道岔控制電路分布電容探討

樊西寧

(1.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

當(dāng)前，國內(nèi)高速鐵路多使用提速道岔來增加列車轉(zhuǎn)向距離及側(cè)向通過速度，但提速道岔物理長度上的增加和控制距離的加長會引起控制電纜分布式電容的增加，對道岔表示電路可靠性造成極大影響。本文通過對分布式電容形成原因的理論分析，得出影響分布式電容容值的因素，并提出工程應(yīng)用中降低和解決分布式電容方法。

2 交流三相五線制轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路簡介

交流三相五線制道岔控制電路由道岔啟動電路和執(zhí)行電路組成，啟動電路主要用來執(zhí)行聯(lián)鎖下發(fā)的啟動命令，控制DCJ和FCJ等繼電器的吸起。啟動電路不是本文討論重點(diǎn)，在此不做贅述，這里簡要介紹一下執(zhí)行電路，五線制執(zhí)行電路如圖1所示。

圖1 三相五線制交流轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路Fig.1 Control circuit of three-phase five-wire AC switch machine

電源屏A/B/C三相交流電經(jīng)DBQ整流后由室內(nèi)送至轉(zhuǎn)轍機(jī)，分別為X1、X2、X3、X4、X5，由1DQJ及其復(fù)示繼電器1DQJF的勵磁或失磁來切換轉(zhuǎn)轍機(jī)處于動作狀態(tài)或表示狀態(tài)。當(dāng)切換為表示電路時，道岔要通過接通表示電路使表示繼電器保持吸起狀態(tài)，從而向聯(lián)鎖設(shè)備給出表示信息。圖1中所示為轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)至定位狀態(tài)下給出定位表示，定位表示電路正半周如紅色線路徑，負(fù)半周如藍(lán)色線路徑。

表示電路如下：

正半周：BDII-3→R1→1DQJ23→2DQJ132→1DQJF13→2DQJ112→X2→轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)33-34→轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)15-16→二極管Z2-1→R2→轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)36-35→電機(jī)線圈B→電機(jī)線圈A→X1→1DQJ13→BDII-4。

負(fù)半周：BDII-3→R1→1DQJ23→2DQJ132→DBJ4-1線圈→X4→轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)11-12→電機(jī)線圈C→電機(jī)線圈A→X1→1DQJ13→BDII-4。

3 分布式電容成因

分布電容是指由非電容形態(tài)形成的一種分布參數(shù)，它廣泛存在于兩個存在電壓差而又相互絕緣的導(dǎo)體間。在輸變電過程中，帶電電纜之間、帶電電纜對地都有一定的分布電容存在，在低壓交流電傳輸過程中，由于這個電容值很小，它的作用可忽略不計，但如果傳輸線很長或所傳輸?shù)男盘栴l率高時，就會在傳輸線之間產(chǎn)生因容抗過小而產(chǎn)生耦合現(xiàn)象。

容抗的計算如下：

其中f為頻率，C為電容值，

其中ε為介電常數(shù)，S為面積，d為距離。

由此看出，影響傳輸線分布式電容的因素有絕緣層介質(zhì)、耦合面積和導(dǎo)體間距離。因其成因，線間分布式電容只能減少而不能消失。

4 分布式電容影響道岔表示的過程

在上述交流道岔啟動電路中，分線柜至HZ24之間要敷設(shè)室外控制電纜，根據(jù)站場道岔布置的位置，室外電纜通常距離在幾百米至2 500 m之間，在一些地區(qū)，因為地形等因素限制，室外控制電纜敷設(shè)距離甚至?xí)^4 km。

室內(nèi)通過電纜實現(xiàn)對轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動操作，當(dāng)?shù)啦韯幼鞯轿缓?，又通過X1、X2、X3、X4、X5線給出表示。其中X1、X2、X4 為定位表示回線，X1、X3、X5為反位表示回線。電纜在送電同時會在芯線X1、X2、X3、X4、X5之間及對大地上產(chǎn)生分布式電容。道岔電纜原則上單芯最遠(yuǎn)距離一般在2 500 m以內(nèi)。因需克服傳輸壓降導(dǎo)致的供壓不足，如需更長距離的傳輸線路，則需要對控制線X1、X2、X3、X4、X5線通過電纜加芯來實現(xiàn)。這樣一來雖然解決了壓降問題，使傳輸電壓符合電機(jī)動作要求，但更遠(yuǎn)距離的傳輸不可避免的增大了線間的分布式電容。

分布式電容對于送端表示繼電器的勵磁及失磁影響極大，以上述表示電路為例，簡化的等效定位表示電路，如圖2所示。在X1與X4之間形成C1-4等效電容，在X1與X2之間形成C1-2等效電容。容抗越小，導(dǎo)電性越高，當(dāng)容抗到達(dá)某個數(shù)值后，斷開X1線轉(zhuǎn)轍機(jī)一端時，DBJ仍能以一個吸起保持電壓而勵磁。經(jīng)現(xiàn)場測量，當(dāng)X1與X2、X1與X4之間線間容值達(dá)到280 nF以上，就會出現(xiàn)X1斷線后表示繼電器仍然吸起從而給出錯誤表示。當(dāng)X1與X2、X1與X4之間線間容值降到250 nF以下，DBJ勵磁電壓將至5.8 V，繼電器能可靠落下。

圖2 等效定位表示電路及其分布式電容示意Fig.2 Schematic diagram of equivalent location indication circuit and its distributed capacitance

DBJ不能因斷開X1而失磁的情況下，DBJ會給出錯誤的表示信息，經(jīng)現(xiàn)場試驗，這一誤表示雖不會對道岔動作和行車形成危害，但會對聯(lián)鎖設(shè)備的采集準(zhǔn)確性造成一定影響，從而引發(fā)報警。

5 道岔控制電路中分布式電容影響因素

平行線纜傳輸距離：線纜傳輸距離是影響分布式電容值的最主要因素，也是導(dǎo)致表示繼電器錯誤吸起的主要原因，線纜傳輸距離越長，容抗越小，耦合效應(yīng)越明顯。

平行線纜中心距離：線纜中心距離越近，容抗越小，耦合效應(yīng)越明顯。

線纜芯線之間的絞扭程度：試驗測試表明其他條件一致時，雙絞線或混絞線之間的電容值要小于平行線纜。

線纜絕緣層介電性能：通常介電性能優(yōu)異的介質(zhì)能有效降低耦合效應(yīng)。

線纜之間或芯線之間的耦合面積：從容抗計算公式可知，導(dǎo)體之間的耦合面積與電容值正相關(guān)，因此，導(dǎo)體截面形狀與線纜布設(shè)方式對其有影響。

6 解決表示繼電器不掉落的方案

由于轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)對于啟動電壓的要求，現(xiàn)場一般都采取芯線加芯的方式解決遠(yuǎn)距離供電電壓線路損耗，而加芯又會增加芯線耦合面積。因此，在控制損耗的同時應(yīng)盡量減少芯線數(shù)量，在芯線數(shù)量上達(dá)到平衡。

由以上分析可知，X1線與其他芯線之間的分布電容導(dǎo)致電流路徑改變，從而將DBJ掛起，因此，要將X1線與其他X2-X5布置在不同電纜中，從而增加芯線之間的距離，達(dá)到增加容抗的作用。

對于新建或改造線路，可以使用介電性能較好或絕緣層較厚的電纜。

對于無條件將X1與其他芯線調(diào)開的使用環(huán)境，還可根據(jù)道岔位置與信號機(jī)位置，將距離較近的道岔X1線與信號機(jī)芯線對調(diào)，從而將X1與其他芯線有效隔離。

經(jīng)現(xiàn)場大量測試，單芯線纜之間的耦合效應(yīng)與雙絞、混絞線纜之間的效應(yīng)有較大區(qū)別，雙絞、混絞能有效減少平行耦合，并降低雜波干擾及串?dāng)_。因此，有條件情況下，盡量選取雙絞線或混絞線。

因表示繼電器不失磁的現(xiàn)象一般發(fā)生在遠(yuǎn)距離傳輸區(qū)段，因此有必要在室外增加分布式聯(lián)鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而消除遠(yuǎn)距離傳輸這一影響因素。

7 總結(jié)

本文首先簡要介紹交流五線制道岔控制電路原理，并分析分布電容在遠(yuǎn)距離控制過程中對電路的影響，詳細(xì)介紹分布電容影響控制電路的過程，通過簡化電路模型，分析分布電容容抗值的影響因素，定性分析從哪些方面可對控制電纜進(jìn)行優(yōu)化布局。最后，從電纜選型、芯線調(diào)整、芯線隔離等方面給出現(xiàn)場最簡單的優(yōu)化思路。