25 Hz相敏轨道电路自适应稳压装置设计

2021-03-09张伟林董有福孙永军刘建磊

铁路通信信号工程技术 2021年2期

张伟林，董有福，孙永军，张鹏，刘建磊

（1.山东高速轨道交通集团有限公司益羊铁路管理处，山东寿光 262700；2.山东交通学院轨道交通学院，济南 250357）

作为重要的铁路信号设备，轨道电路一个重要的作用是检测轨道区段是否有列车占用。97 型25 Hz 相敏轨道电路采用交流25 Hz 电源连续供电，受端采用交流二元二位轨道继电器，具有更高的可靠性。97 型25 Hz 相敏轨道电路不仅可用于交流电气化区段，也可用于非电气化区段。因此，该类轨道电路是目前站内最常用的轨道电路制式。

1 存在问题

当97 型25 Hz 相敏轨道电路应用于货物专用线时，散落于道床的货物如煤炭、矿石会严重污染道床。从而对该类轨道电路造成严重的影响，无法实现一次调整。

雨雪天时，污染严重的道床泄漏会出现“红光带”故障。为解决该问题，工作人员需要到室外调高该区段送电端轨道变压器Ⅱ次侧电压。晴天时，道床泄漏情况改善，为避免“分路不良”，工作人员需要把已调高的该区段送电端轨道变压器Ⅱ次侧电压调低。恶劣天气（雨雪天）时，送电端轨道变压器Ⅱ次侧电压调高，晴天时再将送电端轨道变压器Ⅱ次侧电压调低。这不仅会严重降低运输效率，也会大大增加工作人员的劳动强度。

另外，由于不同现场环境(轨道长度、电缆长度、道床污染程度)，会对二元二位继电器轨道电压幅值有较大影响。即当送电端轨道变压器Ⅱ次侧电压固定时，不同的轨道电路和电缆长度，以及道床污染程度，其对应的二元二位继电器轨道电压幅值也有较大不同。

2 电路原理

针对道床泄漏对25 Hz 相敏轨道电路的影响，本文设计了自适应稳压装置，其电路原理如图1 所示，主要包含整流滤波电路、智能电压比较电路和执行电路。

图1 自适应稳压装置电路图Fig.1 Circuit diagram of self-adaptive voltage stabilizing device

二元二位继电器两端的交流电压经整流滤波电压处理后输入智能电压比较电路；智能电压比较电路的输出驱动三极管的导通与截止；三极管的导通与截止进一步驱动继电器吸合或断开；继电器吸合减少与稳压管串联电阻的阻值，从而减少串联电阻的分压量。继电器断开增加与稳压管串联电阻的阻值，增加串联电阻的分压量，从而自适应性地保证稳压管两端电压的一致性。

整流滤波电路主要包括整流电路、电容滤波电路和取样电位器。取样电位器与电容滤波器并联，其作用为：25 Hz 相敏轨道电路调整状态下，无论二元二位继电器两端的电压如何变化，通过取样电位器分压值，可有效驱动智能比较电路。

智能电压比较电路由滞回电压比较器、AC-DC电源模块、基准电压电路组成。AC-DC 电源模块将二元二位继电器110 V 的局部电压转换为12 V直流电压，为滞回电压比较器中的运放单元和执行电路中的继电器供电；通过设定电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5的值可获取滞回比较器电路的两个最佳阈值电压。

执行电路包括三级管、继电器、稳压二级管和电阻，以实现二元二位继电器自适应稳压。两个稳压二极管反向串联，且每个稳压二极管与两个并联的电阻串联；其中一个电阻与继电器的常开触点相连；当继电器吸合时，使较小的电阻值与稳压二极管串联；当继电器断开时，使较大的电阻值与稳压二极管串联。

防护盒是受电端中与二元二位继电器连接最近的设备且其安装在室内。当现场条件发生变化时，受电端的轨面电压会发生改变，从而导致防护盒两端的电压也会发生改变。为减少外加电路对25 Hz 相敏轨道电路电气特性参数的影响，同时能够实现自适应稳压，自适应稳压装置安装在97 型25 Hz 相敏轨道电路受电端室内电路中的防护盒与二元二位继电器之间，安装位置如图2 所示。

基于自适应稳压电路原理可知，其具有以下特点：

1）符合故障导向安全原则。当电压处理电路和比较电路一个故障或同时故障时，稳压电路也可正常工作，保障了行车安全；稳压电路只有两种故障形式，短路或断路，但无论是短路故障还是断路故障，二元二位继电器都会失磁落下，导向安全侧；

图2 自适应稳压装置安装位置Fig.2 Installation position of self-adaptive voltage stabilizing device

2）具有自适应性。当二元二位继电器轨道电压幅值较大时，执行电路中的三级管导通；当二元二位继电器轨道电压幅值较小时，执行电路中的三级管截止。三级管导通使继电器吸合，截止使继电器落下。继电器吸合，使得执行电路中的电阻R7与稳压二级管串联共同起稳压作用，电阻R7起到更大的分压作用；继电器落下，使得执行电路中的电阻R7与电阻R8并联后，再与稳压二级管串联共同起作用。电阻R7与R8并联后，总阻值变小，起到的分压作用也变小。因此，当现场情况发生变化时，自适应稳压装置可实现自适应的调整以保证所需稳压值的稳定性；

3)不影响相位和联锁关系。本文提出的自适应稳压电路只对二元二位继电器轨道电压的幅值进行稳定，并不改变其相位，更不影响联锁关系。

3 应用场景分析

在最有利条件下，获取能保证正常分路的送电端轨道变压器Ⅱ次侧最高电压，假设为Vmax;在最不利条件下，获取能有效消除道床泄漏影响（消除红光带故障）的送电端轨道变压器Ⅱ次侧最低电压，假设为Vmin。

1）当Vmin高于Vmax时

为保证正常分路和保障行车安全，送电端轨道变压器Ⅱ次侧最高电压只能调整为Vmax。因此，在最不利条件下道床泄漏非常严重（Vmin高于Vmax）时，本装置只能在一定程度上解决道床泄漏问题。Vmin与Vmax的差值越小，能有效解决道床泄漏的程度越大；反之既然。

2）当Vmin低于或等于Vmax时

在最有利情况下，送电端轨道变压器Ⅱ次侧最高电压调整为Vmax并固定，可以保证有效分路。另外，继电器两端接有稳压装置可以保证继电器两端电压在正常范围内。在最不利情况下（道床泄漏时），因为Vmin低于或等于Vmax。送电端轨道变压器Ⅱ次侧最高电压调整为Vmax时可以完全解决道床泄漏问题，从而消除红光带故障。

综合以上分析，自适应稳压装置并不能解决任何情况下的道床泄漏问题。对于泄漏非常严重的区段（Vmin高于Vmax），本装置只能在一定程度上解决该问题。

4 现场测试

山东高速轨道交通集团有限公司益羊铁路管理处管内的晨鸣站对该装置进行了现场测试。测试区段为非电气化区段，长度1 100 m，二元二位继电器的电压范围为16 ～27 V。综合考虑现场条件和继电器的电压范围，确定稳压装置的稳压值为18 V。通常该区段送电端轨道变压器Ⅱ次侧电压为1.76 V，二元二位继电器两端电压为25 V（因道床泄漏较严重，雨雪天气时容易出现红光带）。该区段送电端轨道变压器Ⅱ次侧电压为2.84 V 时，在最有利条件下也能有效分路。当该电压大于2.84 V 时，在最有利情况下不能保证有效分路。因此，为尽可能降低道床泄漏的影响，该区段送电端轨道变压器Ⅱ次侧电压调整为2.84 V。当不增设自适应稳压装置时，继电器两端电压为35 V，超出了电压范围。增设自适应稳压装置后，继电器两端的电压稳定在18 V，结果如图3 所示。