FTGS-917型軌道電路故障分析與診斷

江洪澤

0 引言

南京地鐵一號線一期工程（含西延線）從奧體中心站至邁皋橋站，共計 16個車站，正線全長21.72 km，其中地下線路 14.08 km，地上線路7.64 km。信號系統(tǒng)設(shè)備采用德國西門子的列車自動控制系統(tǒng)，包括列車自動監(jiān)控系統(tǒng)、軌旁列車自動防護(hù)系統(tǒng)、列車自動運行系統(tǒng)等。全線裝設(shè)226個區(qū)段的遙控音頻無絕緣軌道電路（FTGS），是區(qū)段空閑檢測和車載/軌旁設(shè)備報文傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備。2005年9月3日設(shè)備投入運營至2009年7月31日，F(xiàn)TGS軌道電路的室內(nèi)輸出設(shè)備—放大濾波板發(fā)生故障69次，故障現(xiàn)象均為輸出電容擊穿，輸出電壓下降了約1/3。

由于南京地鐵一號線投入運營以來，一直存在軌電位異常升高的問題，所以軌電位異常升高和信號設(shè)備故障可能存在相關(guān)性，軌電位過高可能是FTGS-917型軌道電路放大濾波板發(fā)生故障的原因之一，因此本文主要研究FTGS-917型軌道電路放大濾波板故障的原因及對軌電位異常升高的影響。

1 FTGS-917型軌道電路簡介

FTGS-917型軌道電路主要由室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備組成（圖 1），被廣泛應(yīng)用于世界各地的正線鐵路和城市軌道。其分為2種：FTGS-46型，使用4種頻率（4.75，5.25，5.75和 6.25 kHz）；FTGS-917型，使用8種頻率（9.5，10.5，11.5，12.5，13.5，14.5，15.5和16.5 kHz）。南京地鐵一號線采用的是FTGS-917型軌道電路。

FTGS-917型軌道電路與國內(nèi)的軌道電路作用基本相同：把軌道線路分割為多個區(qū)段，檢查和監(jiān)督這些軌道區(qū)段是否空閑，并將空閑/占用信息傳給聯(lián)鎖系統(tǒng)。它還有一個特殊功能就是將ATP（自動列車保護(hù)系統(tǒng)）產(chǎn)生的報文信息傳送到列車上。

FTGS-917型軌道電路與國內(nèi)的軌道電路最大區(qū)別是實現(xiàn)方式不同。國內(nèi)軌道電路采用機械絕緣節(jié)劃分區(qū)段，而FTGS使用電氣絕緣節(jié)劃分區(qū)段，為了防止相鄰區(qū)段之間串頻，使用不同中心頻率和不同位模式進(jìn)行區(qū)分。就某軌道區(qū)段而言，只有收到與該區(qū)段相同的頻率與位模式信息才被響應(yīng)。

FTGS-917型軌道電路的空閑檢測過程可分為3步：幅值計算，用來檢測接收回來的電壓；調(diào)制檢驗，檢測接收回來的電壓的中心頻率是否正確；編碼檢驗，檢測接收回來的電壓所帶的位模式是否正確。

首先，接收器對幅值進(jìn)行計算，當(dāng)接收器計算出接收到的軌道電壓幅值足夠高，并且調(diào)制器鑒別到發(fā)送的編碼調(diào)制是正確的，接收器發(fā)送一個“軌道空閑”信號，這時軌道繼電器吸起表示“軌道區(qū)段空閑”；其次，當(dāng)車輛進(jìn)入某區(qū)段時，由于車輛輪對的分路作用，造成該區(qū)段短路，使接收端的接收電壓減小，軌道繼電器達(dá)不到相應(yīng)的響應(yīng)值而落 下，進(jìn)而發(fā)出“軌道占用”信號。

圖1 FTGS-917型軌道電路結(jié)構(gòu)框圖

2 故障理論模型分析

放大濾波板電路具體分為放大電路與濾波電路2部分，放大電路將信號放大至指定功率（一般為30 W）后，輸送到濾波電路中，再傳送至軌旁設(shè)備和鋼軌等電路中去。濾波電路的輸入為一個額定功率（約為放大電路電源功率）的功率信號源。而在濾波電路后，信號是由2個輸出電容并聯(lián)電路兩端引出后再經(jīng)電容、變壓器耦合后發(fā)送到軌旁單元。因此將軌旁及鋼軌電路綜合看成等效阻抗為R無源二端網(wǎng)絡(luò)，再將2個輸出電容等效為電容C2，簡化電路如圖2所示。

由基爾霍夫定律可得

式中，I為沒有負(fù)載時電路的電流；I′為有負(fù)載時電路的電流。

圖2 放大濾波板輸出端簡化電路圖

由式（1）—式（3）可見：當(dāng)負(fù)載電阻無限大時，式（3）與式（1）結(jié)果一致，即式（1）、式（2）為式（3）的一種特殊情況。且電路中電流的大小隨負(fù)載等效阻抗的減小而增大。

各元件電壓與電流關(guān)系如下：

當(dāng)負(fù)載電阻減小，電路中電流增大時，P0/I′減小、UC1、UL增大，所以UC2會相應(yīng)減小。即可以得出，輸出電容兩側(cè)電壓愈小，放大濾波板濾波電路中電流愈大。若電流過大，對電容來說可能造成高溫，過電流等多種不穩(wěn)定現(xiàn)象。

3 軌電位對濾波板故障的影響研究

研究軌電位異常升高與放大濾波板故障的相關(guān)性，應(yīng)從信號分析入手，分析測試故障點的軌電位、軌旁盒的輸入信號及放大濾波板的輸出信號。

為便于數(shù)據(jù)的采集，選取故障頻發(fā)點（南京一號線中勝站）站臺附近，分別采集F6頻段有車時的鋼軌電位，無車時的鋼軌電位，有車時軌旁盒輸入信號，無車時軌旁盒輸入信號，有車時放大濾波板的輸出信號，無車時放大濾波板的輸出信號。采集信號如圖3、圖4所示。

圖3 中勝站F6頻段有車時軌電位信號曲線圖

圖4 中勝站F6頻段有車時放大濾波板輸出電壓信號曲線圖

由測試數(shù)據(jù)可以看出，軌電位升高直接影響放大濾波板的輸出電壓，導(dǎo)致放大濾波板的輸出電壓有所下降，而就高頻段來看，隨著軌電位升高，放大濾波板的輸出電壓下降加快，最大下降幅值達(dá)到14 V，證明軌電位升高對放大濾波板輸出電壓有影響，頻率越高，影響越大。而從軌電位分布及對信號設(shè)備影響的理論可得，軌電位升高，使放大濾波板輸出電壓下降，從而導(dǎo)致流過放大濾波板輸出電流增大，雖然放大濾波板輸出電壓下降幅度不大，但長此以往，必定會導(dǎo)致放大濾波板輸出電容疲勞損壞，甚至擊穿。

4 結(jié)束語

軌電位升高影響放大濾波板的輸出電容兩端的輸出電壓，導(dǎo)致放大濾波板的輸出電壓有所下降，而就高頻段來看，軌電位越高，放大濾波板的輸出電壓下降幅度越大，根據(jù)測試情況來看，最大下降幅值達(dá)到 14 V，證明軌電位升高對放大濾波板輸出電壓有影響。此外信號頻率越高，影響越大。可見軌電位異常升高能加速放大濾波板輸出電容的老化，最終導(dǎo)致輸出電容疲勞損壞。

南京地鐵一號線軌電位異常升高，導(dǎo)致FTGS-917型軌道電路-放大濾波板的輸出電壓下降，直接導(dǎo)致放大濾波板輸出電容兩端的電流升高，長此以往，放大濾波板輸出電容疲勞損壞。筆者認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)措施降低鋼軌電位，以有效降低信號系統(tǒng)的FTGS故障發(fā)生概率。

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