轨道电路学习资料

轨 道 电 路

第一节：轨道电路的基本原理和基本理论

一、轨道电路的基本原理

1、轨道电路的命名：

轨道电路是以铁路线路的两根钢轨作为导体，用引接线连接电源和接收设备所构成的电气回路，它是监督铁路线路是否空闲，自动地和连续地将列车的运行和信号设备联系起来，以保证行车的安全，在线路上安设的电路式的装置。

轨道电路由钢轨、轨道绝缘、轨端接续线、引接线、送电设备及受电设备等主要元件组成。

2、轨道电路的技术要求

①当轨道电路空闲且设备良好时，轨道电路继电器衔铁应可靠吸起。

②轨道电路在任何一点被列车占用时，即使只有一个轮对进入轨道电路，轨道继电器应立即释放衔铁。

③当轨道电路不完整时，断轨、断线或绝缘破损时，轨道继电器应立即释放衔铁，关闭信号。

④对某些轨道电路，还应实现由轨道向机车传递信息的要

求。

3、轨道电路的分类

①轨道电路按接线方式分可分为闭路式和开路式（均是以轨道电路平时无车占用时所处的状态来确认）。

②轨道电路按供电方式分可分为直流轨道电路和交流轨道电路，其中直流轨道电路又分为直流连续式轨道电路和直流脉冲式轨道电路（包括极性脉冲轨道电路、极频脉冲轨道电路和不对称脉冲轨道电路）；交流轨道电路又分为交流连续式轨道电路（包括工频50HZ整流轨道电路、25HZ相敏轨道电路、工频二元二位感式轨道电路、75HZ轨道电路、音频轨道电路也叫移频或无绝缘轨道电路）和交流电码式轨道电路（包括50HZ交流计数电码轨道电路、75HZ交流计数轨道电路、25HZ电码调制轨道电路）。

③按电气牵引区段牵引电流的通过路径分为单轨条轨道电路和双轨条轨道电路。

单轨条轨道电路是以一根钢轨作为牵引电流回线，在绝缘处用抗流线引向相邻轨道电路的钢轨上的一种轨道电路（如下图1所示），因其牵引电流流过钢轨时在钢轨间产生较大的电位差，成为信号电路外界的主要干扰源，牵引电流越大，钢轨阻抗越大，对信号电路造成的干扰也越大，并且

由于单轨条轨道电路轨抗较大传输距离相对缩短，但单轨条轨道电路构造简单，建设成本低，相对功耗小。

防护设备 防护设备 信号源 接收设备 抗流线 轨道箱连接线 牵引电流路径 信号电流路径

图1 单轨条轨道电路图

双轨条轨道电路是针对单轨条轨道电路不利于信号设备稳定的缺点而设计的又一种轨道电路。双轨条轨道电路牵引电流是沿着两根钢轨流通的，在钢轨绝缘处为导通牵引电流而设置了扼流变压器，信号设备通过扼流变压器接向轨道（见下图2）

扼流变压器 防护设备 防护设备 信号源 接收设备

`

中心连接板及抗流线 轨道箱连接线 牵引电流路径 信号电流路径

图2 双轨条轨道电路图

双轨条轨道电路是由两根钢轨并联传递牵引电流的，两钢轨间产生的不平横电流比单轨条要小得多，因此对于牵引电流的阻抗较低，利于信号的传输，设备运行也相对稳定，缺点是造价较高，维修较复杂。

④按有无分支分，分为一送一受和一送多受轨道电路，

道岔区段均为一送多受区段。

⑤按轨道电路结构分，可分为并联式和串联式两种。 并联式轨道电路结构简单（如下图），当有车占用直股或侧线时轨道电路继电器均被分路而衔铁落下，能起到监督作用，但无车时则侧线成为开路状态，只有电压而没有电流，将不能分路轨道电路。这种情况，是极其危险的。另外，在空闲时侧线钢轨折断，轨道继电器也不会落下，使信号设备导向安全，因此，这种一送一受轨道电路从安全角度来说，并不理想。

BZ4 RDRDBZ4 DGJ 车体

图 并联式轨道电路

串联式轨道电路是道岔区段的另一种形式，其电路如下图

BZ4 RDRDBZ4 DGJ 车体

图 串联式轨道电路

串联式道岔区段轨道电路可以检查所有的跳线和钢轨的完整性，所以比较安全，但这种电路并没有被广泛使用，因为这种电路的轨道绝缘比较多，连接线往往要用电缆来构成，因而使施工和维修都比较困难，所以这种电路就用得少了。

鉴于一送一受电路的主要缺点：由于轨道继电器装设位置的不同，有时轨道电路会检查不到跳线折断的情况，从而导致不能监督轨道被占用的状态；另外，这种电路对断轨状态的监督也是不理想的，因此，就提出了并联式一送多受电路，如图所示

BZ4 RDRDBZ4 DGJ2 DGJ1 并联式一送多受图 并联式轨道电路设有 设有送电端，并在每一个分支轨道的端部，都设置了一个受电端（即每一处都装设一个轨道继电器）。通过DGJ2线圈的电流要流经跳线，一但跳线折断，DGJ2就会失磁落下，DG1也会失磁落下，从而可以确保行车安全。把DGJ2的接点串入DGJ1后，用一个DGJ1来反映道岔区段的工作情况。

并联式一送多受电路的安全程度高，为了提高道岔区段轨道电路的可靠性，现在已在所有的区段中推广使用。但对于比较复杂的道岔区段，如设有交叉渡线和复式交分道岔的区段，则也可不必采用一送多受电路。而可采用一般的并联

DGJ2 BZ4 轨道电路。

4、轨道电路的基本原理

①JZXC—480型轨道电路原理

JZXC—480型轨道电路是非电化区段使用的一种非电码化安全型交流连续式轨道电路，这种轨道电路构成简单，电路采用干线供电方式，由信号楼引出一对或两对电缆向各轨道区段送电端轨道变压器BG5供电，由受电端1：20的BZ4升压变压器升压后送到室内JZXC——480型继电器。JZXC—480型轨道电路一送一受只有送端串有可调电阻，一送多受时各受电端都加一只电阻，送受端电阻均为2.2/220W型。

②25HZ相敏轨道电路原理

25HZ相敏轨道电路是电力牵引区段较为常用的一种轨道电路，它也可用于非电化区段，是应用较为广泛的一种轨道电路制式。由于25HZ相敏轨道电路采用低频传输，终端设备采用相位鉴别方式，且频率限为25HZ，因此具有相对传输损耗小（既轨损小，下一节讲），执行设备灵敏度高，抗干扰能力强等优点，缺点是设备故障点多，工作电源需两种（局部110V及轨道220V）。

③UM71轨道电路原理

UM71轨道电路是通用调制的电气绝缘的轨道电路，它是由发送器EM在编码系统指令控制下，产生低频调制的移频信号，经过电缆通道、匹配单元TDA及调谐单元BA，送至轨道，从送电端传输到受电端调谐单元BA再经接收端的匹配单元、电缆通道，将信号送到接收器RE中，接收器将调制信号进行解调放大后，动作轨道继电器，用以反映列车是否占用轨道电路。钢轨上传输的低频信息，经机车接收线圈接收送给TVM—300系统，供机车信号、速度监控使用。 ④ZPW——2000A型无绝缘轨道原理

ZPW——2000A型无绝缘轨道电路同UM71轨道电路基本相同，只是在调谐区内增加了小轨道电路，用来实现无绝缘轨道电路全程断轨检查，避免了UM71轨道电路调谐区存在的“死区段”（它的“死区段”只有调谐区内小于5米的一小节）从而大大地提高了轨道电路的安全性、传输性、稳定性。ZPW——2000A型无绝缘轨道电路分为主轨道电路和调谐区小轨道电路电路两部分，并将小轨道电路看作是列车运行方向主轨道电路的“延续段”。主轨道电路发送器产生的移频信号既向主轨道传送，也向调谐区小轨道电路传送。主轨道信号经过钢轨送到轨道电路受电端，然后经调谐单元、匹配变压器、电缆通道，将信号传到本区段接收器。调谐区小轨道信号由运行前方相邻轨道电路接收器处理，并将处理结果形成的小轨道电路执行条件送到本轨道电路接

收器，做为轨道继电器励磁的必要检查条件之一。本区段接收器同时接收到主轨道移频信号及小轨道电路继电器执行条件，判断无误后驱动轨道电路继电器吸起，由此来判断区段的空闲与占用情况。

二、轨道电路的基本工作状态与基本参数

1、轨道电路的基本工作状态

我们知道，轨道电路的三种工作状态为调整状态、分路状态和断路（轨）状态，这三种状态又各自有不同的工作条件和最不利工作条件，最不利工作条件包括调整状态下的钢轨阻抗最大、道碴电阻最小、电源电压最小；分路状态下的钢轨阻抗最小、道碴电阻最大、电源电压最大；断路状态下的钢轨阻抗最小、电源电压最大、临界断轨点和临界道碴电阻最大等等，但无论那一种状态，主要因素为三个变量，即轨道电路的道碴电阻、钢轨阻抗和电源电压，关于轨道电路是如何受这三种变量的影响的，下一节我们再讨论。

2、轨道电路分路灵敏度

①列车分路电阻：列车占用轨道电路时，列车轮对跨接在轨道电路的两根钢轨上构成轨道分路，这个分路的轮轴电阻就是列车分路电阻，它是由车轮和轮轴本身的电阻和轮缘与钢轨头部表面的接触电阻组成，由于轮缘与钢轨头部表面的接触电阻很小，因此车轮和车轴形成的电阻比接触电阻小很多，可以忽略不计。实际上列车分路电阻就是轮缘与钢轨头部的接触电阻，它是纯电阻。

列车分路电阻与钢轨上分路的车轴数、车辆的载重情况、列车的行驶速度、轮缘装配质量、钢轨表面的洁净程度、是否生锈，有无撒沙及其它油质化学绝缘层等因素均有关系，它的变化范围很大，可以从千分之几欧变化到0.06欧母，对于轻型车辆或轨道车还要更大。

②分路灵敏度：当轨道电路被列车车轮或其它导体分路，恰好使轨道电路继电器线圈电流减少到落下值时的列车分路电阻值（或导体的电阻值）就是该轨道电路的分路灵敏度。

③极限分路灵敏度：在轨道电路上各点的分路灵敏度不同，对于某一具体轨道电路来说，它的分路灵敏度应该以最小的分路灵敏度为准，称为极限分路灵敏度。

④标准分路灵敏度：我国现行规定标准分路灵敏度为0.06欧母，是和国际上规定的分路灵敏度是一致的。任何轨道电路在分路状最不利的条件下，用0.06欧母电阻进行分路

时，轨道继电器应释放衔铁（连续式轨道电路）或不吸起（脉冲式）。否则不能保证分路状态的可靠工作。

3、轨道电路的参数 ①道碴电阻：

轨道电路在电能传输中，电流是由一根钢轨经过枕木、道碴以及大地漏泄到另一根钢轨上的漏泄电阻，称为道碴电阻，如下图a所示。

钢轨 路基 枕木 钢轨枕木间的漏泄路径 钢轨、枕木、道碴间的漏泄路径

图a 道碴电阻（轨道电路漏泄电流图）

这些漏泄电流是沿着轨道线路均匀分布在各个点上的，因此轨道电路在电能传输上，属于均匀传输线。由下图b1可以看出，沿线各点的电压，不是按直线的规律，而是以双

曲线函数的规律下降的（见下图b2）。这是因为在每一个单位长度中，都有漏泄电流，所以使轨道电流逐渐减小，电压也逐渐下降，只有在没有漏泄的情况下，沿线路各点的电压才按照直线规律传输。

Ic Ib Rx BZ4 RDRDDGJ 道床漏泄电流 BZ4 Ia 图b1

t

ua U ua u1 u2 u3 u4 u5 u6 ub L

图b 轨道电路泄漏电流分布规律图2

道碴电阻与道碴材料、道碴层的厚度、清洁度，枕木的材质和数量、土质以及因气候影响的温度、湿度等有很大的关系，尤其是在气候变化时，道碴电阻也随之变化。对某一轨道电路来说，它的道碴电阻受外界影响可以从每公里1—2欧母变化到每公里100欧母，通常在夏季湿热，降雨后8—10分钟时的道碴电阻最低，而严冬季节道碴冰冻时的道碴电阻最高。

我国铁路线路大部分是碎石道碴，在区间道碴表面清洁时，单位道碴电阻都高于1欧母，目前，我国现行规定标准见下表

单位道碴电阻（欧母/km） 道床种类 区间碎石 站内碎石 混合道床

由于我国南北方地质和气候差异很大，道床状态也比较复杂，沿海是盐碱地区；西北是戈壁砂滩道床；隧道内潮湿腐蚀，道碴电阻低于国家标准值；站内道床排水能力差、站场肮脏、还有的有矿碴和化学污染，造成道床电阻可低到0.2

交流（50HZ） 1.0 0.6 0.4 直流 1.2 0.7 0.5 欧母/km，在这些地方，要保证轨道电路稳定工作，就须要采用实际的最小道碴电阻进行设计与计算。

道碴电阻越小、两根钢轨间的电导（电阻的倒数称为电导，它是表征材料导电能力的一个参数，用G表示，G=1/R，电导的单位是西门子，用符号“S”表示）越大，泄漏电流也越大，轨道电路工作也越不稳定。因此，要提高轨道电路工作质量，应该尽可能地提高最小道碴电阻，例如提高道床的排水能力，定期清筛道碴和更换陈腐的轨枕等。

钢轨间的分布电容也是与道床性质（介质状态）和使用电流频率有关，一般在千赫以下频率，因分布电容很小，普通轨道电路可以忽略不计，但在UM71轨道电路中也是一个需要考虑的范围，尤其是在有护轮轨的处所，当护轮轨绝缘破损时相当于两轨间放入了一个宽大的铁板，形成“有电介质的平行板电容（下一节讨论电容）”，在轨间高频率的信号幅射下，使得轨间阻抗变小，电导增大，泄漏电流增大，轨面电压降低，影响轨道电路信号传输。

近年来，我国铁路已大量采用混凝土轨枕，试验表明混凝土轨枕的导电率受环境、温度、湿度的影响比木枕要大，采用这种轨枕后，钢轨间的分布静电容也比较显著，因此它的最小道碴电阻会有所降低，分布电容也不容忽视，不过改进轨枕上的扣件和轨枕的联接方式和改善绝缘垫板的材质，可以在一定程度上提高它的最小电阻值。

轨道电路上将测试到 A、B点的回路电流将增加，电场对轨道电路做的功也将相应的增大，电场力在强电流的电路中会寻找做功的对象，此时因外电路变为短路，因此电场力将对其内电阻做功，来释放能量，这就是为什么在钢轨短路时，会将电压压在可变电阻上的原因。此时，变压器在强流状态下进入磁饱和状态，损害变压器寿命；变阻器在长期的强做功下也会发热，如果变阻器调整得不标准或太小，就会对变压器造成更大的损害，这就是变阻器为什么不能调整得过低的其中的一个原因，（有三个原因，其余两个在后面叙述）；如果在C、D点被短路，那就简单了，与E、F点短路相同，电源（电场力）由于C、D点的短路已经在对它的内电场（BG130/25变压器和可变电阻Rx）做功了，A、B点只是做为C、D点的并联短路点而构成的一个分流分支而已，并且因A、B点位于C、D点的外方，经过钢轨阻抗的分压后，A、B点此时的电压降还不如C、D点高，因此电压、电流都会比C、D点低得多，但对于电源的损害是相同的。 ⑤电位：电位是在电路中任何一点人为规定的参考点，它在电路中并不存在，规定了参考点后，电路中某点对参考点的电压就叫做该点的电位。我们研究电位是因为在轨道电路中，需要用电位的有关知识对某些复杂的故障进行分析。比如在分析轨道电路被牵引电流烧损故障时，就要清楚接触网的纵电势是否存在。我们知道，大地是常做为参考点来考虑

的，但是请同志们注意，大地并不是全部的所谓“零电位”，车站站场在牵引电力地线、接地网、高压变压器接地极、以及信号、通信等各种设备的防雷地线、安全地线组成的繁杂的地线群中，存在着地线埋深不同，接地点土质不同，接地体的不同而形成的各种接地电势差，这种电势差在牵引电路闪络、电路因故放电等因素的作用下会使各种地线之间形成危害很大的感应电势，足可以击穿绝缘、烧损设备，在历年来的接触网烧损扼流变、轨道电路设备的故障中，此类故障也占有一定的比例。因此，信号设备的接地体及可能受到牵引电势的危害的处所就要检查相关接地体的电位差，尽可能使各种地线处于同一电位，减小危害。再比如，在查找轨道电路半接地或低电压故障时，也要利用大地电位和设备各部件间不同的电位来进行对比测试；在轨道电路的其它故障中也要用不同点的电压来对比、衡量各部分的正常电压值；比如我们可以测量钢丝绳上的电压降，也可以测量螺丝间的电压降等等来查找轨道电路故障。另外，在日常分析某一点轨道电路故障时通常也要使用电位来分析。

⑥电动势：是能够维持电势差的电磁器件。电动势是既可以以单独的形式存在，也可以以电路的形式存在的，这就是说单独存在与电路存在均可以在其上面测试出电势差来，即可以测试出电压来。因此可以说任何能测试出电势差的储

存有电荷的器件均是电动势（电容暂不作为研究范围）。电动势既然能维持电势差，就可以对通过它的电荷做功，这在我们讨论电势时已经讲过。可以看出电动势同电势与电压一样，都是研究电场力做功的，因此电动势的单位也是伏特（即焦耳/库仑），但不同的是电势是研究电场力做功的方向的；电压是研究电场力做功的比值的；电动势研究的是电场力做功时电能能量转换过程的。在闭合电路中，电动势对电荷携带者做功，在其内部一定就有了能量的转换，此时的做功是在整个电路中进行的，包括它自身的内电阻。如下图所示

i ＋ E － B 电动势源 i 电动势方向 R i 电流方向

这就是说图中电动势源B对电荷携带者做功过程中把储藏为电磁场的能量，最终表现为电阻R中的焦耳热。并且，在这种做功时间内，电动势源所含的电能将不断地随着做功

时间的延长而减少，如果不能及时补充新的能量，这种电动势将会在某一时刻停止提供电能。电动势源以单独方式存在时，其电动势原理上是不进行能量转换的，即只维持本身的电势差，但由于宇宙射线的作用、空气电离子的存在以及电动势源本身的物理与化学结构的影响，即便是以单独形势存在时，电动势源也会发生能量转换，比如干电池在常规环境中搁置时，由于其内部是由化学物质构成的，某些化学物质在常规环境中会发生能量性质的变化，改变其化学结构式，从而导致电动势源的自然损耗，实现了电能的内部转换；在外部，由宇宙射线构成的电离子在空气中会自由穿梭，加上肮脏的空气导电物质的漂浮，会形成潜在的电离子回路，使电动势源间接地经电离子对内电场做功，最终转化为对其内电场电能的复合过程。从而消化电动势源的能量，这就是为什么干电池放置久了电压（准确地讲是电动势）会降低的原因所在。我们研究电动势的目的就是要认识到任何电源在以任何方式存在时，都要考虑它的内部能量是以什么形式在转换，转换的结果所导致的后果。比如，在研究轨道电路短路时，就要知道短路将使轨道变压器对内电阻强制做功，做功的结果是将变压器储存的电能转换为内电阻的热能；再比如，两个不同极性的轨道电路区段在相邻处钢轨绝缘破损时，两区段的电动势（两送电变压器）将互相做功，电势差大的一方给电势小的一方在放电，而电势差小的一方正在被

迫“充电”，导致的结果是两电动势储存的电能在互相消耗，对轨道变压器也会造成损害。在两个区段构成的两个电动势的大回路里，只要存在电势差，电动势就会做功，只要做功，电能就会不断地消耗电能，因此，如果一直供电，这种情况功耗是很大的。

⑦实际源：我们日常所说的电源是不包括电源本身内阻的电源，是理想中的电源，也就是我们常说的恒压源（或恒流源），这在现实生活中是不存在的。实际中的电源是具有内阻的，其端电压是随着电流（或电压）的大小而变化的。

实际的电压源是由一个理想电压源串联上一个电源内阻组成的，如下图所示；

I ＋ a US Uab U IRi Uab US － Ri b (a)电压源模型图

(b)电压源伏安特性图

实际的电压源模型及伏安特性图

实际的电压源的电压UAB为

I

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