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一是为了分割轨道电路,在钢轨上设置了大量的绝缘节,这样利用钢轨传输的供电电源就会受到绝缘节的堵截。
二是轨道电路利用两条钢轨作为轨道信号一去一回的传输线,而机车供电电路将两条钢轨并接作为牵引电流的回线,因此在传输线的利用上轨道电路和机车供电电路存在矛盾,因而设计电路时必须解决好这两个问题。
为了解决这两个问题,研究设计了扼流变压器,利用扼流变压器的特点,解决绝缘堵截回流问题和化解钢轨“两线、一线”使用矛盾。
扼流变压器的特点就是二次线圈(高压线圈)抽出3个抽头,如图1-4所示。
在每个绝缘节两侧设置两台变压器,将中心抽头连接在一起。
如图1-5所示,扼流变压器的二次线圈(高压线圈)的两个半圈分别传送牵引电流使用;
扼流变压器的一次线圈(信号线圈)、二次线圈的整圈作为轨道电路信号变压传输使用。
钢轨中的牵引电流I1、I2经过扼流变压器高压线圈的两个半圈汇集到一起,经过中心连接线流向另一台扼流变压器的高压线圈,再经过该台扼流变压器高压线圈的两个半圈分流变为I3、I4流向钢轨,这样在钢轨绝缘处通过扼流变压器为牵引电流搭建了一条通道,使钢轨中的
牵引电流可以顺利“通过”钢轨绝缘。
同时扼流变压器一次线圈(信号线圈)中
的轨道电流I5、I6在信号线圈上产生感应电压,变压到高压线圈的电压加载在钢轨上,通过两条钢轨传送轨道信号。
这样解决了上述两个问题。
四、25Hz相敏轨道电路的结构
增设扼流变压器后,从物理连接上看,已经完成了机车供电电路和轨道电路搭建任务。
但是由于机车供电电路和轨道电路共用钢轨传输,这两个电路必然互相干扰。
就干扰的结果来说,对轨道电路影响更大,表现为牵引电流I1、I2会在扼流变压器高压线圈的两个半圈上形成感应电压Vl、V2。
由于两条钢轨阻抗不完全相等,就会造成I1、I2不可能完全相等,并且扼流变压器高压线圈的两个半圈的阻抗也不可能完全一致,所以在扼流变压器高压线圈的两个半圈上产生的感应电压Vl、V2就不可能完全相等,导致在扼流变压器高压线圈整圈上的感应电压V=│Vl—V2│不可能等于0,如图1-6所示。
这个不平衡电压可能造成轨道继电器的错误动作,为此在JZXC-480型轨道电路的基础上,采取了三项措施对电路进行了改造:
1.改变轨道电路电源频率
牵引电源频率为50Hz工频,所以牵引回流在扼流变压器上产生的不平衡电压的频率也是50Hz,为了躲避这个电压对轨道电路的干扰,将轨道电路电源改为25Hz,从而产生了25Hz轨道电路。
2.增加相位检查
根据电工学原理,任何一个交流电都是由其奇次谐波和偶次谐波构成的,50Hz的电流也是由多个奇次谐波和多个偶次谐波构成的,因而即使改变轨道电源的频率,不平衡电压的25Hz分量仍然有可能造成轨道继电器的错误动作,特别在机车加速、减速、升弓、降弓等特殊情况下,不平衡电压的频率成分更复杂,对轨道电路的影响更大。
为了避免继电器错误动作,设计改变了继电器的类型,将原来一元二位继电器改为二元二位继电器,即交流二元继电器。
交流二元继电器动作需要两个电源,并且这两个电源的初相位有一定的差值,继电器才能动作,即交流二元继电器具有相位检查特性,具体工作原理见本章第二节。
3.增加频率防护
为了使电路更加可靠,彻底消除不平衡电压对电路的影响,还增加了频率防护。
即在继电器线圈上并接防护盒、在扼流变压器上增设适配器,防护盒和适配器的工作原理见本章第三节。
频率躲避、相位检查、频率防护,这是25Hz相敏轨道电路与JWXC-480型轨道电路的不同之处。
图1-7表明了两种轨道电路的差别。
第二节交流二元继电器的工作原理
一、结构
交流二元继电器由局部线圈、轨道线圈、带轴铝翼板、接点系统构成。
局部线圈——铁芯上绕制线圈,通入局部电源,该电源由25Hz电源屏供出,电压110V,频率25Hz。
轨道线圈——铁芯上绕制线圈,通人轨道电源,该电源由25Hz电源屏供出,经轨道电路送电端传输至受电端得到电源,电压大于15V,频率25Hz。
局部电源和轨道电源的初相角在理想状态下相差90°
。
带轴铝翼板——呈椭圆形的铝金属板,其轴心方向与板平面方向成90°
接点系统——附着在铝翼板上,由接点支架和中、上接点片构成。
交流二元继电器实物如图1—8所示。
二、工作原理
交流二元继电器依据两条电磁感应原理工作。
这两条电磁感应原理是:
①处在磁场中的导体在其内部会产生感应电动势或感应电流;
②带电的导体在磁场中会运动。
铝翼板在局部线圈产生的磁场作用下,在其内部会产生涡流,带涡流的铝翼板在轨道线圈产生的磁场作用下会转动;
同样地,铝翼板在轨道线圈产生的磁场作用下,在其内部会产生涡流,带涡流的铝翼板在局部线圈产生的磁场作用下会转动。
两个线圈在铝翼板内产生的涡流方向一致,因而在两个磁场共同作用下,就会使铝翼板转动,铝翼板带动接点支架向上动作,从而中接点和上接点接通。
任意一个磁场消失即任意一个电源消失,铝翼板在回位弹簧的作用下回位,中接点和上接点断开。
三、频率检查性和相位检查性
经过计算,只有局部电源、轨道电源的频率同为25Hz时,在这两个电源的作用下铝翼板才能旋转,所以交流二元继电器具有对电源频率的检查特性。
只有局部电源、轨道电源的初相角相差(局部电源超前轨道电源)90°
时,在这两个电源作用下铝翼板的转矩最大,当局部电源和轨道电源初相角相同时,铝翼板的转矩为零,所以交流二元继电器具有对电源的相位检查性。
转矩公式:
M——铝翼板转矩;
K——系数;
Uj——局部线圈电压有效值;
Ug——轨道线圈电压有效值;
β——局部线圈电压和轨道线圈电压初相角的差值,也叫相位角。
由于局部电源的大小是110V不变,因而铝翼板的转矩由Ug和β两个因素决定。
下面分析这两个因素对转矩的影响。
1.轨道电源对转矩的影响
由转矩公式可以看到,Ug变化会带来转矩的变化,《铁路信号维护规则》(简称《维规》)规定,要求调整状态时交流二元继电器的工作电压不得大于15V,因而通过对轨道电路的调整,在相位角β=90°
时,应该给继电器送人大于18V(考虑可靠工作系数)的电压。
2.相位角对转矩的影响
正弦函数的自变量β为90°
时,正弦函数取得最大值为1,继电器的转矩也取得最大值。
当自变量β为0°
时,正弦函数取得最小值为0,继电器的转矩也取得最小值0,因而β不能为0。
当相位角β偏离90°
时,会造成转矩的下降,但是正弦函数是非线性函数,相位角β在60°
~120°
之间变化时,sinβ在0.866~1之间变化,对转矩的影响并不明显,只要略提高轨道电压Ug,就可以使转矩M达到要求值。
通过上述计算,相位角即使变化到60°
或120°
,只要将轨道电压调高13%就可以满足继电器的转矩要求,因而在维修中没有必要特别强调相位角一定要处在理想的90°
下面解释两个问题:
A.相位角为什么会变化
由于钢轨铺设在大地上,同时钢轨又是大截面积导体,所以在钢轨上传输交流信号时,轨道电路中会存在钢轨间的分布电容、钢轨内部的电感以及道床电阻。
轨道电路使用的主要器材有变压器、补偿电容。
综合以上情况,轨道电路可以等效为图1—9。
25Hz电源屏送出的轨道电路局部电源UJ和送电端电源UG之间的相位角为90°
那么经过轨道电路的传输后,继电器得到的电压Uj和Ug之间的相位角为什么会发生变化呢?
局部电源通过导线直接接到继电器的局部线圈上,因而继电器得到的局部电源和电源屏供出的局部电源无论大小还是初相角都是相同的。
而轨道电源则是通过轨道电路的传输送到继电器轨道线圈上的,其大小和初相角则由轨道电路中的各元件参数决定。
图1—9中的总电流
,当
表现为纯电阻时,I和UG的初相角相同,所以在继电器上得到的
(继电器线圈阻值),与UG的初相角相同,此时Uj和Ug之间的相位差是90°
;
当
表现为容性或感性时,I就会滞后或超前UG,从而造成Uj和Ug的相位差偏离90°
B.相位角变化对继电器造成的危害
在上面“相位角对转矩的影响”中叙述到,相位角对转矩在60°
范围内变化其影响并不明显,那么相位角到底对继电器有什么影响呢?
当Uj和Ug之间形成相位差偏离90°
时,Uj和Ug通入继电器的轨道线圈和局部线圈后,在铝翼板内形成的涡流方向就会偏离铝翼板平面,从而就会使铝翼板受到左右摆动的力,由于翼板固定在轴上,所以此时翼板就会左右颤抖,长时间颤抖就会使轴套磨损而松动,造成继电器使用寿命下降。
这是相位角变化对继电器造成的实质性的危害。
依据这个道理,在实际维修中可以听到继电器工作时发出“嗡嗡”的响声,响声大说明相位角偏离90°
多,响声小说明相位角偏离90°
少。
第三节适配器、防护盒的工作原理
适配器和防护盒在电路中的作用相同,都起阻止不平衡电压对继电器工作干扰的作用,但工作原理和设置地点不同。
一、适配器
1.设置原则
由于正线包括正线上的道岔区段通过的列车多,交流二元继电器更容易受到干扰,所以处在正线上的各区段需要设置适配器。
适配器一般设置在正线上各区段的扼流变压器内。
2.内部结构
适配器由一个电容和带有多个抽头的线圈构成,如图1—10所示。
在制造扼流变压器时,在信号圈铁芯上多绕制一些线圈,并抽出抽头,将电容用密封胶灌注在扼流变压器箱内。
3.工作原理
将电感线圈和电容串联起来,并接到扼流变压器的信号圈上,并调整电感的大小,使电容和适配器线圈、扼流变压器线圈串联形成的电感构成对50Hz信号的谐振,当50Hz信号加到这个谐振电路上时,电路对50Hz信号形成短路,将50Hz信号能量释放。
由此可以看到,加设适配器就是将50Hz不平衡电压利用谐振原理处理掉,从而减少了不平衡电压对轨道电路电源和继电器动作的干扰。
适配器起消除50Hz信号干扰的作用,因此在调整时要求施千部门将其调整在对50Hz信号谐振的状态下,抽头一旦固定再不允许改变。
4.对电路的影响
适配器由电容和电感构成,将其接到电路里必然会带来轨道电路参数的变化,即电路中的总阻抗的大小、方向发生变化。
总阻抗发生变化就会引起电路中的总电流变化,就会引起Ug的大小以及初相角变化。
在使用中当轨道电压和相位角同时发生变化时,可以确定为适配器或防护盒故障。
二、防护盒
1.设置
在每个继电器旁边设置一个防护盒,用来防止不平衡电压对继电器的干扰。
防护盒由一个电感线圈和多个电容构成,如图1—11所示。
在防护盒背后设有调整连接孔。
防护盒和适配器一样用来防止不平衡电压对继电器的干扰,其工作原理也采用了谐振原理,即通过调整防护盒的电容的大小,由防护盒内部的电感线圈、电容和继电器线圈组成对50Hz信号的谐振。
当50Hz信号加到电路上时,电路对50Hz信号谐振而短路,将50Hz信号能量释放,从而消除了50Hz不平衡电压对继电器的干扰。
防护盒同适配器一样,也起消除50Hz信号干扰的作用,因此在调整时要求施工部门将其调整在对50Hz信号谐振的状态下,连接端子一旦固定不允许改变。
同适配器一样,防护盒也由电容和电感构成,将其接到电路里必然会带来轨道电路参数的变化,即电路中的总阻抗的大小、方向发生变化。
总阻抗发生变化就会引起电路中的总电流变化,就会引起Ug的大小、初相角变化,因此改变防护盒的连接端子,会造成Ug的变化以及相位角的变化。
因此当防护盒端子固定后,再不允许随意变动。
第四节迂回电路的形成与克服方法
相邻两区段扼流变压器的中心连接板连接是为了沟通牵引回流,但连接后会造成轨道电路中形成大量的迂回电路。
迂回电路带来两个问题,一是钢轨断轨得不到检查,二是占用本区段会造成相邻区段电压下降。
下面分别叙述三种迂回电路及其克服方法。
一、八字迂回
如图1—12所示,当ⅡC的一条钢轨断轨后,轨道电源就会通过图中的红色线将轨道电压的一半传输到受电端,在钢轨断轨的情况下轨道继电器有可能错误吸起,这是不允许的。
解决这个问题的方法是:
将回路中一处扼流变压器的中心连接板断开。
中心连接板断开的地点遵循两个原则,一是尽量在侧线扼流变压器上,二是在不设吸上线的扼流变压器上。
在维修中切忌不能见到不设中心连接板就错误地去装设。
另外,在理解八字迂回电路时,不要仅仅局限于股道上形成的大八字,在道岔区段一组单动道岔和一组交叉渡线道岔或两组相邻交叉渡线道岔间也可以构成八字迂回,此时断开电路中任何一处扼流变压器的中心连接板,都会中断牵引回流通道,在这种情况下,需要在交叉渡线上加设绝缘来阻断迂回电路。
如图1—13所示。
二、设有横向连接线的交叉渡线构成的迂回
由于横向连接线一般设在车站的进站端口,所以处在车站端口处的交叉渡线会出现这种情况,如图1—14所示。
当列车占用1/7DC时,会造成3/5DC电压下降一半,从而可能错误地使3/5DC故障。
为了防止这种情况的发生,在交叉渡线上加设绝缘,阻断迂回电路。
但是加设了绝缘会造成死区间,因此《维规》规定,加设的绝缘距原分割绝缘不得大于2.5m。
在维修中维修人员要对加设的绝缘进行特别检查,因为当该组绝缘破损会直接导致占用一个区段而另一个区段轨道继电器落下的故障。
三、交叉渡线划分为四区段构成的迂回
一般情况下交叉渡线划分为两个区段,但在极特别的情况下会划分为四个区段,在这种情况下,会构成迂回,如图1—15所示。
当列车占用3DC时,会造成5DC电压下降一半,从而可能错误地使5DC故障。
同样为了防止这种情况的发生,在交叉渡线上加设绝缘,阻断迂回电路。
但是同样加设了绝缘会造成死区间,因此《维规》规定,加设的绝缘距原分割绝缘不得大于2.5m。
在维修中维修人员同样要对加设的绝缘进行特别检查,因为当该组绝缘破损会直接导致占用一个区段而另一个区段轨道继电器落下的故障。
第五节站内电码化
本书叙述的站内电码化指25Hz相敏轨道电路上叠加ZPW-2000A电码化。
由于叠加地点的不同,站内电码化分为二线制和四线制叠加。
一、发码方式
为了能够让机车连续地接收到反映地面信号机状态的信息,须采用连续迎面发码方式。
所以对于轨道电路而言,可能是送端发码也可能是受端发码。
如图1-16所示。
二、发码的地点
为了使司机能够及时了解地面列车信号机的显示,发码的地点应该设置在列车信号机的接近区段。
正线出站信号机处于开放状态时,其接近区段要延长到进站信号机,因而正线出站信号机开放后其发码区段为进站信号机至出站信号机间的所有区段。
如图1-17所示。
调车信号机的接近区段目前没有电码化。
三、发码的时机
发码的时机分为预发码、占用发码。
预发码:
列车占用本区段的前区段,本区段开始发码。
咽喉区的道岔区段一般采用预发码。
如图1—18(a)所示。
占用发码:
列车占用本区段,本区段开始发码。
股道一般采用占用发码。
如图1-18(b)所示。
四、二线制叠加发码
1.电路的叠加点
轨道电路和发码电路的连接点设在室外分线盘上,电码信息的传输和轨道电路合用原轨道电路传输用的一对电缆芯线,所以叫做二线制叠加。
2.合并后的电路要解决的问题
(1)控制信号流向
由于轨道信号、电码信号都属于交流信号,电路叠加在一起必然会互相干扰,即电码信号加到轨道电路上有可能使轨道继电器错误动作,轨道信号加到发送器上会影响发码器的工作,因此必须对信号进行隔离,控制好信号的流向。
(2)控制信号幅值
轨道电路从室内送电端到轨面或者从轨面到室内受电端,都要进行较大比例的变压,电码信号同样利用了这个变压通道,对电码而言也必然会造成较大比例的变压,使到达钢轨上的电码幅值降低,从而造成机车无法接收到电码信号,因此必须对幅值进行处理,控制好轨道信号和电码信号到达钢轨上的幅值。
为了控制信号流向和信号幅值,在原25Hz相敏轨道电路中增设了室内隔离盒
和室外隔离盒。
如图1-19所示。
3.室内隔离盒(NCL)
为了控制信号流向,设置室内隔离盒。
如图1-20所示。
图中红色箭头标明信号应该传输的方向,蓝色箭头表示信号不应该传输的方向。
设置室内隔离盒,可以使轨道信号和移频信号都向钢轨方向传送。
(1)室内隔离盒的结构和作用
如图1-21所示,室内隔离盒由电感线圈、电容器组成,用于控制移频信号和轨道信号的传输方向。
(2)室内隔离盒的工作原理
室内隔离盒采用谐振原理将无效信号通过谐振回路“短路”,从而控制信号不向不应该传向的地方传输,如图1-21所示。
当轨道信号从AT2、ATl2输入时,由于L2、C2对25Hz信号谐振表现出低阻抗,25Hz信号可以通过L2、C2输出至AT5、ATl5,L2、C2上的电压降在送端不超过2V,在受端不超过0.3V。
同时L1、C1对高频信号构成谐振,对25Hz信号表现出大阻抗,阻止25Hz信号向移频信号输入端方向AT8、ATl8传送。
当移频信号从AT8、ATl8输入时,C1、C3和L1对移频信号谐振,表现出低阻抗,移频信号可以通过L1、C1而输出至AT5、ATl5,同时L2、C2对移频信号表现出高阻抗,阻止高频信号向AT2、ATl2方向传送。
电路利用谐振原理实现了信号传输方向的控制。
由于FS发出的信号频率有1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz四种,所以在实际应用中通过ATl0、AT20间端子跨接连接线接人C3来改变L1、C1、C3的固有谐振频率,使L1、C1、C3对四种不同高频谐振。
为了方便维修测试,在室内隔离盒前面板上设有三对测试孔,分别是Uy、Uz、U25。
Uy—移频信号,U25—轨道信号,Uz—移频信号和轨道信号的综合信号。
通过测试可以掌握信号的大小和室内隔离盒的工作情况。
4.室外隔离盒(WGL)
为了控制信号幅值,设置室外隔离盒。
(1)室外隔离盒的结构和作用
如图1—22所示,室外隔离盒由隔离变压器和电容器、电感线圈组成。
室外隔离盒将轨道信号和移频信号分开,使移频信号不经过变压直接向钢轨传输,使轨道信号经过BG变压传向钢轨,从而控制了传向钢轨的移频信号和轨道信号幅值的大小。
(2)室外隔离盒的工作原理
当Uz信号加到隔离变压器的I1、I2上时,由于L1、C1、L5、C3对高频信号谐振,对25Hz信号表现出高阻抗,阻止25Hz信号经变压器B向I7、I8传送。
25Hz信号只能经过L3传至I3、I4,再经轨道变压器变压传到I5、I6,然后经过L4及限制电阻传回I7、I8,最后到达钢轨,实现了对25Hz信号的变压输出。
由于L1、C1、L5、C3构成的谐振电路是高频谐振电路,以及L2、C2构成的谐振电路也是高频谐振电路,所以Uz中的高频信号可以通过L1、C1、C3到达L5,然后感应到L6,经过C2、L2传至I7、I8,最后到达钢轨,实现了高频信号的不变压输出。
由于FS发出的信号频率有1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz四种,所以在实际应用中通过Ⅱ2、Ⅱ3间端子跨接连接线接人C3来改变L1、C1、C3的固有谐振频率,使L1、C1、C3对四种不同高频谐振。
特别要指出的是,由于轨道变压器的线圈参与了谐振,所以其端子必须固定使用,否则就会造成电码信号(移频信号)的幅值在传输过程中降低,进而使机车接收不到电码。
因此,在日常维修中,对于二线制叠加电路,不允许凋整轨道变压器的连接端子。
由于二线制叠加电路不允许调整轨道变压器的连接端子,因此,在这种情况下轨道变压器变成了不能调整的变压器。
那么又如何完成轨道电压的调整任务呢?
为了完成这个任务,在二线制叠加电路中,在室内又设置了调整变压器(BMT)。
5.调整变压器(BMT)
不同的轨道电路其长度不一样,要求轨道电路送电端的轨面电压的大小也不一样,另外,同一段轨道电路由于季节、气候条件的不同,要求的送电端轨面电压也不一样,因此,轨道电路必须做到能够调整送电端电压。
由于在二线制叠加电路中,轨道变压器的线圈固定使用,所以在二线制叠加电路中,轨道电压的调整任务由调整变压器完成。
调整变压器的实物如图1—23所示。
在变压器背部侧设有调整连接端子,依照调整表,可以通过改变连接端子,改变送电电源的大小,从而实现对轨道电路送电端轨面电压的调整。
五、四线制叠加发码
轨道电路和发码电路的连接点设在室外轨道变压器的二次侧端子上,电码信息的传输单独用了一对电缆芯线,这样加上轨道电路用的一对电缆芯线,共使用了4条电缆芯线,所以叫做四线制叠加。
四线制叠加电路,由于叠加点在轨道变压器的二次侧端子上,所以不存在电码信号的幅值控制问题。
对于四线制叠加发码,只要控制好信号的流向,电路就可以可靠工作。
为了控制信号流向,在原25Hz相敏轨道电路中增设了匹配盒(HBP)和感容盒(HLC)。
如图1—24所示。
3.匹配盒(HBP)的作用
高频信号在传输过程中,当遇到高低阻抗转换时,必须设匹配器进行阻抗匹配,否则就会在转换点处造成信号的大幅度衰减。
FS是高内阻设备,钢轨是低内阻设备,为了将FS产生的信号顺利传向钢轨,在电路中设置了匹配盒,匹配盒起到阻抗转换的作用。
其次,当25Hz信号到达匹配盒次级时,次级上的电容和次级线圈构成的谐振电路对25Hz信号谐振,表现出极低阻抗,相当于对25Hz信号“短路”,从而阻止了25Hz信号向FS传送。
匹配盒电路示意图如图1—25所示。
4.感容盒(HLC)的作用
为了防止电码信号流向电源设备(送端叠加)或继电器(受端叠加),干扰电源屏或继电器工作,在电路中增设感容盒。
感容盒串接到电路中,因此,需要电容、电感形成的谐振电路对25Hz信号表现出低阻抗,即谐振频率为25Hz,25Hz信号可以通过感容盒。
当电码信号经过感容盒时,由于感容盒对高频信号不谐振,表现出高阻抗,因此电码信号被阻止,防止了电码信号对电源设备或继电器的干扰。
感容盒电路示意图如图1—26所示。
特别指出,只要是四线叠加发码区段,不管是送端发码还是受端发码,在送端、受端(含一送多受分歧端)必须设置感容盒。
第二章维护
维护测试要按照《铁路信号维护规则》要求进行。
维护中要做到:
各器材紧固良好,配线端子螺丝紧固良好,配线绑扎良好无毛刺,器材清洁无灰尘。
第一节维护标准
一、通则
1.当轨道电路在规定范围内发送电压值最低、钢轨阻抗值最
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