国产阻抗联结器在地铁轨道电路中的应用
轨道电路是城市轨道交通信号设备的重要组成部分, 阻抗联结器又是轨道电路的关键部件。上海地铁一号线由于阻抗联结器故障率比较高, 影响了日常运营工作。而且这种进口设备备件少, 价格昂贵, 送修周期长, 无利于运营维护。因此, 对阻抗连接器进行国产化研究将对运营起重要作用。
1 阻抗联结器的作用
功能为: ① 将钢轨划分成轨道电路; ② 检测轨道电路内的列车; ③ 均衡钢轨之间的牵引回流; ④ 提供给牵引变电站负回流电缆一个平衡连接点; ⑤ 将信号耦合到钢轨上构成轨道电路; ⑥ 将速度信号(机车信号) 耦合到钢轨上。
图1 音频轨道电路示意图
图2 阻抗联结器原理图 注: 阻抗联结器中谐振在2250Hz 的线圈是向机车发送机车信号的, 机车信号提图1 为上海地铁一号线采用的GRS 供速度码和开门码。9650Hz 是在阻抗联结器中传送TWC 车地通信信号, 公司的音频轨道电路, 其中阻抗联结器的只有在站台区段的阻抗联结器才有这组线圈。
2 阻抗联结器的电路分析及应用
阻抗联结器由4 个调谐二次线圈的变压器构成, 其原理如图2 所示。通过并联谐振构成的窄带滤波器, 除在联结器的调谐频率呈高阻抗外, 在其他频率均呈固有低阻抗, 4 个调谐电路串联连接, 这样, 只在谐振频率的调谐电路两端为高电压, 其他频率几乎没有电压。所以任何1 个二次绕组谐振均在轨道中感应出电压(图3) 。
GRS 音频轨道电路是以频率划分轨道电路, 分别采用2625 , 2925 , 3375 , 4275 Hz 4 种频率, 再分别承载2 Hz 与3 Hz 构成8 种轨道信号, 左右划分轨道电路。例如, 2625 Hz 载3Hz 信号, 由轨道电路发送器发送到钢轨上, 由于发送阻抗联结器和接收阻抗联结器在2625 Hz 成高阻抗。轨道电路接收器接收后, 滤掉2625 Hz , 再将3 Hz 倍频, 使轨道继电器吸起, 轨道空闲。反之, 有车占用, 轨道信号被分路, 接收板不能收到轨道信号。
图3 频率与发送电压关系图
阻抗联结器对直流呈低阻抗。牵引回流是通过钢轨构成回路, 所以阻抗联结器的另一个功能是均衡钢轨之间的牵引回流, 通过阻抗联结器中央抽头, 隔一段距离使上下行钢轨连通, 提高了牵引回流的回流速度。同样, 通过中央抽头也提供给牵引变电站负回流电缆一个平衡连接点。
3 国产阻抗联结器
阻抗联结器的制造有2 点关键: 首先要保证在谐振点有高品质因数Q值; 其次, 因为地铁为直流牵引, 牵引电压DC1500V , 单轨回流最大值775A , 四轨条并联最大回流3100A , 具有12 相整流(基波600Hz) 、斩波牵引和再生制动等随机周期性干扰, 所以当大直流流过阻抗联结器时, 阻抗联结器将产生磁饱和。
GRS 阻抗联结器是进口的铁镍和铁镍钼粉芯, 价格昂贵。用普通磁芯不适合于轨道电路的音频工作范围,极易产生磁饱和。为了保证阻抗联结器的性能稳定可靠,磁环采用上海钢铁研究所研制的超微晶合金材料制成的环形铁芯。它具有良好的综合磁性能、高频特性、温度及环境稳定性等,用其制成的磁环,具有良好的电感量L 和高品质因数Q 值, 特别适用于大电流和大功率条件下的各类开关电源、变压器、滤波电感及贮能电感等,目前完全可替代各类进口的铁镍和铁镍钼粉芯。
调谐回路中的电容器选用国产CBB22 型金属化聚丙烯电容器, 它是由金属化聚丙烯薄膜卷绕而成, 有自愈特性、电性能好、损耗小、电容量随温度和频率变化小, 交流性能特别好, 故适用各种电性能要求较高的交直流电路中。此电容器的使用环境温度为-55 ℃～ + 85 ℃, 用此电容器制成的阻抗联结器完全能适用于地铁的使用环境温度。
为了保证阻抗联结器的性能稳定可靠, 绕制成的磁环须高温去潮后用绝缘浸渍, 然后用国产的硫化硅橡胶灌封, 所有磁环组件再用618 环氧树脂封装在高强度, 高绝缘性能的塑料盒内。这样整个联结器既能防震, 又能使磁环线圈稳定可靠地工作。
