第五章轨道电路与其它列车定位设备铁路信号基础Word格式.docx
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受电端(又称继电器端或终端)的主要设备是轨道电路继电器(
),用它接收轨道信号电流来反映轨道电路的工作状态,电子轨道电路的接收设备一般都采用电子器件,其作用和轨道继电器相同。
送、受电端的设备,都是通过引接线(钢丝绳)接向钢轨的。
两个绝缘节之间的钢轨线路(即从送电端到受电端之间),称为轨道电路的控制区段,也就是轨道电路的长度。
轨道电路的长度要受到轨道电路工作状态的制约,各种类型的轨道电路长度不同。
二、轨道电路的基本原理
最简单的轨道电路的结构形式如图5-2所示。
平时,列车未进入轨道电路,即线路空闲时,电流从轨道电路电源正极→钢轨→轨道继电器→另一股钢轨电源负极,轨道继电器中有电,使继电器保持在吸起状态,接通信号机的绿灯电路,允许列车进入轨道电路,如图5-2(a)所示。
当列车进入轨道电路区段内,即线路被占用时,电流同时流过机车车辆轮对和轨道继电器线圈,由于轮对电阻比轨道继电器线圈电阻小的多,使电源输出电流显著加大,限制电流(限流器)
上的压降随之也增大,送向两根钢轨间的电压降低。
因而流经轨道电路继电器线圈的电流减小到继电器的落下值,使轨道继电器释放衔铁,用继电器的后接点接通信号机的红灯电路,向后续列车发出停车信号,以保证列车在该轨道电路区段内运行的安全,如图5-2(b)所示。
从以上分析可见,轨道电路能否正常工作,直接关系到行车安全和行车效率。
为此对轨道电路提出了几个要求:
(1)当轨道电路无列车占用时,轨道继电器应可靠吸起,保持正常工作;
(2)轨道电路在任何一点被列车占用时,即使只有一根车轴进入轨道电路,轨道继电器的衔铁应可靠落下。
(3)当轨道电路设备发生故障(如钢轨折断、绝缘破损等)时,轨道继电器应立即失磁,使之关闭信号。
(a)
(b)
图5-2轨道电路基本原理图
三、轨道电路的作用
轨道电路的第一个作用是监督列车的占用。
利用轨道电路监督列车在区间或列车和调车车列在站内的占用,是最常用的方法。
由轨道电路反映该段线路是否空闲,为开放信号、建立进路或构成闭塞提供依据,还利用轨道电路的被占用关闭信号,把信号显示与轨道电路是否被占用结合起来。
轨道电路的第二个作用是传递列车信息。
例如移频自动闭塞利用轨道电路中传递不同的频率来反映前行列车的位置,决定各信号机的显示,为列车运行提供行车命令。
轨道电路中传送的行车信息,还为列车运行自动控制系统直接提供控制列车运行所需要的前行列车位置、运行前方信号机状态和线路条件等有关信息,以决定列车运行的目标速度,控制列车在当前运行速度下是否停车或减速。
即轨道电路广泛作为传递行车信息的通道。
四、轨道电路的分类
轨道电路有较多种类,也有多种分类方法。
1.按动作电源分类
轨道电路可分为直流轨道电路和交流轨道电路。
轨道电路电源采用直流,称为直流轨道电路,如图5-3所示。
它用于交流电源不可靠的非电力牵引区段。
采用蓄电池浮充供电方式,交流有电时,由整流器供电;
交流停电时,由蓄电池供电。
该轨道电路电源设备安装较困难,检修不方便,易受迷流影响,现已很少采用。
采用交流供电的轨道电路,称为交流轨道电路。
交流轨道电路的种类很多,频带用得很宽,大体可分为三段:
低频300HZ以下;
音频300~3000HZ;
高频10~40kHZ。
一般交流轨道电路专指工频50HZ的轨道电路。
25HZ和75HZ的轨道电路也属于交流轨道电路,但必须注明电源频率,以示区别。
国产移频轨道电路的频率在495~905HZ,UM71轨道电路的频率在1689~2611HZ,均属音频范围。
道口用轨道电路,频率则在14~40kHZ,属于高频。
图5-3直流轨道电路图5-4开路式轨道电路
2.按工作方式分类
轨道电路可分为开路式轨道电路和闭路式轨道电路。
开路式轨道电路平时呈开路状态,如图5-4所示,它的发送设备和接收设备安装在轨道电路的同一端。
轨道电路无车占用时,不构成回路,其轨道继电器落下。
有车占用时,轨道电路通过车辆轮对构成回路,轨道继电器吸起。
由于轨道继电器经常落下,不能监督轨道电路的完整,遇有断轨或引接线、接续线折断等故障,不能立即发现。
若此时有车占用,轨道继电器也不能吸起,很不安全。
因此,极少采用。
闭路式轨道电路平时构成闭合回路,如图5-2所示,其发送设备(电源)和接收设备(轨道继电器)分别装设在轨道电路的两端。
轨道电路上没有车占用时,轨道继电器吸起。
有车占用时,因车辆分路,轨道继电器落下。
当发生断轨、断线等故障时,轨道继电器落下,能保证安全。
所以几乎所有轨道电路都采用闭路式。
3.按所传送的电流特性分类
轨道电路可分为连续式、脉冲式、计数电码和频率电码式以及数字编码式。
连续式轨道电路中传送连续的交流或直流电流。
这种轨道电路的唯一功能是监督轨道的占用与否,不能传送更多信息。
脉冲轨道电路是一种传送断续电流脉冲的轨道电路。
其送电端为发码器,发送脉冲电流至钢轨,受电端通过译码器译码,使轨道继电器吸起。
我国铁路曾采用的极性频率脉冲(简称极频)轨道电路和不对称脉冲轨道电路就属于此类。
前者有四种脉冲编码,除监督空闲与否外,还能传送行车信息。
后者只有一种频率的脉冲,只能当一般的轨道电路用。
计数电码轨道电路传送的是断续的电流,即由不同长度脉冲和间隔组合成电码。
电码由发码器产生,同时只能发一种电码。
传到受电端,由译码电路译出,使轨道继电器动作。
我国铁路的交流计数电码(包括25HZ、50HZ、75HZ)轨道电路均属此类,它可传送行车信息。
移频轨道电路在钢轨中传送的是移频电流,在发送端用低频(几赫至几十赫)作为行车信息去调制载频(数百赫至数千赫),使移频频率随低频作周期性变化。
在接收端将低频解调出来,去动作轨道继电器。
移频轨道电路可传送多种信息的信号。
数字编码式轨道电路也采用调频方式,但它采用的不是单一低频调制频率,而是一个若干比特的一群调制频率,根据编码去调制载频,编码包含速度码、线路坡度码、闭塞分区长度码、路网码、纠错码等,可以传输更多的信息。
4.按分割方式分类
轨道电路可分为有绝缘轨道电路和无绝缘轨道电路
有绝缘轨道电路用钢轨绝缘将轨道电路与相邻的轨道电路互相隔离,大部分轨道电路是有绝缘的。
一般称轨道电路即是有绝缘轨道电路。
钢轨绝缘在车辆运行的冲击力、剪切力作用下很容易破损,使轨道电路的故障率较高。
绝缘节的安装,给无缝线路带来一定的麻烦,有时需锯轨,降低线路的轨道强度,增加线路维护的复杂性。
电气化铁路的牵引回流不希望有绝缘节,为使牵引回流能绕过绝缘节,必须安装扼流变压器。
因此有绝缘的轨道电路了不理想。
无缝线路和电气化铁路希望采用无绝缘轨道电路。
无绝缘轨道电路在其分界处不设钢轨绝缘,而采用不同的方法予以隔离。
按原理可分为三种:
电器隔离式、自然衰耗式、强制衰耗式。
电气隔离式又称谐振式,利用谐振槽路,采用不同的信号频率,谐振回路对不同频率呈现不同阻抗,来实现相邻轨道电路间的电气隔离。
UM71轨道电路即采用此种方式。
自然衰耗式,利用轨道电路的自然衰耗和不同的信号特征(频率、相位等),实现轨道电路的互相隔离,在接收端直接接收或通过电流传感器接收。
钢轨中的电流可沿正反两个方向自由传输,基本上靠轨道的自然衰耗作用来衰减信号。
道口信号所用的道口控制器就采用这种方式的无绝缘轨道电路。
强制衰耗式是在自然衰耗式的基础上,吸收电气隔离式的长处(谐振回路的强制性衰耗)而形成的。
如图5-3所示。
它采用电压发送、电流接收的方式,接收端由电流传感器接收信号。
它在轨道电路受电端设置陷波器,使信号传输一个轨道电路区段后,被陷波器衰耗掉大部分,使剩余的部分不足以影响相邻区段。
ZP·
W1-18型无绝缘移频自动闭塞就采用这种方式。
5.按使用处所分类
轨道电路分为区间轨道电路和站内轨道电路
区间轨道电路主要用于自动闭塞区段,不仅要监督各闭塞分区是否空闲,而且要传输有关行车信息。
一般来说,区间要求轨道电路传输距离较长,要满足闭塞分区长度的要求,轨道电路的构成也比较复杂。
站内轨道电路,用于站内各区段,一般只有监督本区段是否空闲的功能,不能发送其他信息。
为了使机车信号在站内能连续显示,要对站内轨道电路实现电码化,即在列车占用本区段或占用前一区段时用切换方式或叠加方式转为能发码的轨道电路。
站内轨道电路除了股道外,一般传输距离不长。
6.按轨道电路内有无道岔分类
站内轨道电路分为无岔区段轨道电路和道岔区段轨道电路。
无岔区段轨道电路内钢轨线路无分支,构成较简单,一般用于股道、尽头调车信号机前方接近区段、进站信号机内方、两差置调车信号机之间。
在道岔区段,钢轨线路有分支,道岔区段的轨道电路就称为分支轨道电路或分歧轨道电路。
在道岔区段,道岔处钢轨和杆件要增加绝缘,还要增加道岔连接线和跳线。
当分支超过一定长度时,还必须设多个受电端。
7.按适用区段分类
轨道电路分为非电气化区段轨道电路和电气化区段轨道电路非电气化区段轨道电路,没有抗电化干扰的特殊要求,一般的轨道电路指非电气化区段轨道电路。
电气化区段轨道电路,既要抗电化干扰,又要保证牵引回流的畅通无阻。
因钢轨中已流有50Hz的牵引电流,轨道电路就不能采用50Hz,而必须采用50Hz以外的频率。
对于有绝缘的轨道电路,必须安装扼流变压器,使牵引回流能顺利越过绝缘节,如图5-3所示。
我国电气化铁路目前站内多采用25Hz相敏轨道电路,区间多采用无绝缘或有绝缘移频轨道电路。
8.按轨道电路利用钢轨作为通道的方式分
轨道电路分为双轨条轨道电路和单轨条轨道电路多数轨道电路均利用同一线路的两根钢轨作为传输通道。
一般的轨道电路均为双轨条轨道电路。
单轨条轨道电路是利用线路的一条钢轨作为传输通道,另一通道由电缆构成。
例如驼峰用的移频机车信号,地面发送设备即采用单轨条移频轨道电路。
因其发送的区段由车占用,两根钢轨被轮对分路,无法构成轨道电路。
计轴自动闭塞区段也用单轨条轨道电路发送移频信息,供机车信号接受。
五、轨道电路的应用
轨道电路主要用于区间和站内。
区间的轨道电路通常是与自动闭塞制式相一致的轨道电路,按照自动闭塞通过信号机的设置划分闭塞分区,每个闭塞分区就有其轨道电路。
在半自动闭塞区段,区间一般不设轨道电路,只有在进站信号机的外方设有接近区段的轨道电路,以通知列车的接近以及构成接近锁闭。
在半自动闭塞区段,为了监督区间是否空闲,也装设长轨道电路。
位于区间的道口,其接近区段必须装设轨道电路。
站内轨道电路应用更为广泛。
对于电气集中联锁来说,列车进路和调车进路都必须安装轨道电路,牵出线、机待线、出库线、专用线及其他用途的尽头线入口处和调车信号机前方,虽不在进路之内,也应装设一段长度不小于25m的轨道电路,用来保证信号开放后机车车辆接近时完成接近锁闭,及时了解上述线路是否有车接近或占用。
对于电锁器联锁的车站,正线及到发线接车进路的股道上,必须设轨道电路,进站信号机内方还设有为半自动闭塞通知出发或到达用的轨道电路。
在驼峰调车场,除推送进路设有轨道电路外,峰下每组分路道岔、警冲标处均设有轨道电路。
对于机车信号来说,各种制式的区间轨道电路和站内电码化以后的轨道电路,就是其地面发送设备,也就是信息来源。
对于列车运行超速防护来说,带有编码信息的轨道电路是其车与地之间传输信息的通道之一。
第二节轨道电路的基本工作状态和基本参数
一、轨道电路基本工作状态
轨道电路的基本工作状态分为调整状态、分路状态和断轨状态三种。
轨道电路在各种工作状态下,要受到许多外界因素的影响,其中受道碴电阻、钢轨阻抗和电源电压的影响最大。
这三个参数的影响,对各种工作状态造成的影响又各不相同。
1.轨道电路的调整状态
轨道电路的调整状态,就是轨道电路完整和空闲,接收设备(如轨道继电器)正常工作时的状态。
在调整状态,对轨道继电器来说,它从钢轨上接收到的电流越大,它的工作就越可靠。
但这个电流值将随着道碴电阻、钢轨阻抗、发送电压的变化而变化。
调整状态的最不利条件是:
发送电压最低、钢轨阻抗最大、道碴电阻最小,同时轨道电路长度为极限长度。
在最不利条件下,轨道电路接收设备应能可靠工作,反映轨道电路的空闲状态。
2.轨道电路的分路状态
轨道电路分路状态,就是当轨道电路区段有车占用时,接收设备(如轨道继电器)应被分路而停止工作的状态。
当列车占用轨道时,它的轮对在两钢轨之间形成的电阻,按一般电路的分析,可看成是短路作用。
但轨道电路是低电阻电路,所以列车占用时,只能看成两钢轨间跨接了一个分路电阻,故称为分路状态。
分路状态的最不利条件是:
发送电压最高、钢轨阻抗最小、道碴电阻最大、列车分路电阻也最大(车轻、轮对少、车轮与钢轨接触面不洁)。
在分路状态的最不利条件下,轨道电路接收设备应能可靠地停止工作,反映轨道电路区段有车占用。
3.轨道电路的断轨状态
轨道电路的断轨状态,是指轨道电路的钢轨在某处折断时的情况,此时钢轨虽已折断,但轨道电路仍可通过大地构成回路,接收设备中还会有一定值的电流流过。
为了确保安全,断轨时,接收设备应不能工作。
断轨状态的最不利条件是,断轨时轨道电路的参数变化使轨道接收设备中获得最大电流。
它除了与钢轨阻抗模值最小、发送电压最大有关外,断轨地点和道碴电阻的大小也有一定的影响。
有一个使接收设备中电流最大的最不利数值——临界断轨地点和临界道碴电阻。
二、轨道电路分路的几个术语
1.列车分路电阻
列车占用轨道电路时,轮对跨在两根钢轨上形成的电阻,就称为列车分路电阻。
它由车轮和车轴本身的电阻,以及轮缘与钢轨顶部的接触电阻组成。
由于轮缘与钢轨的接触面很小,因此车轮和车轴的电阻比接触电阻小得多,可忽略不计。
所以列车分路电阻,实际上就是轮缘与钢轨的接触电阻。
列车分路电阻的大小与轨道上分路的车轴数、车辆的载重情况、列车的运行状态、轮缘的装配质量和磨损程度、钢轨顶部的洁净程度等因素有关。
它的变化范围很大,从千分之几欧到0.06Ω。
2.分路效应
由于列车分路使轨道电路接收设备中电流减小,并处于不工作状态,称为有分路效应。
在分路状态最不利条件下,有列车分路时,对于连续式轨道电路,要保证轨道继电器的端电压不大于它的可靠释放值;
对于脉冲式轨道电路,要保证轨道继电器的端电压由不大于它的可靠不吸起值。
分路效应在很大程度上决定了轨道电路的质量。
3.分路灵敏度
分路灵敏度指在轨道电路的钢轨上,用一电阻在某点对轨道电路分路,若恰好能使轨道继电器线圈中的电流减小到释放值(脉冲式轨道电路为不吸起值),则这个分路电阻值就叫做该点的分路灵敏度。
轨道上各点的分路灵敏度不一样。
分路灵敏度用电阻值(Ω)来表示。
4.极限分路灵敏度
对某轨道电路来说,各点的分路灵敏度中的最小值,就是该轨道电路的极限分路灵敏度。
5.标准分路灵敏度
标准分路灵敏度是衡量轨道电路分路效应优劣的标准。
我国规定一般的轨道电路标准分路灵敏度为0.06Ω。
对于一轨道电路,在分路状态最不利的条件下,用0.06Ω的标准电阻线,在任何地点分路时轨道电路的接收设备必须停止工作,该轨道电路的分路效应才符合标准。
驼峰分路道岔区段的轨道电路长度很短,且线路坡度大,曲线半径小,又进行溜放作业,所以规定其标准分路灵敏度为0.5Ω。
驼峰高灵敏轨道电路标准分路灵敏度为3Ω。
UM71无绝缘轨道电路标准分路灵敏度为0.15Ω。
三、轨道电路的基本参数
轨道电路的基本参数指的是它的一次参数和二次参数。
1.轨道电路的一次参数
轨道电路是通过钢轨传输电流的,钢轨铺设在轨枕上,轨枕置于道碴中,所以轨道电路是具有低绝缘电阻的电气回路。
钢轨阻抗(钢轨电阻R和钢轨电抗ωL的向量和)和漏泄导纳(漏泄电导G和漏泄容抗
的向量和)是轨道电路固有的电气参数。
轨道电路的一次参数是Z、Y、R、L、G、C的总称。
Ø
道碴电阻
如图5-5所示,轨道电路的漏泄电流是由一根钢轨经轨枕、道碴和道床流往另一根钢轨的,其大小由钢轨线路的绝缘阻抗,即道碴电阻决定的。
道碴电阻是一个分布参数,通常以每千米钢轨线路所具有的漏阻值表示,称为单位道碴电阻,简称道碴电阻,用Υd表示,单位是Ω·
㎞。
由于漏泄电流是通过不同性质的导电介质流过的,钢轨和线路上的其他金属配件都有电子导电性;
道碴、轨枕道床均会有水分,它们都具有离子导电性,可把它们看作特殊的电解质。
道碴电阻的大小,一方面取决于道碴的材料、道碴层的厚度、轨枕的材料和数量;
另一方面还取决于温度、湿度的变化,以及道床土壤的导电率等因素。
可以用作道碴的材料很多,我国大部分地区用碎石作为道碴,它不大吸收水分,又不易导电,有利于提高道碴电阻。
但当其中混有炉碴、煤屑、盐质溶液、金属粉末(列车制动时产生的)等杂质时,道碴电阻值就会下降。
我国使用的轨枕有木枕和钢筋混凝土轨枕。
木枕经绝缘的防腐剂处理后,可提高道碴电阻值。
当木枕有裂缝和腐朽等情况时,道碴电阻值要降低。
每根木枕的绝缘电阻值约在几十千欧,每千米铺设1600~2400根时,每千米轨枕绝缘电阻在20Ω左右。
钢筋混凝土轨枕,钢轨底部有绝缘垫板,它的好坏对道碴电阻值有较大的影响。
其导电率受环境影响比木枕显著,而且钢轨之间呈现的电容性要增强,会使漏泄电流增大。
但信号电流频率较低,电容的作用很小。
每根钢筋混凝土轨枕的绝缘电阻值约为70~80Ω,则每千米仅有0.04~0.05Ω,垫上绝缘垫板后可达50~150Ω。
但实际的道碴电阻值远低于上述数值,是因为漏泄电流是经轨枕、道碴和大地三条并联径路构成回路的。
在电子性和离子性导电元件的交界处,必然发生电化学反应,形成一种过渡层电阻,其大小与两钢轨的电位、环境温度湿度有关。
温度、湿度升高时,电化学反应增强,使钢轨线路的绝缘阻抗降低。
所以,夏季暴雨后8~10min会出现道碴电阻的最小值。
冬季,气温在零下时,道碴电阻值可达最大。
道碴电阻的最大值和最小值会相差十几倍,甚至上百倍。
碎石道床
道碴电阻Ω·
㎞
直流
交流
区间
1.2
1.0
站内
0.7
0.6
我国铁路单位道碴电阻的标准值如表5-1所列。
它和下述钢轨阻抗的标准值,是铁道部组织全路有关单位,在全路各个地区、各种不同条件(夏、冬、雨、雪)下,对轨道电路进行长期参数测试,积累了大量数据,经计算、分析总结出来的。
适用于下列区段的轨道电路:
①蒸汽或内燃牵引区段;
表5-1轨道电流的道碴电阻值
②直流供电或50Hz交流供电;
③连续供电或断续供电;
④木枕或目前采用63型扣件、胶垫或塑料
垫绝缘良好、轨枕没有经过长期老化的钢筋
混凝土区段。
我国疆土辽阔,各地地质和气候差异很大,道床的状况也较复杂。
如沿海地区的盐碱道床、西北戈壁的砂道床、隧道内潮湿腐蚀的道床,道碴电阻均低于标准值。
站内到发线道床较脏、排水能力较差,最小道碴电阻可能低于0.2Ω·
道碴电阻愈小,两钢轨间的漏泄电流就愈大,轨道电路消耗电能就会增多。
而且道碴电阻值变化的范围越大,轨道电路的工作就越不稳定。
因此,要保证轨道电路的稳定工作,必须尽量提高最小道碴电阻值。
工务部门应积极采取措施,提高道床排水能力,定期清筛道碴,及时更换腐朽及破裂的轨枕,努力改善道床质量。
(2)钢轨阻抗
每公里两根钢轨(回路)的阻抗,称为单位钢轨阻抗,简称钢轨阻抗,用Z表示,单位是Ω/㎞。
它包括钢轨本身的阻抗及钢轨接头处的阻抗。
钢轨接头处的阻抗则包括鱼尾板及导接线的阻抗和它们的接触电阻。
鱼尾板和钢轨间的接触电阻的大小和鱼尾板、钢轨端部表面的污垢及锈蚀程度、螺栓的松紧、气候条件有关。
它的变化范围很大。
安装了钢轨接续线后,该接触电阻与接续线阻抗及接续线和钢轨间的接触电阻所并联,因此,钢轨接头处的总阻抗就显著降低,且比较稳定。
当轨道电路中通以直流电流时,钢轨阻抗就是纯电阻,称为钢轨电阻。
而当轨道电路中通以交流电流时,由于钢轨的导磁系数大,集肤效应明显,使有效截面减少,有效电阻增大。
它在很大程度上取决于信号电流的频率,还与钢轨断面形状、导电率、导磁率有关。
除了有效电阻外,还存在感抗。
这样,交流时的总阻抗就比直流时大很多。
2.轨道电路的二次参数
轨道电路的二次参数包括特性阻抗ZC与传输常数γ,它们是一次参数——钢轨阻抗Z和道碴电阻Υd的函数,所以称为二次参数。
轨道电路的钢轨阻抗和道碴电阻是均匀分布的,属于均匀分布参数传输线,可以用分布参数传输线的基本方程来反映轨道电路送、受电端的电压。
电流的关系:
轨道电路的二次参数包括特性阻抗Zc与传输常数γ,它们是一次参数——钢轨阻抗Z和道碴电阻Υd的函数,所以称为二次参数。
式5-1
式中
——轨道电路始端(送电端)电压;
——轨道电路终端(受电端)电流;
——轨道电路始端(送电端)电流;
——轨道电路的特性阻抗;
——轨道电路终端(受电端)电压;
——轨道电路的传输常数;
——轨道电路长度。
特性阻抗:
(Ω)式5-2
式中Z——单位钢轨阻抗
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