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11)系统中发送器采用“N+1”冗余,接收器采用成对双机并联运用,提高系统可靠性,大幅度提高单一电子设备故障不影响系统正常工作的时间。
3 系统主要技术条件
3.1环境条件
ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路在下列环境条件下应可靠工作:
1)周围空气温度:
室外:
-30℃~+70℃;
室内:
-5℃~+40℃
2)周围空气相对湿度:
不大于95%(温度30℃时)
3)大气压力:
74.8kPa~106kPa(相对于海拔高度2500m以下)
4)周围无腐蚀和引起爆炸危险的有害气体。
3.2发送器
1)低频频率:
10.3+n×
1.1Hz,n=0~17
即:
10.3Hz、11.4Hz、12.5Hz、13.6Hz、14.7Hz、15.8Hz、16.9Hz、18Hz、19.1Hz、
20.2Hz、21.3Hz、22.4Hz、23.5Hz、24.6Hz、25.7Hz、26.8Hz、27.9Hz、29Hz
2)载频频率
下行:
1700-11701.4Hz
上行:
2000-12001.4Hz
1700-21698.7Hz
2000-21998.7Hz
2300-12301.4Hz
2600-12601.4Hz
2300-22298.7Hz
2600-22598.7Hz
3)频偏:
±
11Hz
4)输出功率:
70W(400Ω负载)
3.3接收器
轨道电路调整状态下:
1)主轨道接收电压不小于240mV;
2)主轨道继电器电压不小于20V(1700Ω负载,无并机接入状态下);
3)小轨道接收电压不小于100mV;
4)小轨道继电器或执行条件电压不小于20V(1700Ω负载,无并机接入状态下)。
3.4直流电源
1)直流电源电压范围:
23.5V~24.5V
2)设备耗电情况:
发送器在正常工作时负载为400Ω,功出为1电平的情况下,耗电5.55A;
当功出短路时耗电10.5A;
接收器正常工作时耗电小于500mA。
3.5轨道电路
1)分路灵敏度为0.15Ω;
分路残压小于140mV(带内)。
2)ZPW-2000A系统在10kmSPT电缆及不同道碴电阻条件,轨道电路传输长度见表1-1:
表1-1 轨道电路传输长度
轨道电路载频
长度(m)(Hz)道碴电阻(Ω·
km)
1700
2000
2300
2600
1.5
1900
1800
1.2
1750
1650
1600
1.0
1500
1460
0.8
1050
0.6
850
800
0.5
700
650
0.3
450
420
[注]:
轨道电路有三种情况,规定如下:
JES—JES(电气绝缘节—电气绝缘节):
由SVA—SVA组成;
JES—BA//SVA’(电气绝缘节—机械绝缘节):
由SVA—SVA’组成;
BA//SVA’―BA//SVA’(机械绝缘节-机械绝缘节):
由SVA’-SVA’组成。
这三种轨道电路的传输长度是一致的。
3)ZPW-2000A系统在10、12.5、15kmSPT电缆及1.0、1.2、1.5Ω·
km道碴电阻下,轨道电路传输长度见表1-2。
表1-2不同道碴电阻下轨道电路传输长度
序号
道碴电阻
Ω·
km
传输电缆长度
轨道电路长度(m)
1700Hz
2000Hz
2300Hz
2600Hz
1
1.0
10
12.5
1400
1300
15
2
1.2
3
1.5
[注]:
传输电缆长度表示为发送或接收传输电缆长度。
站间电缆长度为传输电缆长度2倍。
即,传输电缆长度为10、12.5、15km表示站间电缆长度为20、25、30km。
4)主轨道无分路死区,调谐区分路死区不大于5m;
5)有分离式断轨检查性能:
轨道电路全程(含主轨及小轨)断轨,有关轨道继电器可靠失磁。
3.6系统冗余方式
发送器采用N+1冗余,实现故障检测转换。
接收器采用成对双机并联运用。
第二章 系统的构成及原理说明
1系统的构成
ZPW-2000A型无绝缘移频自动闭塞系统,与UM71无绝缘轨道电路一样采用电气绝缘节来实现相邻轨道电路区段的隔离。
电气绝缘节长度改进为29m,电气绝缘节由空心线圈、29m长钢轨和调谐单元构成。
调谐区对于本区段频率呈现极阻抗,利于本区段信号的传输及接收,对于相邻区段频率信号呈现零阻抗,可靠地短路相邻区段信号,防止越区传输。
这样便实现了相邻区段信号的电气绝缘。
同时为了解决全程断轨检查,在调谐区内增加了小轨道电路。
ZPW-2000A型无绝缘轨道电路分为主轨道电路和调谐区小轨道电路两部分,小轨道电路视为列车运行前方主轨道电路的所属“延续段”。
主轨道电路的发送器由编码条件控制产生表示不同含义的低频调制的移频信号,该信号经电缆通道(实际电缆和模拟电缆)传给匹配变压器及调谐单元,因为钢轨是无绝缘的,该信号既向主轨道传送,也向调谐区小轨道传送,主轨道信号经钢轨送到轨道电路的受电端,然后经调谐单元、匹配变压器、电缆通道,将信号传至本区段接收器。
调谐区小轨道信号由运行前方相邻轨道电路接收器处理,并将处理结果形成小轨道电路继电器执行条件送至本区段接收器,本区段接收器同时接收到主轨道移频信号及小轨道电路继电器执行条件,判决无误后驱动轨道电路继电器吸起,并由此来判断区段的空闲与占用情况。
该系统“电气-电气”和“电气-机械”两种绝缘节结构电气性能相同,现按“电气-机械”结构进行系统原理介绍,系统原理构成见图2-1,Δ为补偿间距。
图2-1 “电气-机械”绝缘节系统原理图
1.1室外部分
1)调谐区(JES—JES)
调谐区按29m设计,设备包括调谐单元及空心线圈,其参数保持原“UM71”参数。
功能是实现两相邻轨道电路电气隔离。
2)机械绝缘节
由“机械绝缘空心线圈”(按载频分为1700、2000、2300、2600Hz四种)与调谐单元并接而成,其节特性与电气绝缘节相同。
3)匹配变压器
一般条件下,按0.25~1.0Ω·
km道碴电阻设计,实现轨道电路与SPT传输电缆的匹配连接。
4)补偿电容
根据通道参数兼顾低道碴电阻道床传输,选择电容器容量。
使传输通道趋于阻性,保证轨道电路具有良好传输性能。
5)传输电缆
采用SPT型铁路信号数字电缆,线径为Φ1.0mm,一般条件下,电缆长度按10km考虑。
根据工程需要,传输电缆长度可按12.5km、15km考虑。
6)调谐区设备引接线
采用3600mm、1600mm钢包铜引接线构成。
用于BA、SVA、SVA’等设备与钢轨间的连接。
1.2室内部分
1)发送器
用于产生高精度、高稳定移频信号源。
系统采用N+1冗余设计。
故障时,通过FBJ的接点转至“+1”FS。
2)接收器
ZPW-2000A型无绝缘轨道电路将轨道电路分为主轨道电路和调谐区短小轨道电路两个部分,并将短小轨道电路视为列车运行前方主轨道电路的所属“延续段”。
该“延续段”信号由运行前方相邻轨道电路接收器处理,并将处理结果形成小轨道电路轨道继电器执行条件(XG、XGH)送至本轨道电路接收器,做为轨道继电器(GJ)励磁的必要检查条件(XGJ、XGJH)之一。
主轨道和调谐区小轨道检查原理见图2-2。
图2-2 主轨道和调谐区小轨道检查原理图
综上所述,接收器用于接收本主轨道电路信号,并在检查所属调谐区短小轨道电路状态(XGJ、XGJH)条件下,动作本轨道电路的轨道继电器(GJ)。
另外,接收器还接收相邻区段小轨道电路的信号,向相邻区段提供小轨道电路状态(XG、XGH)条件。
接收器采用DSP数字信号处理技术,将接收到的两种频率信号进行快速傅氏变换(FFT),获得两种信号能量谱的分布,并进行判决。
系统采用接收器成对双机并联冗余方式。
3)衰耗
用于实现主轨道电路、小轨道电路的调整。
给出发送和接收故障、轨道占用表示及发送、接收用+24电源电压、发送功出电压、接收GJ、XGJ测试条件等。
4)电缆模拟网络
电缆模拟网络设在室内,按0.5、0.5、1、2、2、2×
2km六段设计,用于对SPT电缆长度的补偿,电缆与电缆模拟网络补偿长度之和为10km。
1.3系统防雷
系统防雷可分为室内室外两部分:
1)室外:
(1)一般防护从钢轨引入雷电信号,含横向、纵向。
横向:
限制电压在~75V、10KA以上
纵向:
①根据设计,一般可通过空心线圈中心线直接接地进行纵向雷电防护。
②在不能直接接地时,应通过空心线圈中心线与地间加装纵向防雷元件。
③电化牵引区段考虑牵引回流不畅条件下,出现的纵向不平衡电压峰值,限制电压选在~500V、5KA以上。
④非电化区段则只考虑50Hz~220V电流影响,纵向限制电压选在~280V(或~275V),10KA以上
(2)防雷地线电阻要严格控制在10Ω以下。
对于采取局部土壤取样不能真实代表地电阻的石质地带,必须加装长的铜质地线,具体长度需视现场情况定。
(3)对于多雷及其以上地区,特别对于石质地层的地区,有条件应加装贯通地线。
在电化区段,该地线为区间防雷、安全、电缆等地线以及上下行等电位连接线共同使用。
该贯通地线与两端车站地网线相连接。
2)室内:
防护由电缆引入的雷电信号。
限制电压在~280V、10KA以上。
利用低转移系数防雷变压器进行防护
2 ZPW-2000A型无绝缘移频自动闭塞系统电路原理
2.1电气绝缘节
2.1.1作用
电气绝缘节由调谐单元、空心线圈及29m钢轨组成。
用于实现两相邻轨道电路间的电气隔离。
2.1.2简要工作原理
电气绝缘节长29米,在两端各设一个调谐单元(下称BA),对于较低频率轨道电路(1700、2000Hz)端,设置L1、C1两元件的F1型调谐单元;
对于较高频率轨道电路(2300、2600Hz)端,设置L2、C2、C3三元件的F2型调谐单元。
见图2-3
图2-3工作原理
BA工作原理见下图2-4(a)~(c)
图2-4BA工作原理
“f1”(f2)端BA的L1C1(L2C2)对“f2”(f1)端的频率为串联谐振,呈现较低阻抗(约数十毫欧姆),称“零阻抗”相当于短路,阻止了相邻区段信号进入本轨道电路区段,见图(C)左端(图(b)右端)。
“f1”(f2)端的BA对本区段的频率呈现电容性,并与调谐区钢轨、SVA的综合电感构成并联谐振,呈现较高阻抗,称“极阻抗”(约2欧),相当于开路。
以此减少了对本区段信号的衰耗。
2.1.3电气绝缘节电路环节分析和计算
1)构成电气绝缘节的基本电路包含有L-C串联谐振电路、L-C并联谐振电路,尚有部分电感、电阻串联并联电路。
2)在电气绝缘节的两端,从钢轨通过引接线向BA,对应于相邻区段的频率呈现为“零阻抗”,约数十毫欧。
由于引接线具有一定的电感,所以BA呈一定的容性,进行补偿。
以保证钢轨两端的“零阻抗”,见下图2-5
图2-5
Lr为BA、SVA钢轨引接线电感
Lr与L1之和与C1串联谐振于f2,构成“零阻抗”。
3)调谐区对于某一载频形成的电感Lv,设钢轨电阻为0,“零阻抗”为0的理想条件下,
L为29m钢轨电感
4)几个基本电路
(1)L-C串联电路
基本电路(见图2-6):
图2-6
电抗曲线、阻抗曲线(见图2-7):
电抗曲线阻抗曲线
图2-7
特点:
在谐振点处有一零点;
谐振点f0处,阻抗为纯电阻R
f<f0阻抗为容性
其等效电容
由下式得
f>f0阻抗为感性
由右式得
(2)LC并联电路
基本电路(见图2-8):
图2-8
电抗曲线、阻抗曲线(见图2-9):
图2-9
在谐振点处,有一极点,阻抗最大
谐振点f0处,阻抗Z为:
回路
值为
在电气绝缘节中
一般取5-10
(3)LC串并联电路1
基本电路(见图2-10):
图2-10
电抗曲线、阻抗曲线(见图2-11):
电抗曲线:
阻抗曲线:
图2-11
♦在f02处有一串联谐振点(零点),阻抗最小,为L1C1串联谐振点。
♦
在f01处有一并联谐振点(极点),阻抗最大,为电感Lv与L1C1构成的等效电容
的并联谐振点。
(以上忽略R因素)
(4)LC串并联电路2
基本电路(见图2-12):
图2-12
电抗曲线、阻抗曲线(见图2-13):
图2-13
♦在f01处有一串联谐振点(零点),阻抗最小,为L2C2串联谐振点。
♦在f02处有一并联谐振点(极点),阻抗最大,为电感Lv与L2C2构成的等效电感
并联后与C3的并联谐振。
亦即C3与(
)的并联谐振。
2.1.4BA参数举例及分析
1)f1=1700Hz、f2=2300HzF1、F2参数见表2-1:
表2-1F1、F2参数
类型
元件
计算值
实际值
F1
L1
37.145μH
33.5~34.6μH
C1
128.91μf
121~127μf
F2
L2
97.387μH
88~90μH
C2
90μf(设定)
89~93μf
C3
236.604μf
(124~130)×
2μf
2)误差分析
(1)由于下述计算忽略了钢轨电阻,设备与钢轨连接线电线电感、电阻、线圈及电感中的电阻等,故计算结果为一理想值。
实际上,BA、SVA至钢轨引接线采用了两根长度分别为1.6米、3.6米的钢包铜线。
由于集肤效应造成,对不同频率信号,连接线呈现不同的电阻值,其电阻、感抗参考值见表2-2:
表2-2钢包铜线电阻、感抗参考值
频率(Hz)
分量数值
R(mΩ)
ωL(mΩ)
8.3
31.4
10.1
35.2
11.9
39
13.6
42.6
在BA设计过程中,为抵消钢轨引接线电感的影响,在谐振频率点,BA的LC串联支路电抗值略呈电容性。
对于F1型单元,L1、C1数值应满足:
该数值洽与2300Hz时钢轨引接线感抗值相抵消。
见右图2-14
1-2端总电抗X为:
使
则
图2-14
同样,对于F2单元,除C2外,C3也应考虑对钢轨引接电感的补偿。
其目的使得F2单元对f1频率阻抗略呈容性,为-32mΩ(1700Hz)、-37.5mΩ(2000Hz);
对f2频率阻抗呈容性为-300mΩ(2300Hz)、-400mΩ(2600Hz)。
(2)实际制造过程中,考虑到对L2有一定允许误差,C2、C3均附加有小电容进行补偿。
该补偿电容并接在C2、C3上,数据根据计算确定,电容连接方法见图2-15:
图2-15
3)元件实际参数表见表2-3
表2-3BA实际参数表
L1(L2)mH
C1(C2) (μf)
C3 (μf)
C1’(C2’)
C1’’(C2’’)
C3’
C3’’
124
用0.47~6.8调整
81.6
用0.47~5.1调整
90.9
用0.47~5.6调整
127×
用0.47~12调整
60.4
用0.47~3.9调整
101×
用0.47~10调整
2.1.5调谐区阻抗频率特性
前述计算分析均按中心频率进行,实际信号有±
11Hz的频偏,占用通频带不少于±
40Hz。
另外BA参数既要考虑到移频信号规定的频率变化,又要考虑自身参数的变化。
在调谐区中部设置的SVA,其50Hz的交流阻抗仅约10mΩ,其电阻分量也改善了并联谐振槽路的Q值,使调谐区并联谐振阻抗约为2Ω,该考虑对提高电气绝缘节工作稳定性带来好处。
调谐单元外形如图2-16。
2.1.6BA工作稳定性
在BA制作过程中考虑了:
1)L1、L2采用U行磁性瓷,为降低温度系数,间隙垫有环氧薄片.
2)为使电感与电容(C1、C2、C3)达到较好的温度补偿,U型磁性瓷上下固定采用了金属弹簧方式。
当温度升高时,弹簧拉力减弱,使电感增加受到一定程度抵消。
图2-16
3)电容选择应具有温度系数小,工作稳定,损耗角小,高频工作可靠的特点。
4)电感线圈选用多股电磁线绕制,以减少高频下的电阻。
5)与钢轨采用3.6m,1.6m钢包铜引接线连接,与钢轨采用塞钉连接方式,接触电阻<50μΩ。
2.1.7空心线圈
空心线圈外形如图2-18。
1)目的
在无绝缘轨道电路区段,在每一个轨道电路区段设置一个起到平衡牵引电流的空心线圈。
在两轨间该线圈应对50Hz形成较低的阻抗,对不平衡电流电势起到短路、平衡作用。
另外,该线圈若设在调谐区中间,适当确定参数,并可起到改善调谐区阻抗作用。
该线圈也可用作复线区段,上下行线路间等电位连接、渡线绝缘两端牵引电流平衡以及防雷接地等作用。
2)空心线圈SVA结构特点
SVA由直径1.53mm、19股敷有耐高温的玻璃丝包电磁线绕制,截面为35mm2。
在20℃时,以1592Hz信号测试,电感量为:
L=33±
μH,电阻值为25mΩ≥R≥14mΩ。
SVA设有中心线,每半个线圈可通过100安培电流。
即在100安不平衡电流或200安中点流出牵引电流情况下可以长期工作。
在500安4分钟的不平衡电流下(或中心点通过1000安平衡电流下),SVA均可正常工作。
由于没有铁芯,大电流情况下,不存在磁路饱和问题。
3)SVA作用
(1)平衡牵引电流回流
SVA设置在29米长调谐区两个调谐单元的中间,由于它对于50Hz牵引电流呈现甚小的交流阻抗(约10mΩ),故能起到对不平衡牵引电流电动势的短路作用,见图2-17:
图2-18
图2-17
设I1、I2有100安不平衡电流,可近似视为短路,则有
由于SVA对牵引电流的平衡作用,减小了工频谐波对轨道电路设备的影响。
(2)对于上、下行线路间的两个SVA中心线可做等电位连接。
一方面平衡线路间牵引电
一方面可保证维修人员安全。
见图2-19:
(3)作抗流变压器见图2-20:
图2-19图2-20
例如在道岔斜股绝缘两侧各装一台SVA,二中心线连接。
应该指出,SVA作抗流变压器时,其总电流≤200安(长时间通电)
(4)SVA对1700Hz感抗值仅有0.35Ω,对2600Hz也只有0.54Ω。
在调谐区中,不能把它简单作为
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