長距離傳輸的交叉環線的優化

李 華

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

1 交叉環線的應用

“計軸+交叉環線”以計軸設備代替區間軌道電路，實現閉塞分區空閑與占用的檢查，以環線代替鋼軌向機車傳遞機車信號信息，主要特點如下。

1）不受道床電阻變化影響，受線路條件制約小。

2）不需在鋼軌上加裝絕緣節，不受軌距稈絕緣節破損影響，安裝簡單方便。

3）不受電氣化干擾，適用于電化、非電化區段。

2003年9月和2004年4月在京廣線“計軸+ZPW-2000A交叉環線”“菠蘿坑—連江口”和“張灘—土嶺”成功開通投入運用。環線系統中主要設備為發送器、室內環線防雷匹配單元、模擬網絡、室外環線防雷匹配單元（LFW）、室外環線互感器單元（DB1）、環線檢測繼電器、電纜。系統構成如圖1所示。

該交叉環線大小環共用一臺發送器，電纜長度最大為7 km，大環1 200 m，小環300 m。

2 針對長距離傳輸的需求

后續工程陸續出現了長大隧道，例如蘭武二線的烏鞘嶺隧道站間距為27.9 km，隧道長20.5 km，需要考慮最長傳輸電纜為15 km。針對具體工程需求和前期運用的經驗，可按照以下原則進行研究。

1）12 km以下電纜時，1 500 m以內的閉塞分區，將環線等分為大小環2段，大環1 200 m，小環300 m；12～15 km電纜時，最長750 m，根據需要分割。

2）合理調整設備參數，做到現場使用調整方便，有足夠的運用余量。

3）在不進行大功率發送設備開發條件下，消除發送過熱現象，降低信號源的故障。

4）在菠蘿坑—連江口和張灘—土嶺運用基礎上，對系統提出計算和試驗依據，使系統的合理性得以確認。

5）為了減少設備發熱情況，原則上按3級電平及以下設計，并為運用調整留有余量。

3 功率消耗因素的分析與優化

在波蘿坑—連江口的環線設置中已經使用了2級電平，甚至在個別1 700 Hz的區段采用了1級電平，從單純提高發送器輸出角度已經不能滿足長距離傳輸要求，必須從系統級考慮，重新考慮功率分配和傳輸優化。

傳輸通道中包括：帶2個輸出端的變壓器、電纜模擬、電纜、匹配變壓器、環線和電流互感器。下面基于烏鞘嶺交叉環線的應用對功率優化的方式進行分析。

1）環線的補償

烏鞘嶺隧道采用無碴道床，軌枕板內鋼筋未做絕緣處理。因此，軌枕板內的鋼筋網構成閉合回路。環線回路就像變壓器的一次線圈，而這些鋼筋網閉合回路成為二次短路線圈，形成二次電流，也就是說，無碴軌枕板內的金屬閉合網格成為環線附加負載，從環線吸收和消耗能量，增加環線的衰耗。因此首先要測量隧道內環線阻抗，做為計算依據。經現場測量，環線阻抗參數如表1所示。

表1 環線阻抗測試數據

與大瑤山連江口-菠蘿坑環線相比，環線導線截面積由2.0 mm2加粗為3.7 mm2，截面增加0.85倍，但環線2 600 Hz每公里的電阻卻由18 Ω增加為22.78 Ω，上述所提到情況，是每公里環線電阻增加的原因之一。

以2 600 Hz為例，為了形成600 mA電流，需要功率為p=I2×Z環線=0.36×51.19=18.4 W，由于環線阻抗為感抗性質，為了降低無功損耗，考慮在環線電纜入口并聯電容以實現補償，按照環線電感為2.806 mH/km選取，諧振點選擇在2 600 Hz，C=1/W2/L=1.34 uF。按照1.34 uF補償后，入口阻抗升高為91.6029-46.3168i，模值為102.6 Ω，此時為了在環線上得到600 mA電流，在入口上消耗的總功率為9.19 W。通過在環線入口處并聯電容進行補償，降低了環線所需要功率。

2）電纜補償

環線至信號樓，電纜最長按15 km考慮。電纜超長，大大增加信號的傳輸衰耗。

根據電纜的一次參數，求其傳輸固有衰耗。其公式為：

其中：

γ：電纜傳輸每公里的傳播常數；

β：電纜傳輸每公里的固有相移；

α：電纜傳輸每公里的固有衰耗；

R、L、G、C：均為電纜的一次參數，分別按照45 Ω/km、825 uH/km、10-10S/km、28 nF/km。

按上述公式和電纜一次參數計算，15 km電纜的固有衰耗為：

其中：

P受：電纜的負載接收功率，即環線經過電纜，從發送器得到的功率；

P送：發送器發送功率，該功率經電纜向環線傳輸,發送器輸出功率按90 VA考慮。

以上計算是一個粗的估算，從中可以看到15 km電纜的衰耗非常大，發送器發出的功率，絕大部分都消耗在電纜上，如果不采取必要措施，環線得到的功率很小，環線長度也就很短，只有0.354 km。用這個方法去估算大瑤山連江口-菠蘿坑段環線長度，電纜長8 km時，環線長度也就在1.2 km左右，實際情況和此估算差不太多。為了能夠降低電纜損耗，在電纜的始端和終端串入電感進行補償。

3）發送器輸出功率

由于發送器輸出功率有限，電纜衰耗又大，故按一供一考慮，即大、小環線各用一臺發送器。電平級不高于三級，功出電流限制在0.6 A左右。

4）取消模擬網絡

在ZPW-2000A軌道電路中，為了達到各位置配置一致，采用電纜模擬網絡補齊至一特定長度，在最初的環線系統設計中也采用了該方式，但是在長大隧道的應用環境下，功率的限制成為關鍵，因此為了在電纜長度較短的區段能夠節約該消耗，且室外不存在列車分路時的負載變化，因此取消模擬網絡。

5）室外增加可調整的匹配環節

在原系統中，由于電纜模擬到固定長度，因此通道阻抗固定，在取消了模擬網絡后，需要在室外的調整變壓器上進行繞組調整，以達到不同環線長度對各種電纜長度的阻抗匹配。

根據上述分析，能夠從如下幾個方面對環線系統進行改進。

①每段環線獨立設置1套發送器。

②取消原有室內1托2變壓器，以減少附加功耗。

③取消“電纜模擬網絡”。

④在室內外增加電感對電纜的無功損耗進行補償。

⑤環線調整變壓器采用多種繞組輸出，以進行匹配調整。

⑥提高環線線徑，減少環線環阻。

⑦對環線阻抗進行并聯補償，提高環線入口阻抗，降低環線的無功損耗。

系統構成，如圖2所示。

4 計算驗證

1）理論計算

室外變壓器變比為2；

并聯補償電容為2 μF。

電纜參數取值執行電纜標準。

計算結果如表2、表3所示。

①無任何補償措施，2 600 Hz信號條件下。

表2 無補償措施條件下的環線分析

②采取補償措施。

增加電平級及優選補償配置還能進一步提高傳輸長度。

表3 增加補償措施后的環線分析

5 總結

不管是在軌道電路還是交叉環線，進行通道的補償已經是一個應用廣泛的手段，且ZPW-2000A無絕緣軌道電路對鋼軌的容性補償更得到了對調整、分路、機車信號、斷軌檢查等全面性能的提升。本文僅舉例說明，在環線系統中對通道進行功率補償減少衰耗的可行性，針對該系統仍能夠通過進行更為合理的配置選取提高傳輸性能。

[1]張冠瑩．信號傳輸原理［M］．ZPW-2000A無絕緣自動閉塞系統培訓教材．北京：中國鐵道出版社，1989.

[2]傅世善．鐵路信號基礎知識（第三講）——閉塞制式的基本概念[J]．鐵路通信信號工程技術，2009（4）：64-66.