國產阻抗聯結器在地鐵軌道電路中的應用
軌道電路是城市軌道交通信號設備的重要組成部分, 阻抗聯結器又是軌道電路的關鍵部件。上海地鐵一號線由于阻抗聯結器故障率比較高, 影響了日常運營工作。而且這種進口設備備件少, 價格昂貴, 送修周期長, 無利于運營維護。因此, 對阻抗連接器進行國產化研究將對運營起重要作用。
1 阻抗聯結器的作用
功能為: ① 將鋼軌劃分成軌道電路; ② 檢測軌道電路內的列車; ③ 均衡鋼軌之間的牽引回流; ④ 提供給牽引變電站負回流電纜一個平衡連接點; ⑤ 將信號耦合到鋼軌上構成軌道電路; ⑥ 將速度信號(機車信號) 耦合到鋼軌上。
圖1 音頻軌道電路示意圖
圖2 阻抗聯結器原理圖 注: 阻抗聯結器中諧振在2250Hz 的線圈是向機車發送機車信號的, 機車信號提圖1 為上海地鐵一號線采用的GRS 供速度碼和開門碼。9650Hz 是在阻抗聯結器中傳送TWC 車地通信信號, 公司的音頻軌道電路, 其中阻抗聯結器的只有在站臺區段的阻抗聯結器才有這組線圈。
2 阻抗聯結器的電路分析及應用
阻抗聯結器由4 個調諧二次線圈的變壓器構成, 其原理如圖2 所示。通過并聯諧振構成的窄帶濾波器, 除在聯結器的調諧頻率呈高阻抗外, 在其他頻率均呈固有低阻抗, 4 個調諧電路串聯連接, 這樣, 只在諧振頻率的調諧電路兩端為高電壓, 其他頻率幾乎沒有電壓。所以任何1 個二次繞組諧振均在軌道中感應出電壓(圖3) 。
GRS 音頻軌道電路是以頻率劃分軌道電路, 分別采用2625 , 2925 , 3375 , 4275 Hz 4 種頻率, 再分別承載2 Hz 與3 Hz 構成8 種軌道信號, 左右劃分軌道電路。例如, 2625 Hz 載3Hz 信號, 由軌道電路發送器發送到鋼軌上, 由于發送阻抗聯結器和接收阻抗聯結器在2625 Hz 成高阻抗。軌道電路接收器接收后, 濾掉2625 Hz , 再將3 Hz 倍頻, 使軌道繼電器吸起, 軌道空閑。反之, 有車占用, 軌道信號被分路, 接收板不能收到軌道信號。
圖3 頻率與發送電壓關系圖
阻抗聯結器對直流呈低阻抗。牽引回流是通過鋼軌構成回路, 所以阻抗聯結器的另一個功能是均衡鋼軌之間的牽引回流, 通過阻抗聯結器中央抽頭, 隔一段距離使上下行鋼軌連通, 提高了牽引回流的回流速度。同樣, 通過中央抽頭也提供給牽引變電站負回流電纜一個平衡連接點。
3 國產阻抗聯結器
阻抗聯結器的制造有2 點關鍵: 首先要保證在諧振點有高品質因數Q值; 其次, 因為地鐵為直流牽引, 牽引電壓DC1500V , 單軌回流最大值775A , 四軌條并聯最大回流3100A , 具有12 相整流(基波600Hz) 、斬波牽引和再生制動等隨機周期性干擾, 所以當大直流流過阻抗聯結器時, 阻抗聯結器將產生磁飽和。
GRS 阻抗聯結器是進口的鐵鎳和鐵鎳鉬粉芯, 價格昂貴。用普通磁芯不適合于軌道電路的音頻工作范圍,極易產生磁飽和。為了保證阻抗聯結器的性能穩定可靠,磁環采用上海鋼鐵研究所研制的超微晶合金材料制成的環形鐵芯。它具有良好的綜合磁性能、高頻特性、溫度及環境穩定性等,用其制成的磁環,具有良好的電感量L 和高品質因數Q 值, 特別適用于大電流和大功率條件下的各類開關電源、變壓器、濾波電感及貯能電感等,目前完全可替代各類進口的鐵鎳和鐵鎳鉬粉芯。
調諧回路中的電容器選用國產CBB22 型金屬化聚丙烯電容器, 它是由金屬化聚丙烯薄膜卷繞而成, 有自愈特性、電性能好、損耗小、電容量隨溫度和頻率變化小, 交流性能特別好, 故適用各種電性能要求較高的交直流電路中。此電容器的使用環境溫度為-55 ℃～ + 85 ℃, 用此電容器制成的阻抗聯結器完全能適用于地鐵的使用環境溫度。
為了保證阻抗聯結器的性能穩定可靠, 繞制成的磁環須高溫去潮后用絕緣浸漬, 然后用國產的硫化硅橡膠灌封, 所有磁環組件再用618 環氧樹脂封裝在高強度, 高絕緣性能的塑料盒內。這樣整個聯結器既能防震, 又能使磁環線圈穩定可靠地工作。
