消了模拟网络后，需要在室外的调整变压器上进行绕组调整，以达到不同环线长度对各种电缆长度的阻抗匹配。

根据上述分析，能够从如下几个方面对环线系统进行改进。

①每段环线独立设置1套发送器。

②取消原有室内1托2变压器，以减少附加功耗。

③取消“电缆模拟网络”。

④在室内外增加电感对电缆的无功损耗进行补偿。

⑤环线调整变压器采用多种绕组输出，以进行匹配调整。

⑥提高环线线径，减少环线环阻。

⑦对环线阻抗进行并联补偿，提高环线入口阻抗，降低环线的无功损耗。

系统构成，如图2所示。

4 计算验证

1）理论计算

室外变压器变比为2；

并联补偿电容为2 μF。

电缆参数取值执行电缆标准。

计算结果如表2、表3所示。

①无任何补偿措施，2 600 Hz信号条件下。

表2 无补偿措施条件下的环线分析

②采取补偿措施。

增加电平级及优选补偿配置还能进一步提高传输长度。

表3 增加补偿措施后的环线分析

5 总结

不管是在轨道电路还是交叉环线，进行通道的补偿已经是一个应用广泛的手段，且ZPW-2000A无绝缘轨道电路对钢轨的容性补偿更得到了对调整、分路、机车信号、断轨检查等全面性能的提升。本文仅举例说明，在环线系统中对通道进行功率补偿减少衰耗的可行性，针对该系统仍能够通过进行更为合理的配置选取提高传输性能。

[1]张冠莹．信号传输原理［M］．ZPW-2000A无绝缘自动闭塞系统培训教材．北京：中国铁道出版社，1989.

[2]傅世善．铁路信号基础知识（第三讲）——闭塞制式的基本概念[J]．铁路通信信号工程技术，2009（4）：64-66.