ZPW-2000A型移频闭塞系统室外调谐单元原理设计与应用

胡飞龙 贾 姣

（通号（北京）轨道工业集团有限公司轨道交通技术研究院，上海 200436）

1 调谐单元的由来

在ZPW-2000A型无绝缘移频闭塞系统中，对于相邻轨道的信号隔离，不再通过机械的方式来实现电气绝缘，而是在相邻轨道之间引入一些特殊的电路，能在一定的条件下将两个相邻的区段进行电气隔离，从而保证本区段信号的有效传输，并阻止相邻区段的信号通过钢轨串入本区段。将实现两个相邻轨道之间的电气隔离电路称为调谐电路，将调谐电路构成的设备称为“调谐单元”。

2 调谐单元的设计原理

调谐单元的设计原理是基于谐振电路。串联谐振电路在其谐振频率工作时，电路中总阻抗呈最小值。充分利用这一特性，实现谐振频率信号在相邻区段的入口处被短路衰减，阻止其串入到相邻区段。

同理，并联谐振电路在其谐振频率工作时，电路中总阻抗值呈最大值。当信号加载到谐振电路时，钢轨因与其并联获得需要传输的信号，从而实现本区段的信号保真传输。

然而，在ZPW-2000A型无绝缘移频闭塞系统中并不是简单的使用谐振电路，而是在此基础上进行深入的再开发，其设计原理相对较为复杂。

2.1 工程设计及现场需求

根据工程设计可知，区段A和区段B为相邻的区段，需在其分界处如图1所示，进行绝缘处理，使各自的移频信号能在本区段有效的传输，且不会串入相邻的区段，造成干扰。

图1 电气绝缘节的工程示意图Fig.1 Sketch diagram of electrical insulated joints

由ZPW-2000A系统载频使用原则可知，A区段和B区段在载频选择上，同时为一组上行载频或者一组下行载频，即一个为F1型频率，一个为F2型频率，如表1所示。

表1 ZPW-2000A系统载频对照表Tab.1 Comparison table of ZPW-2000A system carrier frequency

2.2 设计构想

基于现场的使用环境，A区段可能采用F1型或者F2型载频频率，相对应B区段应该采用F2型或者F1型载频频率。如图2所示。

图2 相邻区段载频频率选择示意图Fig.2 Sketch diagram of carrier frequency selection of adjacent tracks

将设计需求和频率选择示意图结合后，可知要实现两个区段的电气绝缘，只需满足：对于两种不同频率的信号，在相邻轨道的分界点处能实现一路信号被短路衰减，一路信号可以继续沿着钢轨向前传输。

将需求转化为：在同一绝缘点处对于两种不同频率的信号能呈现出两种不同的阻抗要求。

2.3 设计实现

引入谐振电路去解决电气绝缘，是基于谐振电路对不同频率的信号表现出不同的阻抗值，利用阻抗变化，找到其阻抗的零点和极点，从而实现信号的有效控制。

为了阻止将相邻区段的信号传输到本区段，在本区段的入口处设置一个相邻区段信号可产生串联谐振的串联谐振电路。当相邻区段的信号传输到本区段入口处时，谐振电路会产生谐振，且当其谐振阻抗值非常小时，相邻区段的信号就被隔离在本区段的外面，从而实现电气绝缘的功能，如图3所示。

A区段为F1型，B区段为F2型。且L1、C1和R1构成的串联谐振电路对F2型信号呈串联谐振，L2、C2和R2构成的串联谐振电路对F1型信号呈串联谐振。

对于A区段，本区段信号送入钢轨后，传输到A区段的末端，B区段的起始处时，此时L2、C2和R2构成的串联谐振电路，出现谐振，将A区段的F1型信号在此处短路衰减掉。A区段信号沿着另外一个方向传输到A区段的起始处时，同理会遇到L2、C2和R2构成的串联谐振电路，将其短路衰减。

对于B区段，信号在接入点送入钢轨。传输到A区段结尾处和C区段入口处时，遇L1、C1和R1构成的串联谐振电路，出现谐振。将其在此处短路衰减，阻止其沿着钢轨继续传输。

综上所述：通过在相邻区段的两端引入串联谐振电路，阻隔相邻区段的信号经钢轨传输到本区段。

电气绝缘节的设计不仅能阻隔相邻区段的信号相互串扰，还需保证信号在本区段的钢轨上有效的传输。鉴于在相邻轨道信号串扰的电气隔离设计采用串联谐振电路，且考虑到并联谐振电路在其谐振频率时，电路中的阻抗值存在最大值。故此，在保证本区段信号传输的电路设计中可以借助并联谐振电路的特性，当谐振电路在谐振频率时呈现出阻抗最大值，那么将轨道作为一个负载并联在两段时，可使信号沿着钢轨向前传输。结合前面的设计，在此基础上进一步延伸，使得电气绝缘节的设计能满足上述的两个功能。

由L1、C1构成的串联谐振电路：

由L2、C2构成的串联谐振电路：

由此可知：L1和C1构成的串联谐振电路，要构成并联谐振需要并联一个电感，电感值大小需根据实际的使用环境进行计算。L2和C2构成的串联谐振对F2型频率信号呈感性，那么要构成并联谐振，需给其并联一个电容，同样，电容的容值大小需要根据实际使用环境进行计算。

基于上述分析，再次对电气绝缘节原理进一步调整后，如图4所示。

在完成总体原理架构设计时，其工作原理如下。

对于A区段： F1型移频信号加载到由L1、C1和R1并构成的并联谐振电路上，电路谐振，阻抗值约为2 Ω，使得信号被加载到一个2 Ω的电阻上，信号沿着A区段的钢轨向前传输。当传输完本区段时，到达上一个区段的电气绝缘节，此时由L2、C2构成的串联谐振电路产生谐振，阻抗值约为10 mΩ，将A区段的信号短路衰减，使其不能继续向前传输。当其沿着另一个方向，即顺着列车运行方向传输时，到达B区段入口处的L2、C2串联谐振电路时，电路出现谐振，谐振电路的总阻抗约为10 mΩ，信号在此处被短路衰减，阻止其沿着钢轨进入B区段。由此可知，通过设置调谐电路，使信号只能在本区段进行传输，不能越过电气绝缘节传向相邻的区段。

图4 再次设计后的电气绝缘节示意图Fig.4 Re-designed electrical insulated joints

同理，对于B区段：本区段的F2型移频信号通过由L2、C2和C2并构成的并联谐振电路接入轨道，此时该并联谐振电路出现谐振，电路总阻抗值约为2 Ω，B区段的轨道通过并联方式引入信号，传输至A区段时，由L1、C1构成的串联谐振电路，出现谐振，信号在此处被短路衰减掉。当B区段的信号沿着列车运行方向继续传输时，到达C区段由L1、C1构成串联谐振电路，产生谐振。使得B区段的信号在此处被短路衰减掉。这样B区段的信号也实现在本区段的保真传输，并阻止其串入A区段和C区段。

通过对上述原理分析可知，本电路结构设计在原理上已经实现电气绝缘的两个功能需求。但在ZPW-2000A系统应用时，还需要考虑钢轨的特性和使用环境以及设备集成等因素。

3 调谐单元的应用

钢轨在列车牵引系统中作为牵引回流线，构成整个电力牵引网络，因此电气绝缘节的设计需要考虑牵引电流的平衡。

在信号传输系统构成中作为核心检测部分，不仅存在电阻，还存在电感，对移频信号有一定的阻抗。因电气特性与其使用的路基环境不同有很大的差异，对于普通的路基，其轨道电阻和电感的取值范围如表2所示。

表2 路基环境轨道电阻和电感取值范围Tab.2 Numeric range of track resistance and inductance in subgrade

对于其中的每一对信号，按照频率，设计出两种谐振电路：第一种谐振电路在F1型信号条件下工作时，整个电路有最大阻抗，在F2型信号条件下工作时，电路有最小阻抗，满足在F1型频率信号条件下，将其本区段的信号传输出去，在F2型频率信号条件下，阻隔其进入当前F1型区段。将这种串并联电路称为“串并联I型电路”，阻抗曲线如图5所示。

图5 串并联|型谐振电路阻抗曲线图Fig.5 Impedance curve of I-type series-parallel connection resonant circuit

第二种谐振电路是当其工作在频率较低的F1型信号频率时，整个电路中有最小阻抗，工作在F2型频率时，电路中有最大阻抗，阻止F1型信号频率越过电气绝缘节进入F2型信号区段，即可使F2型信号频率在本区段传输，将这种串并联谐振电路称为“串并联II型电路”，其阻抗曲线如图6所示。

图6 串并联||型谐振电路阻抗曲线图Fig.6 Impedance curve of II-type series-parallel connection resonant circuit

串并联I型电路由L1、C1和电感Lt构成，其工作在F2型信号频率条件下时，L1和C1构成串联谐振电路对其进行短路衰减。当其工作在F1型频率信号条件下时，L1、C1和Lt构成的并联谐振电路产生并联谐振，保证F1型频率能够在本区段良好传输，其原理如图7所示。

图7 串并联|型谐振电路Fig.7 I-type series-parallel connection resonant circuit

串并联II型电路由L2、C2、Ct和电感Lt构成，当其工作在F1型信号频率条件下时，L2和C2构成的串联谐振电路对其进行短路泄漏，当其工作在F2型频率信号条件下时，L2、C2、Ct和Lt构成的并列谐振电路产生并联谐振，保证F2型信号频率在本区段良好传输，其原理如图8所示。

在上述两种类型的串并联谐振电路中都出现电感Lt，由于考虑现场使用环境，需要对钢轨的不平衡牵引电流进行平衡，故在ZPW-2000A系统中将这个电感单独设计，并作为一种产品，用于对不平衡牵引电流进行平衡，且其电感特性与其他设备一并构成电气绝缘节。

图8 串并联||型谐振电路Fig.8 II-type series-parallel connection resonant circuit

在ZPW-2000A系统中，电气绝缘节由29 m钢轨和上述两种谐振电路共同构成，上述两种谐振电路又分为F1型调谐单元、F2型调谐单元和空芯线圈。

F1型调谐单元是由串并联I型谐振电路设计而来，去除电感Lt后的两元件构成，用于F1型区段的两端。F2型调谐单元是由串并联II型谐振电路，除电感Lt后的三元件构成，用于F2型区段的两端。空芯线圈是由电感Lt设计而来，对50 Hz信号有较低的阻抗，对不平衡牵引电流起到短路、平衡的作用。在移频信号的工作条件下，构成电气绝缘节。

4 总结

本文通过分析ZPW-2000A型移频闭塞系统室外调谐单元的原理设计，详细讲述调谐单元的设计原理在ZPW-2000A系统中的应用，为调谐单元的使用提供必要的技术支持，有助于对其进行研究和故障判断等工作。