在电气化区段,钢轨既要传送轨道电路电信号,同时还要作为牵引电路的一部分,传送牵引电流。在这样的情况下,站内使用的JWXC-480型轨道电路必须进行改造,才能满足钢轨同时传送轨道电路电信号和牵引电流的需求,改造后的电路,就是25Hz相敏轨道电路。下面叙述在电力牵引条件下，JZXC-480型轨道电路为什么要进行改造,改变了哪些而演变成了25 Hz相敏轨道电路。
1 牵引供电电路的设计思路
任何一个电路都由电源、负载、连接导线构成,电力机车用电电路也不例外,也是由电源、负载、连接导线构成的。但是电力机车用电电路和一般意义上的电路有着明显的不同,表现为负载(电力机车)是移动的。由于电力机车是移动的,所以电力机车和供电导线之间必须滑行接触,这就要求供电导线必须是裸露的导体。由于机车运行在钢轨上,供电的导线就必须架设在钢轨上方，同时必须要求架设的导线处在一个水平面上。如果采用双导线供电,由于在铁路线路上有道岔存在,因而在道岔的上空四根双导线就会交叉在一起,导线又是裸露的,必然会形成供电导线混在一起,对供电电源短路,如图1所示。因而,采用双导线供电方式,显然是不行的。供电部门设计了在钢轨上方架设和线路形状相同的单导线供电网,将其连接到电源一极上,机车用受电弓和网线滑行接触,从而和电源一极连接到了一起。电源的另一极,供电部门利用钢轨这个导体,也就是利用一定的方式,将电源和钢轨连接在一起,这样就实现了供电电源和机车的连接,电力机车可以得到电源而运行,如图2所示。
图1 双线供电交叉示意
图2 基本牵引供电示意
2 牵引供电的基本方式
依据上述的设计思路,供电方式分别设计了AT、BT、直供加回流三种基本方式,目前被大量使用的是直供加回流这一种。由于牵引供电技术涉及很多供电方面的专业知识,并且不属于信号专业掌握的范畴,因此,这里不做过多叙述,只要掌握其基本思路,准确理解对原有轨道电路的影响即可。直供加回流牵引供电方式基本结构如图3所示。
图3 直供加回流方式供电示意
在钢轨上方架设了和线路形状一样的裸体导线,并利用支柱、承力拉索、绝缘子等供电器械,将其固定在机车需要高度的水平面上,形成裸露、网状的金属导体网,称为接触网,如图3中的接触网线。在接触网支柱外侧架设一条导线,称为回流线。将供电电源(交流25~27.5kV)用供电线,供电回线连接到接触网线、回流线上,形成接触供电网络。
电力机车顶部架设了受电弓,当受电弓升起时,顶到空中架设的接触网上，并且当机车运行时,受电弓始终与接触网处于滑行接触,这样供电电源的一极就被引接到了机车内部主变压器的原边线圈一侧上。供电回流线通过吸上线、扼流变压器中心连接线、扼流变压器原边线圈、钢轨引接线连接到钢轨上,机车的车轮和钢轨处于滑动接触状态,车轮作为机车的绝对零电位线和机车主变压器原边线圈另一侧连接。这样通过接触网、钢轨等供电设施,把机车主变压器原边线圈接到了供电电源上,形成了铁路电力机车牵引供电电路。在该电路中,钢轨作为导体被利用,并且是两条钢轨并接在一起被利用,给轨道电路带来了巨大的影响。可以说轨道电路不加以改造,牵引供电电路无法形成(轨道电路的绝缘节堵截了牵引电流),同时,两条钢轨被并接,轨道电路也无法工作(轨道电路要求两条钢轨作为电路的一去一回两根导线)。在这样的情况下，铁路科研工作者经过研究,解决了牵引供电电路、轨道电路在使用钢轨上存在的矛盾,形成了25Hz相敏轨道电路。
3 同时利用钢轨传电存在的问题及解决办法
一是为了分割轨道电路,在钢轨上设置了大量的绝缘节,这样利用钢轨传输的供电电源就会受到绝缘节的堵截。二是轨道电路将两条钢轨作为轨道电路一去一回的传输线利用,而机车供电电路将两条钢轨并接作为回线用,在传输线的利用上轨道电路和机车供电电路存在矛盾。因而设计电路时必须解决好这两个问题。
图4 扼流变压器实物示意
图5 扼流变压器连接示意
为了解决这两个问题,研究设计了扼流变压器,利用扼流变压器的特点,解决“绝缘堵截回流问题和钢轨‘两线、一线’使用矛盾问题”。扼流变压器的特点就是二次线圈(高压线圈)抽出3个抽头,如图4所示。在每个绝缘节两侧设置两台变压器,将中心抽头连接在一起。扼流变压器的二次线圈(高压线圈)的两个半圈分别传送牵引电流使用;扼流变压器一次线圈(信号线圈)、二次线圈整圈作为轨道电路信号变压传输使用。如图5所示,钢轨中的牵引电流I1，I2经过扼流变压器高压线圈的两个半圈汇集到一起,经过中心连接线流向另一台扼流变压器的高压线圈,再经过该台扼流变压器高压线圈的两个半圈分流变为I3、I4流向钢轨,这样在钢轨绝缘处通过扼流变压器为牵引电流搭建了一条通道,使钢轨中的牵引电流可以顺利“通过”钢轨绝缘。同时扼流变压器一次线圈(信号线圈)中的轨道电路电流I5、I6在信号线圈上产生感应电压,变压到高压线圈的电压加载在钢轨上,形成I在两条钢轨流动。这样就解决了上述两个问题。
4 25 Hz相敏轨道电路的结构
增设扼流变压器后,从物理连接上看,已经完成了机车供电电路和轨道电路搭建任务。但是由于机车供电电路和轨道电路同时利用钢轨搭建电路,因而,两个电路就必然存在互相干扰的问题。就干扰的结果来说,对轨道电路影响更大,表现为牵引电流I1、I2会在扼流变压器高压线圈的两个半圈上形成感应电压V1、V2,如图6所示。
图6 不平衡电压产生示意
由于两条钢轨阻抗不完全相等,并且扼流变压器高压线圈的两半个线圈阻值不可能制造的完全一致,这样就会造成I1、I2不可能完全相等,在扼流变压器高压线圈的两半个线圈上形成的感应电压V1、V2就不可能完全相等,导致在扼流变压器高压线圈整圈上的感应电压V=l V1-V2│不可能等于0,这个电压称为“不平衡电压”。这个不平衡电压可能造成轨道继电器错误动作,为此轨道电路在JZXC-480型轨道电路的基础上,采取了三项措施对电路进行改造。
4.1 改变轨道电路电源频率
牵引电源频率为50 Hz工频电,所以牵引回流在扼流变压器上产生的不平衡电压其频率也是50 Hz,为了躲避这个电压对轨道电路的干扰,将轨道电路电源频率改为25Hz。
4.2 增加相位检查
电工学原理告诉我们,任何一个交流电都是由其奇次谐波和偶次谐波构成的,50 Hz的电也是由多个奇次谐波和多个偶次谐波构成的,并且25 Hz,75 Hz、100 Hz成分占90%以上,因而即使改变轨道电路电源的频率,不平衡电压的25 Hz分量仍有可能造成轨道继电器错误动作,特别在机车加速、减速、升弓、降弓等特殊情况下,不平衡电压的频率成分更复杂,对轨道电路的影响更大。为了避免继电器错误动作,改变了继电器的类型,将原来一元二位继电器改为二元二位继电器。二元二位继电器动作需要两个电源,并且这两个电源的初相位有一定的差值,继电器才能动作,即二元二位继电器具有相位检查特性。
4.3 增加频率防护
为了使电路更加可靠,彻底消除不平衡电压对电路的影响,增加频率防护，即在继电器线圈上并接防护盒、在扼流变压器上增设适配器,防护盒和适配器的工作原理下面叙述。
经频率躲避、相位检查,频率防护后,原来的JWXC-480型轨道电路改造成了25Hz相敏轨道电路。图7表明了两种轨道电路的差别。
图7 JZXC-480型轨道电路和25-Hz相敏轨道电路的比较
两种电路的不同点概括起来有三点:第一,电源频率不同。JZXC-480型轨道电路的电源频率为50Hz,25 Hz相敏轨道电路的电源频率为25Hz,并且作用于继电器上的两个电源初相角存在一定差值;第二,增设了器材,25H相敏轨道电路在JZXC-480型轨道电路的基础上增设了扼流变压器、适配器、防护盒;第三,采用继电器的类型不同,JZXC-480型轨道电路采用的继电器为一元二位继电器,25Hz相敏轨道电路采用二元二位继电器。
文章来源：
林瑜筠主编. 《铁路信号基础》 2019
