电缆分布电容对交流道岔表示电路的影响研究

王 勇 张 璐 阳 龙

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070；3.大秦铁路股份有限公司大同电务段，山西大同 037005）

1 概述

2015年，成都铁路局贵阳北站201#道岔（距信号楼4.429 km，采用ZYJ7型交流道岔转辙机牵引）进行联锁试验时发现：道岔扳动到位、道岔表示继电器吸起后，在室外道岔转辙机用终端电缆盒处断开X1线（并用2芯）时，道岔表示继电器不落下。经过研究和现场试验后，提出“三相交流五线道岔控制距离大于2 km的，将X1与X2～X5分电缆设置，减小电缆的线间电容”的整治方案。

乌鲁木齐铁路局于2016年1月按上述整治方案进行管内远距离三相交流五线制道岔表示电路的试验工作，试验后该局管内仍有16组控制距离大于2 km交流道岔转辙机，在断开X1电缆时，道岔表示继电器不落的问题。

据此，有必要系统的研究电缆线间分布电容对交流道岔表示电路的影响，并研究工程化解决方案。

2 电路分析

2.1 电路原理

交流转辙机均采用继电式五线制道岔控制电路，由道岔动作电路和道岔表示电路两部分组成。为了节省电缆、检查道岔的动作与表示的一致性，道岔控制电路的动作电路和表示电路均共用室外电缆芯线。

三相交流转辙机控制电路的表示电路为室外二极管与室内表示继电器并联的直接控制电路，是交流半波整流三值极性电路。其室内部分由表示电源、JPXC-1000型表示继电器、电阻R1等组成；室外部分由传输电缆、转辙机、整流二极管、电阻R2等组成，如图1所示。

图1 交流五线制控制电路图（表示电路）

2.2 等效电路

根据均匀传输线理论，交流电流在导线中引起电阻电压降，并在导线的周围产生磁场产生电感电压降；同时，由于两导体会构成电容，故在信号电缆中芯线与芯线之间、芯线与铝护套和钢带之间存在分布电容。

以PTYL23-4型信号电缆为例，其由4根芯线、铝护套和钢带（以下简称“金属护套”）等构成，芯线间、芯线与金属护套间分布电容的示意如图2所示。

图2 PTYL23-4型信号电缆截面图

考虑信号电缆中分布电容后，道岔表示电路的等效电路如图3所示。

图3 考虑电缆分布电容的道岔表示电路等效电路图

信号电缆中的分布电容，电缆越长其就越大。此外，由于道岔控制电路动作电路电压降等因素，需对道岔控制电缆长度超过理论计算长度的道岔控制电路的室外去线和回线加芯，用以延长电缆控制距离。由于芯线与芯线之间、芯线与金属护套之间都存在分布电容，所以当电缆超长加芯使用时，一组并芯使用的芯线与另一组并芯使用的芯线、一组并芯使用的芯线与金属护套之间的电容将随加芯数量增加而增大。

2.3 原因分析

当X1断线时，交流电流会通过分布电容迂回至表示继电器。电缆越长、并芯数量越多，分布电容越大，流向表示继电器的电流就越大，直至维持继电器吸起状态。X1断线后，电流通过两个分布电容回路迂回至表示继电器：一部分通过线间分布电容；另一部分通过线对金属护套的分布电容，如图4所示。

图4 电流通过电容迂回示意图

3 模型搭建和验证

为了便于进行电路分析、故障模拟和改善措施研究，分别对道岔表示电路的信号源部分、传输通道部分和终端阻抗部分建立仿真分析模型。

3.1 信号源部分

信号源部分由室内交流信号源、BD1-7型变压器和室外整流电路构成，50 Hz的道岔表示交流电源经整流后加载在表示继电器线圈上的信号为正半周波峰电压较高、负半周波峰电压较低的周期性信号。

经现场测试，整流后的信号并不只是直流或50 Hz交流信号，而是由一系列频率组成的宽频信号，该信号在传输过程中使得电缆分布电容的影响加剧，同时也导致继电器两端的阻抗变大。

3.2 传输通道部分

传输通道部分由室外信号传输电缆和转辙机电机的线圈两部分构成。其中转辙机电机部分均为集总参数是由测试直接获得；信号传输电缆部分中的电感和电阻参数可由均匀传输线理论获得，电缆分布电容经过在电缆厂和现场测试，芯线位置如图5所示，测试结论为：

1）外围单芯对金属护套的分布电容约为外围四线组对金属护套分布电容的3倍；可忽略中心四线组对金属护套的分布电容。

2）同一四线组内相邻芯线约为同一四线组内对角芯线的5倍；可忽略两四线组间的分布电容。

图5 芯线位置示意图

3.3 终端阻抗部分

道岔表示电路所用继电器为JPXC-1000型偏极继电器，该继电器的返还系数为25%（释放值不小于4 V、工作值不大于16 V）。此继电器线圈在宽频信号源下呈现出极大阻抗，该线圈阻抗随着交流信号电压的变化而变化。

3.4 仿真分析模型

通过上述分析和现场测试结果，利用MATLAB/Simulink建立仿真分析模型，如图6所示。

图6 道岔表示电路仿真分析模型

为验证道岔表示电路仿真模型的有效性，于2017年5月在乌鲁木齐铁路局哈密南站进行现场验证性试验。试验测试结果与仿真计算结果误差不超过7%，验证了仿真模型的有效性。

4 改善措施建议

4.1 信号源部分

1）采用全波整流—桥式整流电路

通过更改现有道岔表示电路，将原来通过单个二极管得到的半波整流信号进行优化为全波整流桥，经仿真模型分析，X1断线后，继电器线圈两端的电压几乎为零，可以减少线间电容对道岔表示电路的影响。

2）表示电路电源采用独立直流电源

道岔控制电路的动作电路和表示电路拆分为两个独立回路，其中表示电路电源采用独立直流电源。

4.2 传输通道部分

通过仿真模型搭建和对模型有效性验证，使得实验室仿真模型与现场情况基本相同或更严格，为了提高表示电路信号电缆的控制长度，提出对信号电缆的使用要求。

1）表示回路中不得使用电缆中的外围单芯。

2）X1需使用独立的四线组，不得与其他回线同四线组。

4.3 终端阻抗部分

1）提高继电器返还系数

现有JPXC-1000型偏极继电器的返还系数为25%，释放值仅为4 V，通过提高偏极继电器返还系数，解决道岔表示电路在X1断线时表示继电器不落问题。

2）并联电容

在继电器线圈上并联电容以降低继电器阻抗。阻抗降低后，X1断线时继电器两端电压下降，但其正常工作电压同样会出现下降，因此该措施需综合考虑X1断线和正常工作时的电压。

5 结束语

上面针对电缆分布电容对交流道岔表示电路的影响进行了理论分析，并通过搭建仿真分析模型，从3方面提出改善措施供实际工程使用，但每项改善措施还应展开单独进行系统性分析研究，并针对现场实际情况，选择综合性解决措施。

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