（通号（北京）工业集团有限公司轨道交通技术研究院）
摘要：轨道电路的分析计算包含一次参数的测量及使用实际的测量数据自受端至送端对轨道电路每台设备出入口电压进行推算，最终确定发送器功率，保证轨道电路在调整状态、分路状态、机车信号状态均可以稳定工作。
关键词：四端网络 基本参数 轨道电路计算
Abstract: the analysis and calculation of track circuit contains a parameter measurement and using the actual measurement data from the end to send end of each device entrances and exits of track circuit, voltage, ultimately determine the transmitter power, ensure the track circuit in adjusting state, shunt, locomotive signal state can work stable.
一、引言
轨道电路是将两根钢轨作为导体所构成的电气回路，是钢轨线路和连接于其发送端及接收端设备的总称。主要的构成有钢轨，补偿电容，绝缘节，钢轨引接线，发送端设备，接收端设备等。由于室外的钢轨处于环境复杂的道床环境中，若要保证轨道电路长期稳定运行，研究其传输特性不容忽视。
二、轨道电路的基本参数
轨道电路的传输计算基于四端网络，其中钢轨可等效为均匀传输线，包含一次参数R、L、G，二次参数Zc、γ，二次参数由一次参数推导而出。因钢轨处于室外，受环境影响大，其一次参数复杂多变，以计算的方式无法准确得出，故钢轨一次参数的测量为传输计算前准备工作的关键。
2.1 钢轨一次参数的测量原理及方法
2.1.1 钢轨一次参数测量原理
一次参数的测量基于三电压法，即使用三块电压表分别记录电源电压U1、标准阻性负载电压U2及钢轨阻抗电压U3，如图1所示。
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图1 三电压法测量示意图
如上图可知，.png)
，分别记录下U1、U2、U3的模值，可画出向量图，见图2。
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图2 三电压向量图
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又有
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联立可计算出钢轨输入阻抗的模值Zin与相角φ。
2.1.1 钢轨一次参数测量方法
一次参数的测量最常使用双短路法，依次对钢轨位置1，位置2进行短路，分别记录一次短路和二次短路输入阻抗的模值与阻抗角φ。见图3所示。
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图3 双短路法测试示意图
注：ME0802为钢轨测试仪，充当测试电压源U1标准电阻Rx及电压表V1，V2，V3。
2.2 钢轨一次参数及二次参数的计算
将钢轨视作均匀传输线，由四端网络知识可得其传输方程如下：
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由于终端短路，故U(l)=0，将两式相比可得：
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ME0802信号源分别记录一次短路与二次短路电压为U3L与U32L可得：
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上述两式与二倍角公式.png)
联立可得：
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又短路长度L已知，可计算出钢轨二次参数 .png)
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由四端网络知识，推算出钢轨一次参数如下： .png)
三、轨道电路的计算
轨道电路的计算分为调整状态计算，分路状态计算，机车信号状态计算等步骤。
3.1 调整状态计算方法
调整状态的计算采用集中分布参数法，即将轨道电路分成n段，在每一段线路中将一次参数用一点或几点集中参数表示。将接收器入口电压固定为可靠吸起值，假定接收器变比，利用四端网络的传输方程逐步推至发送端，确定发送器输出功率。轨道电路传输示意图见图4所示：
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图4 轨道电路传输示意图
3.1.1 主轨入电压确定
将衰耗器等效为变压器，一次侧线圈N1匝，二次侧N2匝，入口阻抗aΩ，已知接收器可靠工作门限主轨出为bmV，假定某种变比后，可算出衰耗器入口轨入值。
3.1.2 E1、E2端电压与电流的计算
衰耗器与电缆直接相连，故电缆始端电压与始端电流即为匹配变压器终端的电压与电流。由四端网络传输方程可得电缆侧始端电压UE1E2 、始端电流IE1E2为：
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式中Zcd为电缆的特性阻抗，γd为电缆传播常数，ld为电缆长度.png)
两式相比可得，电缆入口阻抗Z1：
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3.1.3受端匹配变压器入口端电压与电流的计算
设匹配变压器的T参数分别为A，B，C，D，并规定自E1，E2向钢轨为正向传输方向。可知处于受端的匹配变压器为反向传输，其入口电压、电流可由四端网络基本方程表示：
U匹配入=DUE1E2+BIE1E2
I匹配入=CUE1E2+AIE1E2
匹配变压器的入口阻抗为：
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3.1.4本区段调谐单元阻抗的计算
调谐单元与匹配变压器为并联关系，故调谐单元入口端电压UV1V2及电流IV1V2分别为：
UV1V2=U匹配入
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调谐极阻抗Z∞直接与Z2并联，即：
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3.1.5 钢包铜引接线阻抗计算
钢包铜引接线与调谐单元为串联关系，故受端钢包铜入口端电压Usi及电流Isi分别为：
Usi=UV1V2+IV1V2×Zi
Isi=IV1V2
阻抗为：
Z4=Z3+Zi
3.1.6 受端调谐区总阻抗计算
受端调谐区总阻抗Zjtx分别包含如下四个部分：
（1）空心线圈与钢包铜引接线的串联后的阻抗
Zjtx1=Z空心线圈+Zi；
（2）临区段调谐单元零阻抗与钢包铜引接线的串联后的阻抗
Zjtx2=Z零+Zi；
（3）参与串联谐振的14.5m钢轨阻抗
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（4）另14.5m钢轨阻抗
Zjtx4=Zjtx3
故调谐区总阻抗Zjtx为：
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接收端轨面电压及电流为：
U受端轨面=Usi
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接收端总阻抗为：
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3.1.7 接收端轨面至发送端轨面传输计算
为了保证信号的传输，钢轨每隔△L并入一个补偿电容。由于补偿电容的存在，钢轨的传输参数发生了改变，故将轨道电路按补偿电容间距为基本单元进行分析。则该基本单元由三个四端网络级联构成，其中与钢轨并联的补偿电容为一个网络，电容两边半个补偿距离.png)
各位一个网络。三个网络的T参数如下：
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将三个网络的T参数相乘，得出等效四端网络T参数为：.png)
发送端钢轨电压及电流分别为
U送端=U受端轨面 chg0+Z0I受端轨面 shg0
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其输入阻抗为
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3.1.8 发送端调谐区总阻抗计算
发送端调谐区阻抗与接收端计算方法相同，故
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发送端轨面电压及电流为：
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发送端输入阻抗为：
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3.1.9 钢包铜引接线阻抗计算
送端钢包铜入口端电压Usi及电流Isi分别为：
Usi=U受端轨面+I受端轨面×Zi
Isi=I受端轨面
阻抗为：
Z7=Z6+Zi
3.1.10本区段调谐单元阻抗的计算
送端调谐单元入口端电压UV1V2及电流IV1V2分别为：
UV1V2=Usi
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调谐极阻抗Z∞直接与Z7并联，即：
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3.1.11送端匹配变压器入口端电压与电流的计算
送端匹配变压器的入口电压、电流可由四端网络基本方程表示：
UE1E2=AU匹配入+BI匹配入
IE1E2=CU匹配入+DI匹配入
匹配变压器的入口阻抗为：
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3.1.12发送器功出端电压与电流的计算
设ld为发送端电缆长度，γd为电缆传播常数，Zcd为发送端特性阻抗，功出端的电压及电流为
U功出=UE1E2chγdld+ZcdIE1E2shγdld
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输入阻抗为
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3.2 分路状态计算方法
分路状态计算与调整状态类似，需注意以下几点
（1）采用接收器可靠不工作电压进行计算，
（2）计算钢轨传输时应忽略道床电阻Rd，故钢轨的基本单元应等效为钢轨阻抗与补偿电容的T型网络，
（3）选用标准分路电阻分别在送受端之间分路，确定最不利分路点，
（4）当列车在最不利分路点分路时，发送器允许的最高输入电压若大于调整状态所计算出来的电压，证明可以可靠分路。
3.3 机车信号状态计算方法
轨道电路在机车信号状态时的计算是假设列车在受端分路使用调整状态下得出送端及钢轨的参数计算短路电流。验证该电流是否能被机车信号感应装置可靠接收。
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计算出的Id值必须要达到机车信号可靠被接收的规定值以上，这样即可保证机车信号状态正常工作。
四、结束语
由于轨道电路工作在多变的环境下，尤其是钢轨参数随气温、湿度改变而产生很大变化，从而给轨道电路的正常工作带来很多困难。比如当道床电阻很小时，要保证轨道电路接收端设备的正常工作，当道床电阻很大时，要保证轨道电路的分路灵敏度。因此在同时兼顾两项要求的条件下，更需要科学正确的计算并调整轨道电路。
参考文献：
1、信号传输原理
2、轨道电路的分析与综合
3、UM71-TVM300系统原理及其在广深准高速铁路的应用
论文作者:张磊,安成龙
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/15
标签：钢轨论文; 阻抗论文; 参数论文; 轨道论文; 电压论文; 电流论文; 电路论文; 《电力设备》2019年第19期论文;