道岔控制电路分布电容探讨

樊西宁

(1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

当前，国内高速铁路多使用提速道岔来增加列车转向距离及侧向通过速度，但提速道岔物理长度上的增加和控制距离的加长会引起控制电缆分布式电容的增加，对道岔表示电路可靠性造成极大影响。本文通过对分布式电容形成原因的理论分析，得出影响分布式电容容值的因素，并提出工程应用中降低和解决分布式电容方法。

2 交流三相五线制转辙机控制电路简介

交流三相五线制道岔控制电路由道岔启动电路和执行电路组成，启动电路主要用来执行联锁下发的启动命令，控制DCJ和FCJ等继电器的吸起。启动电路不是本文讨论重点，在此不做赘述，这里简要介绍一下执行电路，五线制执行电路如图1所示。

图1 三相五线制交流转辙机控制电路Fig.1 Control circuit of three-phase five-wire AC switch machine

电源屏A/B/C三相交流电经DBQ整流后由室内送至转辙机，分别为X1、X2、X3、X4、X5，由1DQJ及其复示继电器1DQJF的励磁或失磁来切换转辙机处于动作状态或表示状态。当切换为表示电路时，道岔要通过接通表示电路使表示继电器保持吸起状态，从而向联锁设备给出表示信息。图1中所示为转辙机转至定位状态下给出定位表示，定位表示电路正半周如红色线路径，负半周如蓝色线路径。

表示电路如下：

正半周：BDII-3→R1→1DQJ23→2DQJ132→1DQJF13→2DQJ112→X2→转辙机接点33-34→转辙机接点15-16→二极管Z2-1→R2→转辙机接点36-35→电机线圈B→电机线圈A→X1→1DQJ13→BDII-4。

负半周：BDII-3→R1→1DQJ23→2DQJ132→DBJ4-1线圈→X4→转辙机接点11-12→电机线圈C→电机线圈A→X1→1DQJ13→BDII-4。

3 分布式电容成因

分布电容是指由非电容形态形成的一种分布参数，它广泛存在于两个存在电压差而又相互绝缘的导体间。在输变电过程中，带电电缆之间、带电电缆对地都有一定的分布电容存在，在低压交流电传输过程中，由于这个电容值很小，它的作用可忽略不计，但如果传输线很长或所传输的信号频率高时，就会在传输线之间产生因容抗过小而产生耦合现象。

容抗的计算如下：

其中f为频率，C为电容值，

其中ε为介电常数，S为面积，d为距离。

由此看出，影响传输线分布式电容的因素有绝缘层介质、耦合面积和导体间距离。因其成因，线间分布式电容只能减少而不能消失。

4 分布式电容影响道岔表示的过程

在上述交流道岔启动电路中，分线柜至HZ24之间要敷设室外控制电缆，根据站场道岔布置的位置，室外电缆通常距离在几百米至2 500 m之间，在一些地区，因为地形等因素限制，室外控制电缆敷设距离甚至会超过4 km。

室内通过电缆实现对转辙机扳动操作，当道岔动作到位后，又通过X1、X2、X3、X4、X5线给出表示。其中X1、X2、X4 为定位表示回线，X1、X3、X5为反位表示回线。电缆在送电同时会在芯线X1、X2、X3、X4、X5之间及对大地上产生分布式电容。道岔电缆原则上单芯最远距离一般在2 500 m以内。因需克服传输压降导致的供压不足，如需更长距离的传输线路，则需要对控制线X1、X2、X3、X4、X5线通过电缆加芯来实现。这样一来虽然解决了压降问题，使传输电压符合电机动作要求，但更远距离的传输不可避免的增大了线间的分布式电容。

分布式电容对于送端表示继电器的励磁及失磁影响极大，以上述表示电路为例，简化的等效定位表示电路，如图2所示。在X1与X4之间形成C1-4等效电容，在X1与X2之间形成C1-2等效电容。容抗越小，导电性越高，当容抗到达某个数值后，断开X1线转辙机一端时，DBJ仍能以一个吸起保持电压而励磁。经现场测量，当X1与X2、X1与X4之间线间容值达到280 nF以上，就会出现X1断线后表示继电器仍然吸起从而给出错误表示。当X1与X2、X1与X4之间线间容值降到250 nF以下，DBJ励磁电压将至5.8 V，继电器能可靠落下。

图2 等效定位表示电路及其分布式电容示意Fig.2 Schematic diagram of equivalent location indication circuit and its distributed capacitance

DBJ不能因断开X1而失磁的情况下，DBJ会给出错误的表示信息，经现场试验，这一误表示虽不会对道岔动作和行车形成危害，但会对联锁设备的采集准确性造成一定影响，从而引发报警。

5 道岔控制电路中分布式电容影响因素

平行线缆传输距离：线缆传输距离是影响分布式电容值的最主要因素，也是导致表示继电器错误吸起的主要原因，线缆传输距离越长，容抗越小，耦合效应越明显。

平行线缆中心距离：线缆中心距离越近，容抗越小，耦合效应越明显。

线缆芯线之间的绞扭程度：试验测试表明其他条件一致时，双绞线或混绞线之间的电容值要小于平行线缆。

线缆绝缘层介电性能：通常介电性能优异的介质能有效降低耦合效应。

线缆之间或芯线之间的耦合面积：从容抗计算公式可知，导体之间的耦合面积与电容值正相关，因此，导体截面形状与线缆布设方式对其有影响。

6 解决表示继电器不掉落的方案

由于转辙机电机对于启动电压的要求，现场一般都采取芯线加芯的方式解决远距离供电电压线路损耗，而加芯又会增加芯线耦合面积。因此，在控制损耗的同时应尽量减少芯线数量，在芯线数量上达到平衡。

由以上分析可知，X1线与其他芯线之间的分布电容导致电流路径改变，从而将DBJ挂起，因此，要将X1线与其他X2-X5布置在不同电缆中，从而增加芯线之间的距离，达到增加容抗的作用。

对于新建或改造线路，可以使用介电性能较好或绝缘层较厚的电缆。

对于无条件将X1与其他芯线调开的使用环境，还可根据道岔位置与信号机位置，将距离较近的道岔X1线与信号机芯线对调，从而将X1与其他芯线有效隔离。

经现场大量测试，单芯线缆之间的耦合效应与双绞、混绞线缆之间的效应有较大区别，双绞、混绞能有效减少平行耦合，并降低杂波干扰及串扰。因此，有条件情况下，尽量选取双绞线或混绞线。

因表示继电器不失磁的现象一般发生在远距离传输区段，因此有必要在室外增加分布式联锁执行机构，从而消除远距离传输这一影响因素。

7 总结

本文首先简要介绍交流五线制道岔控制电路原理，并分析分布电容在远距离控制过程中对电路的影响，详细介绍分布电容影响控制电路的过程，通过简化电路模型，分析分布电容容抗值的影响因素，定性分析从哪些方面可对控制电缆进行优化布局。最后，从电缆选型、芯线调整、芯线隔离等方面给出现场最简单的优化思路。