远距离交流道岔表示故障工程化措施研究

王 勇

(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)

1 概述

目前，国内三相交流转辙机道岔控制电路均采用继电式五线制，由动作电路和表示电路组成。为节省电缆和检查道岔动作与表示的一致性，动作电路和表示电路共用室外电缆芯线。鉴于道岔动作电路电压降等因素，需对道岔控制电缆长度超过计算长度的室外去线和回线加芯，用以延长电缆控制距离。

然而，近些年发现远距离控制的道岔在进行联锁试验时，道岔扳动到位、表示继电器吸起后，在室外终端电缆盒处断开X1线时，继电器不落下。针对此情况，中国铁路总公司也发文提出“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”的整治方案，但是也不能彻底根治此问题。

同时，通过系统分析导致远距离三相交流道岔表示电路发生断线不落的原因为信号电缆中芯线与芯线之间、芯线与铝护套和钢带之间的分布电容，并建立经过现场试验验证的道岔表示电路仿真分析模型。

据此，从信号源、传输通道和终端阻抗3个方面分别进行系统研究，提出远距离交流道岔表示故障工程化措施。

2 措施研究

2.1 信号源

道岔表示电路信号源由室内交流信号源、表示变压器和室外整流电路构成，室内50 Hz交流电源经半波整流后加载在表示继电器上正半周波峰电压较高、负半周波峰电压较低的周期性信号。对该信号进行傅里叶分解后，其频谱范围0～300 Hz均有能量分布，半波整流后表示继电器线圈电压中各频率信号占比如表1所示，并不只是直流信号，还有占比较大的交流50 Hz和宽频信号，使得电缆分布电容的影响加剧。

2.1.1 采用全波整流—桥式整流电路

在现有道岔表示电路的表示变压器二次侧增加桥式整流电路，取消现有整流二极管。修改后原理如图1所示。

图1 全波整流电路原理图（DBJ）Fig.1 Schematic diagram of the full-wave rectifying circuit（DBJ）

经仿真模型分析，全波整流后表示继电器两端电压各频率信号占比如表1所示。因电容通交流阻直流的特点，改善后的表示电路中电压信号交流分量较小，减少线间电容对道岔表示电路的影响，从而在X1断线后道岔表示继电器可靠落下。

表1 全波整流和半波整流各频率信号占比Tab.1 Proportion of Frequency Signals in full-wave rectification and half-wave rectification

2.1.2 表示电路采用独立直流电源

由于表示电路中存在交流信号，在X1断线时交流电流会通过分布电容迂回至终端继电器，致使表示继电器不落下。本措施是将表示电路与动作电路拆分，分别采用独立回路，并且表示电源采用直流电源，如图2所示。

本道岔控制电路由分别独立的动作电路、表示电路和电源电路3部分组成。

1）动作电路：采用五线制独立回路（X1～X5），工作原理与既有电路基本相同。

2）表示电路：采用四线制独立回路（X6～X9），与既有电路原理不同。

工作电源采用直流电源，在室外增加硅整流器或同类整流设备，可采用用于四线制方向电路的硅整流器（ZG2-220/0.2 100/0.1）；

定位和反位表示继电器分别采用独立回路，采用无极继电器（JWXC-1700）；

由于1DQJ和2DQJ仅剩一组空余接点，新增其复示继电器。1DQJ的复示继电器为1DQJF2，2DQJ的复示继电器为定位转换继电器（DZJ）和反位转换继电器（FZJ）。

3）表示电源采用干线供电方式。电缆芯线根据全站电源分束情况设置，即每束表示电源各两芯；室外道岔转辙机采用分支供电方式。

2.2 传输通道

传输通道主要由室外信号传输电缆构成。经现场多次测试，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；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。

图2 表示电路和动作电路拆分图Fig.2 Splitting diagram of indication circuit and transaction circuit

2.2.1 电缆限制要求

为提高表示电路信号电缆的控制长度，提出对信号电缆的限制要求：

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。

2.2.2 转辙机专用电缆

如图3所示，参照PTYL23型信号电缆结构，提出的转辙机专用信号电缆，主要修改如下。

1）由于中心四线组对金属护套的分布电容较小，甚至可以忽略，故将原外围四线组替换为填充绳，同时加大包带层和隔热层的厚度。

2）由于同一四线组中相邻芯线的分布电容较大，对角芯线的分布电容较小，故将原中心四线组中相邻的芯线替换为填充绳，只使用对角2芯，同时每芯导体外的绝缘厚度要加大。

3）不设置外围单芯。

图3 交流道岔转辙机专用信号电缆结构示意图Fig.3 Schematic diagram of special signal cable structure for the AC switch machine

本措施处于理论研究阶段，需另立题目进行系统研究和试制产品等。

2.3 终端阻抗

现有JPXC-1000型偏极继电器的返还系数仅为25%，具体电气特性如表2所示。

表2 继电器电气特性Tab.2 Electrical properties of relays

2.3.1 提高继电器返还系数

为使表示电路信号电缆的控制长度更长，提出的高返还系数继电器需与电缆使用限制要求同步使用。

1）返还系数提高至37.5%方案（以下简称为JPXC-1000G）

将现有偏极继电器的返还系数提高到37.5%，仅将释放值从原不小于4 V优化为不小于6 V，具体电气特性如表2所示。

在原有JPXC-1000型偏极继电器的基础上，通过增加止片厚度可达到特性要求。

2）返还系数提高至50%方案（以下简称为JPXC-800）

将现有偏极继电器的返还系数提高到50%，将继电器前后线圈电阻由500 Ω优化为400 Ω、释放值从原不小于4 V优化为不小于8 V，具体电气特性如表2所示。

在原有JPXC-1000型偏极继电器的基础上，通过改变线圈参数和增加止片厚度可达到特性要求。

2.3.2 高返还系数继电器+并联电容

为进一步提高继电器在长电缆条件下的适应性能，考虑在高返还系数继电器上并联电容以降低终端阻抗，从而使X1断线时继电器两端压降下降，但其正常工作电压同样会出现下降。

1）JPXC-1000G+并联电容

在JPXC-1000G线圈两端并联电容。经仿真模型计算，容值变化范围取2.5～5 μF，工作电压和X1断线电压曲线如图4所示。

图4 JPXC-1000G线圈两端电压变化图（并联电容）Fig.4 Voltage change diagram at two ends of JPXC-1000G coil (parallel capacitor)

当并联电容值≥3.9 μF，X1断线时继电器直流电压＜6 V，X1断线表示继电器可靠落下；当并联电容值≤3.5 μF，正常工作时继电器直流电压＞16 V，表示继电器可靠吸起。

综上，本措施无法选择范围内电容值。

图5 JPXC-800线圈两端电压变化图（并联电容）Fig.5 Voltage change diagram at two ends of JPXC-800 coil (parallel capacitor)

2）JPXC-800+并联电容

在JPXC-800线圈两端并联电容。经仿真模型计算，容值变化范围取1～3.5 μF，工作电压和X1断线电压曲线如图5所示。

当并联电容值≥1.6 μF，X1断线时继电器直流电压＜8 V，X1断线表示继电器可靠落下；当并联电容值≤2.5 μF，正常工作时继电器直流电压＞16 V，表示继电器可靠吸起。

综上，并结合现有电容容值类型，电容容值选取 2.2±0.2 μF。

3 工程化建议

3.1 信号源工程建议

1）全波整流-桥式整流电路措施：继电器和电源位于混线位置同侧，会发生混线危险，存在安全隐患，不推荐本措施。

2）表示电路和动作电路拆分措施：电路采用了位置法、双断法和互检法等，并取消了易损坏的整流二极管，解决电缆分布电容对表示电路影响较为彻底，同时国外道岔转辙机控制电路（西门子公司、阿尔斯通公司和GE公司等）普遍为表示电路和动作电路分别采用独立回路，由于对既有表示电路改动较大，需在现场进行试验验证后，建议在新建和改建工程中推广使用。

3.2 传输通道和终端阻抗工程建议

3.2.1 动作电路控制长度

S700K、ZDJ9和ZYJ7型交流转辙机动作电路电缆限制长度如表3所示。

表3 动作电路电缆限制长度Tab.3 Limited length of transaction circuit cable

3.2.2 表示电路控制长度选择

根据仿真模型计算，在不考虑信号源措施情况下，综合动作电路控制长度的要求，表示电路信号电缆控制距离的措施和适应的极限长度有效值筛选如表4所示。

表4 表示电路电缆极限长度有效值筛选Tab.4 Valid values screening of limited length of indication circuit cable

3.3 工程化建议

3.3.1 既有线

1）控制电缆长度小于2.2 km的道岔转辙机，道岔控制电路维持现状。

2）控制电缆长度小于2.7 km的道岔转辙机，道岔控制电路电缆加芯至两芯，建议措施：维持既有JPXC-1000，电路不使用外围单芯、X1使用独立电缆中四线组。

3）控制电缆长度小于4.4 km的道岔转辙机，道岔控制电路电缆加芯至两芯，建议措施：JPXC-1000G，电路不使用外围单芯、X1使用独立电缆中四线组。

4）控制电缆长度小于5.9 km的道岔转辙机，道岔控制电路电缆加芯至三芯，建议措施：高JPXC-800，电路不使用外围单芯、X1使用独立电缆中四线组。

5）控制电缆长度大于5.9 km的道岔转辙机，建议采用就地控制设备（独立联锁设备或区域联锁设备等）。

3.3.2 新建线

1）道岔控制电路采用JPXC-800，电路不使用外围单芯、X1使用独立电缆中四线组，道岔转辙机控制电缆长度不大于5.9 km，道岔控制电路电缆加芯根据动作电路的控制长度要求设置。

2）控制电缆长度大于5.9 km的道岔转辙机，建议采用就地控制设备（独立联锁设备或区域联锁设备等）。

3.3.3 其他

结合现场电缆芯线使用紧张情况，特提出在高返还系数继电器（JPXC-800）上并联电容（2.2±0.2 μF）的临时建议措施，由于电容易故障（劣化致容值下降或电容被击穿等问题），本研究不建议此措施作为正式工程方案。

4 结束语

文中提出的道岔表示电路对室外信号电缆的限制要求和高返还系数继电器相结合的工程化建议，已在乌鲁木齐局哈密南站（普铁站）和哈密站（高铁站）进行初步验证，但还需进一步扩大试用。同时提出的高返还系数继电器只是进行了初步产品试制，满足方案需求，但具体细节还需进一步优化和深度研究，其投入使用还需进行相关形式试验（如机械寿命、电寿命）、小批量试制、批量生产、上道运行、上级部门审查、批准等程序。