功出侧并入补偿电感对ZPW-2000A轨道电路传输性能提升分析

张开锋

(中国铁路武汉局集团有限公司信阳建设指挥部，河南信阳 464000)

1 概述

ZPW-2000A轨道电路是国内目前应用广泛的铁路信号系统，其安全可靠性一直是该领域研发人员普遍关注的问题。随着国内轨道交通的迅速发展，轨道电路传输距离不断增大，发送器作为轨道电路关键单元，对其带载能力提出了更高要求。目前发送器普遍存在使用功率较高导致发热严重，存在着潜在的安全可靠性降低的风险。鉴于发送器在轨道电路中的关键作用，有必要寻找方法在保证轨道电路正常工作的情况下有效降低使用功率，从而降低发送器功耗，进而延长其使用寿命，全面提升轨道电路安全可靠性。

基于此，本文提出在轨道电路发送端并入电感的方法改善发送器负载阻抗特性，并在搭建轨道电路传输模型的基础上利用轨道电路传输计算的方法探索并入电感值与发送端电气参数的函数关系，确定最优并入电感值。经现场试验论证，确实可有效降低发送器使用功率，该研究具有十分重要的工程应用价值。

2 过程及方法

本文主要是在搭建轨道电路传输模型的基础上，采用轨道电路传输计算的方法，研究发送端并联电感对ZPW-2000A轨道电路发送端输入阻抗及电气参数的影响规律，并优化并联电感值，降低轨道电路发送器功率。

如图1所示，该传输系统包括钢轨侧阻抗、匹配变压器、模拟网络盘+实际电缆、防雷变压器、并联电感及发送器，其中模拟网络盘用于模拟实际电缆，对其进行距离补偿。依据该传输系统，采用轨道电路传输计算的方法计算不同并联电感值对轨道电路发送端输入阻抗、电压、电流及功率值。

具体计算过程如下。

1) 匹配变压器输入阻抗Rpt

匹配变压器变比为NPT，根据钢轨侧阻抗Rr（Rr为钢轨轨面输入等效阻抗，取1.3 Ω）及变压器特性，求得匹配变压器输入阻抗为RPT=(NPT)2×Rr。

图1 ZPW-2000A轨道电路发送端传输系示意图Fig.1 Schematic diagram for transmission of sending end of ZPW-2000A track circuit

2) 模拟网络盘+电缆端输入阻抗ZSPT

模拟网络盘电气参数与SPT电缆一致，计算过程中按照SPT电缆电气参数计算，已知SPT电缆RSPT，LSPT，CSPT，GSPT等参数及载频f，电缆长度Ld，根据传输线原理：

SPT电缆传输常数

θ=可 知SPT电缆输入阻抗ZSPT为：

3) 防雷变压器输入阻抗ZFL

轨道电路中防雷变压器变比为NFL，按照变压器特性，计算防雷变压器输入阻抗ZFL为：

ZFL=(NFL)2×ZSPT

4) 并入电感后发送端输入阻抗，ZL

ZL=1/(1/ZFL+1/jωLP)，其中LP为并入电感值。

5) 发送器输出功率P

选取发送器电平级1，确定发送器电压U，则：

则发送器输出功率P=U×I。

通过上述步骤，每隔1 mH，依次计算并入电感值在1～200 mH范围的发送端输入阻抗、电压、电流及功率，研究并入电感值对轨道电路输入端电气参数的影响规律，并确定最优电感值在确保轨道电路正常使用的情况下降低发送器使用功率。

3 结果与讨论

并联电感值对ZPW-2000A轨道电路发送端输入阻抗的影响规律如图2所示，其中图2(a)为并联电感值对轨道电路发送端输入阻抗模值的影响规律。由图可见，随着并入电感值的增大，在不同载频下轨道电路发送端输入阻抗模值呈现先增大后减小的规律。进一步发现随着载频频率的增大，输入阻抗模值最 值逐渐增大，最值对应的并入电感值则逐渐减小。图2(b)为并入电感值对轨道电路输入阻抗相位角的影响。可见随着并入电感值的增大，输入阻抗相位角由正值逐渐减小至负值，表明并入电感对轨道电路起到补偿效果。

图2 电感值对ZPW-2000A轨道电路发送端输入阻抗的影响规律Fig.2 The influence for inductance value on input impedance of transmitting terminal of ZPW-2000A track circuit transmitter

并入电感值对轨道电路发送端电气参数的影响规律如图3所示。图3(a)为并入电感值对轨道电路发送端电压模值的影响，可见随着并入电感值的增加，发送端电压模值先快速增加，后趋于平缓增加。图3(b)为并入电感值对发送端电流模值的影响。发送端电流模值随并入电感值的增加迅速降低后趋于平缓。另外可以发现，随着载频的增加，发送端电流模值的最低值逐渐降低，最低值对应的并入电感值也逐渐减低。

图3 电感值对ZPW-2000A轨道电路发送端电气参数的影响规律Fig.3 The influence for inductance value on electrical parameters of sending end of ZPW-2000A track circuit

并入电感值对轨道电路发送端视在功率的影响规律如图4所示。可见轨道电路发送端视在功率随并入电感值的增加先降低后缓慢增加，在不同载频时出现最低功率值，且随着载频的增加，最低功率值逐渐降低，最低功率值对应的并入电感值也逐渐降低。当载频为1 700 Hz，并入电感值为98 mH时存在最低视在功率为57.11 W；当载频为2 000 Hz，并入电感值为67 mH时存在最低视在功率为55.59 W；当载频在2 300 Hz，最低功率为54.89 W，此时并入电感值为50 mH；当载频在2 600 Hz，最低视在功率为54.39 W，此时并入电感值为34 mH。

并入电感后轨道电路发送端功出电压及视在功率随电缆长度的变化如图5所示，可知，随电缆长度的增加，轨道电路发送端功出电压出现先降低后增加的趋势，而视在功率则出现先增大后减小的规律。

图4 电感值对ZPW-2000A轨道电路发送端视在功率的影响规律Fig.4 The influence for inductance value on apparent power of sending end of ZPW-2000A track circuit

图5 并入电感后电缆长度对ZPW-2000A轨道电路发送端功出电压及视在功率的影响Fig.5 The influence for cable length on power output voltage and apparent power of sending end of ZPW-2000A track circuit after the inductance is incorporated

并入44 mH电感及未并入电感时功出电压及视在功率对比结果如表1所示，当并入电感后发送器功出电压降低较小，不易引起钢轨轨面电压大幅降低。同时可见并入电感后发送器视在功率大幅降低，当载频为2 600 Hz时视在功率降低最大，为37.8%；当载频为1 700 Hz时视在功率降低最小，为-13.4%，可见并入电感可有效降低发送器功率，具有积极效果。

表1 并入电感及未并入电感时功出电压及视在功率对比Tab.1 The comparison between power output voltage and apparent power with and without inductance

4 故障—安全分析

从图3（a）可知，选取不同载频最优电感，当电感失效感值下降时，功出电压逐渐降低。由此轨面电压降低，轨出电压同比例降低，符合“故障导向安全”原则。

当电感断线时，功出电压最大上升5%，轨出电压最高上升不超过5%，系统上可以容忍。亦可后续在电感上加上电流传感器监测，判断是否存在断线或者电感值下降的问题。

5 结论

本文在搭建ZPW-2000A轨道电路模型的基础上，利用轨道电路传输计算方法，优选可有效降低发送器功率的并入电感值，仿真与实验室试验结果吻合。主要结论如下。

1）因信号电缆长度超过一定值时，从功出侧往室外侧看，输入阻抗将呈现明显容性，并入电感值后，输入阻抗将趋向阻性，且输入阻抗模值增大，相角减小，优化了传输通道。

2）通过在发送器功出侧并入一定的电感值，轨道电路发送器视在功率最大降低37.8%左右，大大降低了发送器的功率，降低了发送器的发热，提升了发送器的使用寿命。

3）后续考虑对并联电感的方案进行工程化改进，对ZPW-2000A现场工程应用定会产生较大的优化提升。