CN102854391B - 一种无绝缘音频轨道电路一次参数测量及校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无绝缘音频轨道电路一次参数测量及校正方法，其包括：步骤S1：进行第一次短路测量，设有一测量端U_S，在距测量端L处两侧短路，从测量端测算出输入阻抗Z_in1；步骤S2：进行第二次短路测量，在距测量端2L处两侧短路，从测量端U_S测算出输入阻抗Z_in2；步骤S3：根据公式计算一次参数；步骤S4：对一次参数相对于实际频率进行校正。本发明测量方便、简单、测量精度高、计算简单。

Description

一种无绝缘音频轨道电路一次参数测量及校正方法

技术领域

本发明涉及一种一次参数测量及校正方法，特别涉及一种无绝缘音频轨道电路一次参数测量及校正方法。

背景技术

轨道电路是以铁路线路的两根钢轨作为导体，两端加以电气绝缘或电气分割，并接上送电和受电设备构成的电路。轨道电路的一次参数通常是指：单位长度下的钢轨电阻R₀(Ω／km)，单位长度下的钢轨电感L₀(mH／km)，单位长度下的轨间漏泄电导G₀(S／km)，单位长度下的轨间电容C₀(uF／km)。测算轨道电路的一次参数，是信号检修中的一项经常性工作。轨道电路的计算和调整，以至于轨道电路所用器材的设计等问题，都要根据一次参数来进行，所以一次参数是轨道电路的一个最基本的参数。

对于轨道电路一次参数的测算，传统的方法主要有开路、短路法；开路、短路终端开路电压法等，对此，具体可参阅陶启沪主编的《铁道信号基础设备及原理》第五章第三节。传统的开路、短路法，对于音频无绝缘轨道电路来说，已不能适用。对于音频无绝缘轨道电路一次参数的测算，目前国内尚无合适的方法。

因此，如何设计一种绝缘音频轨道电路一次参数测量及校正方法，即为本领域技术人员的研究方向所在。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种无绝缘音频轨道电路一次参数测量及校正方法，以解决上述现有技术所存在的问题。

为了达到上述目的，本发明提供一种无绝缘音频轨道电路一次参数测量及校正方法，其包括：

步骤S1：进行第一次短路测量，设有一测量端U_S，在距测量端L处两侧短路，从测量端测算出输入阻抗Z_in1；

步骤S2：进行第二次短路测量，在距测量端2L处两侧短路，从测量端U_S测算出输入阻抗Z_in2；

步骤S3：根据公式计算一次参数；

步骤S4：对一次参数相对于实际频率进行校正。

其中，输入阻抗的测量是通过三电压表法进行。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用二次短路法进行对无绝缘音频轨道电路一次参数进行测量及校正，测量方便、简单、测量精度高、计算简单，因此，具有较好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一次短路测量图；

图2为本发明第二次短路测量图；

图3为本发明的电压矢量三角形；

图4为本发明S型连接音频无绝缘轨道电路；

图5为本发明测试方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明是提供一种无绝缘音频轨道电路一次参数测量及校正方法，其是采用“两次短路法”，对音频条件下的轨道电路一次参数进行了测算。

参阅图1、图2及图5，本发明包括以下步骤：

步骤S1：进行第一次短路测量，参阅附图1，其设有一测量端US，在距测量端L处（两侧）短路，从测量端测算出输入阻抗Zin1；

在此步骤S1中，是利用近似公式估算短路点的距离L：Lmin=K/(F*G)1/2。其中：K值一般可取45-50，F为测量频率（HZ），G为轨道漏泄的经验估计值（S/KM）（例如：整体道床时，G取0.5；碎石道床时，G取1等）。详细论述可参阅杂志“SIGNAL+DRAHT，1995，10，P。358-360”。

步骤S2：进行第二次短路测量，参阅附图2，在距测量端2L处（两侧）短路，从测量端测算出输入阻抗Z_in2；

由于在所选择的测量范围2L内，不包括S－联接线、补偿电容等“不均匀参数”，所以在2L范围内仍可利用均匀传输线的传输方程式：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_s={\stackrel{\·}{U}}_z\mathrm{ch\γl}+{\stackrel{\·}{I}}_z{Z}_c\mathrm{sh\γl}\\ {\stackrel{\·}{I}}_s=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_z}{Z_c}\mathrm{sh\γl}+{\stackrel{\·}{I}}_z\mathrm{ch\γl}\end{array}\right.\left(1\right)$

——轨道电路始端的电压、电流；

——轨道电路终端的电压、电流；

Z_c、γ——轨道电路的特性阻抗、传输常数，即轨道电路的二次参数。

在这里，由于终端短路，即所以上面的方程组变为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_s={\stackrel{\·}{I}}_z{Z}_c\mathrm{sh\γl}\\ {\stackrel{\·}{I}}_s={\stackrel{\·}{I}}_z\mathrm{ch\γl}\end{array}\right.\left(2\right)$

输入阻抗（从测量端向右看）：

$Z_{\mathrm{in}}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_s}{{\stackrel{\·}{I}}_s}=Z_c\mathrm{th\γl}---\left(3\right)$

所以：

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_{\mathrm{in}1}=Z_c\mathrm{th\γl}\\ Z_{\mathrm{in}2}=Z_c\mathrm{th}2\mathrm{\γl}\end{array}---\left(4\right)\right.$

由于：

$\mathrm{th}2\mathrm{\γl}=\frac{2\mathrm{th\γl}}{1+{\mathrm{th}}^{2\mathrm{\γ}}l}---\left(5\right)$

所以：

$Z_{\mathrm{in}2}=Z_c\frac{2\mathrm{th\γl}}{1+{\mathrm{th}}^2\mathrm{\γl}}=\frac{{2Z}_{\mathrm{in}1}}{1+{\mathrm{th}}^{2\mathrm{\γ}}l}---\left(6\right)$

由 $Z_{\mathrm{in}2}=\frac{{2Z}_{\mathrm{in}1}}{1+{\mathrm{th}}^2\mathrm{\γl}},$ 可以推得：

$\mathrm{th\γl}=\sqrt{\frac{{2Z}_{\mathrm{in}1}-Z_{\mathrm{in}2}}{Z_{\mathrm{in}2}}}---\left(7\right)$

令 $k=\mathrm{th\γl}=\frac{e^{\mathrm{\γl}}-e^{-\mathrm{\γl}}}{e^{\mathrm{\γl}}+e^{-\mathrm{\γl}}},$ 则 $e^{2\mathrm{\γl}}=\frac{1+k}{1-k},$ 那么可以推得：

$\mathrm{\γ}=\frac{1}{l}1n\sqrt{\frac{1+k}{1-k}}---\left(8\right)$

由Z_in1=Z_cthγl，可以推得：

$Z_c=\frac{Z_{\mathrm{in}1}}{k}---\left(9\right)$

这样，可以求出轨道电路的二次参数：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\γ}=\frac{1}{l}1n\sqrt{\frac{1+k}{1-k}}\\ Z_c=\frac{Z_{\mathrm{in}1}}{k}\end{array}\right.---\left(10\right)$

式中： $k=\sqrt{\frac{{2Z}_{\mathrm{in}1}-Z_{\mathrm{in}2}}{Z_{\mathrm{in}2}}}$

再利用轨道电路一次参数与二次参数的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_0=R_0+\mathrm{j\ω}{L}_0=\mathrm{\γ}\·Z_c\\ Y_0=G_0+j{\mathrm{\ωC}}_0=\mathrm{\γ}/Z_c\end{array}\right.---\left(11\right)$

则：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_0=\mathrm{Re}[\mathrm{\γ}\·Z_c]\\ L_0=\frac{\mathrm{Im}[\mathrm{\γ}\·Z_c]}{\mathrm{\ω}}\\ G_0=\mathrm{Re}\left[\frac{\mathrm{\γ}}{Z_c}\right]\\ C_0=\frac{\mathrm{Im}[\mathrm{\γ}/Z_c]}{\mathrm{\ω}}\end{array}\right.---\left(12\right)$

便可以计算出轨道电路的一次参数：R₀、L₀、G₀、C₀，即执行步骤S3：根据公式计算一次参数；

由上述的“两次短路法”可以看出，轨道电路一次参数测算的关键是两次对测量端输入阻抗的准确测量。对于输入阻抗Z_in，通常很难用测量仪器（例如：数字式精密阻抗电桥）直接测量得到，往往都是在测量电压、电流等参数的基础上通过计算得到的，因此，本发明采用三电压表测算输入阻抗的方法。

参阅图3，为采用三压表测算输入阻抗的测量电路图，分别用电压表测量图中A、B端，C、D端，E、F端，电压值分别为U_AB、U_CD、U_EF，由于三个电压满足矢量三角形，即因此，可以利用三角形余弦定理来计算输入阻抗的幅角：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\π}-\arccos \left(\frac{{U_{\mathrm{AB}}}^2+{U_{\mathrm{CD}}}^2-{U_{\mathrm{EF}}}^2}{2\·U_{\mathrm{AB}}\·U_{\mathrm{CD}}}\right)---\left(12\right)$

而输入阻抗的模值，可以利用以下公式求得：

$\left|Z_{\mathrm{in}}\right|=\frac{{2U}_{\mathrm{AB}}}{U_{\mathrm{CD}}}\·r---\left(13\right)$

这样通过上面两式便可得到输入阻抗的模值与幅角，从而得到输入阻抗Z_in。

本发明的“三电压表法”精度主要取决于电压表的优劣，因此，在使用高精度电压表的条件下，“三电压表法”在精度上优于“示波器法”。不仅如此，相比之下“三电压表法”还简化了测量方法与测量仪器，使得该法更能应用于实际。

目前在城市轨道交通领域一般都采用S型连接音频轨道电路，其原理如图4所示。与短路连接不同，这种形式的音频轨道电路把短路钢条联成S型，发送器与接收器的一个输出(入)端接在S型导线的中间。从图4可以看出，电容器C₂与钢轨L₂组成谐振于区段2音频频率f₂的并联谐振电路；电容器C₃与钢轨L₃组成谐振于区段3音频频率f₃的并联谐振电路。

从上述S型连接音频无绝缘轨道电路的工作原理知道，每段轨道电路的频率并不相同，轨道电路的频率直接影响一次参数的大小。在实际测量工作中往往使用某种固定频率的信号发生器，比如10KHz。这样得出的一次参数并不是每段钢轨的实际一次参数。更重要的是两次短路法的测试长度与测试频率密切相关，为了缩短测试长度L，务必提高测试频率，这样一来，测试频率与实际使用频率就会出现很大的差异，因此必须进行校正。因此必须对一次参数相对于实际频率进行修正。即执行步骤S4,对一次参数相对于实际频率进行校正；

设实际轨道频率为f_s，信号发生器的频率为f₀，则一次参数的修正公式如下：

$M=\frac{f_0}{f_s}---\left(14\right)$

$R_0^{\′}=0.065+\frac{R_0-0.065}{M}---\left(15\right)$

$L_0^{\′}=1.26+\sqrt{M}(L_0-1.26)---\left(16\right)$

为了更好地理解本发明，采用了本发明的方法进行了实际测试，分别在武汉铁路分局武昌电务段花岭工区和上海地铁运营公司石龙路停车场进行了现场测量，把测得的数据输入到计算机，再利用所编的软件进行计算，可以得到一次参数。为了验证这样测算的结果的准确性，可以反过来把得到的一次参数数值作为已知条件，再利用轨道电路的仿真算法，计算出轨道电路的输入阻抗，用此结果和前面测算的输入阻抗进行比较，从而可以验证测算结果的准确性。

有了轨道电路参数的测量仪器和计算软件，测算工作变得简单了。为了保证测试的准确性，在实际的测量过程中，还应注意以下事项：

（1）应保证所选择的测试段不含“电气绝缘节”的器材，即测试段应为“纯”钢轨线路；

（2）短路测试时，应先用打磨机将轨面打光，然后采用专门设计的短路棒在轨面实施短路；

（3）为减少短路棒与轨面的接触电阻，要求棒端与轨面之间至少应有300公斤压力；包括接触电阻在内，整个短路棒的电阻应小于100毫欧；短路棒的长度与两根钢轨的轨面之间的距离相等，应有调节余地；短路棒做得应该尽量轻便，整套装置应考虑携带方便；

（4）送电端的送电棒也必须符合上述要求。

（5）电压表的误差应尽可能相同，测试后读数应校对。

综上所述，本发明的优点在于：本发明采用二次短路法进行对无绝缘音频轨道电路一次参数进行测量及校正，测量方便、简单、测量精度高、计算简单，因此，具有较好的应用前景。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种无绝缘音频轨道电路一次参数测量及校正方法，其特征在于，其包括：

步骤S1：进行第一次短路测量，设有一测量端U_S，在距测量端L处两侧短路，从测量端测算出输入阻抗Z_in1，其中，利用近似公式估算短路点的距离L：Lmin＝K/(F*G)1/2，K值可取45-50，F为测量频率，G为轨道漏泄的经验估计值；

步骤S2：进行第二次短路测量，在距测量端2L处两侧短路，从测量端U_S测算出输入阻抗Z_in2；

步骤S3：根据公式计算一次参数；

步骤S4：依据如下的校正公式对一次参数相对于实际频率进行校正：

$M=\frac{f_0}{f_s}$

$R_0^{\′}=0.065+\frac{R_0-0.065}{M}$

$L_0^{\′}=1.26+\sqrt{M}(L_0-1.26)$

其中，f_s为实际轨道频率，f₀为信号发生器的频率，R₀、R’₀分别为校正前、后的单位长度下的钢轨电阻，L₀、L’₀分别为校正前、后的单位长度下的钢轨电感。

2.根据权利要求1所述的一种无绝缘音频轨道电路一次参数测量及校正方法，其特征在于，输入阻抗的测量是通过三电压表法进行。