无绝缘轨道电路调谐匹配单元绝缘不良分析处理

2020-10-13唐济东

铁道运营技术 2020年4期

唐济东

（中国铁路南宁局集团有限公司柳州电务段，工程师，广西柳州 545007）

ZPW—2000A型无绝缘轨道电路作为高铁、客运专线铁路信号系统中的重要组成部分,采用电气分割相邻轨道电路信号，利用调谐单元对不同频率信号的不同阻抗值，实现相邻区段信号的隔离，划定轨道电路的控制范围，在保障铁路列车安全、高速运行方面发挥着极为重要的作用。调谐匹配单元是ZPW-2000A型无绝缘轨道电路系统的关键室外设备，如果调谐匹配单元绝缘性能下降,将严重影响轨道电路正常功能的发挥，危及高铁动车行车安全，需要分析故障成因,研定防范对策,确保设备安全可靠。

1 调谐匹配单元作用

由于目前国内高铁、客运专线铁路线路多为长轨，且多为电气化牵引，为了减少锯轨，其使用的ZPW-2000A型无绝缘轨道电路采用电气分割相邻轨道电路信号，利用调谐单元对不同频率信号的不同阻抗值，实现相邻区段信号的隔离，划定轨道电路的控制范围。其系统构成原理如图1所示。

图1 ZPW-2000A无绝缘轨道电路原理图

调谐匹配单元用于轨道电路的电气绝缘节和机械绝缘节处，调谐部分形成相邻区段载频的短路，且与调谐区内钢轨电感（或机械绝缘节处的机械绝缘节扼流空心线圈）形成并联谐振，实现相邻区段信号的隔离和本区段信号的稳定输出。匹配部分主要作用是通过钢轨阻抗和电缆阻抗的连接，以实现轨道电路信号的有效传输。调谐匹配单元可以看作是原ZPW-2000A轨道电路中调谐单元（BA）和匹配变压器（TAD）的二合一设备，此种设备共分为四种型号（1700、2000、2300、2600 Hz），用户可根据本区段的载频频率选用。其设备原理如图2所示。

图2 调谐匹配单元原理图

安装使用时V1-V3连接，U1、U2通过钢包铜电缆连接到线路钢轨侧，E1、E2通过数字信号电缆连接到室内。各部分作用如下：

1）调谐单元部分与中间的空心线圈以及调谐区内钢轨共同组成LC并联谐振电路，利用LC并联谐振电路的极阻抗特性，有效降低移频信号在主轨道的衰耗，实现主轨信号的保真传输。同时，调谐单元利用其自身LC串联谐振表现出的零阻抗特性实现相邻轨道电路信号间的电气隔离，即完成“电气绝缘节”功能。

2）匹配变压器（AFT）部分主要作用是实现轨道电路钢轨阻抗和数字信号电缆阻抗的匹配、钢轨与室内设备间的电气隔离；电解电容C1、C2发挥隔直通交的作用，使匹配变压器适用于直流电力牵引的区段；电感（PTL）作为对容性数字信号电缆的补偿，并在列车分路时与匹配变压器相对应处轨道电路构成限流阻抗。

3）补偿电感部分（PTL2）在机械绝缘节处替代一根钢包铜的电缆线（断开A、B间连接片），其阻抗等同于一根钢包铜的电缆线阻抗，作用是减少外部连接线；安装在电气绝缘节处，须保留A、B间连接片。

如果调谐匹配单元绝缘性能下降，轻则影响本区段及相邻区段轨道电路信号有效传输，引起电气特性变化，影响轨道电路调整导致轨道电路不能可靠工作；严重情况下，如匹配变压器两端绝缘不良，致使钢轨与室内设备间的电气隔离失效，钢轨侧牵引强电直接作用于室内设备，极易造成设备损坏，危及高铁动车行车安全。

2 存在主要问题

2.1使用环境超出技术条件规定范围当前国内高铁、客运专线使用的调谐匹配单元虽然生产厂家不尽相同，但都是依据“关于印发《ZPW-2000A无绝缘轨道电路设备》等14项铁路客运专线信号产品暂行技术条件的通知”（铁科运[2008]36号）规定，将调谐单元和匹配单元整合为一个调谐匹配单元，对主要电气元件采用不饱和聚酯材料灌封，减少了系统在现场安装的设备数量，提高了系统的可靠性。

根据铁科运[2008]36号文规定,调谐匹配单元技术要求：设备环境适应性要求在周围空气相对湿度室外不大于95%（温度为30℃）能可靠工作；绝缘电阻≧200MΩ（用直流500V电压测试V1-V2端子与E1-E2端子间阻值）。但是在我国南方地区，每年3月至10月经常出现空气相对湿度大于95%的天气，特别是长大隧道，调谐匹配单元更是长期处于潮湿的环境之中。因此，安装在这些地段的调谐匹配单元，更加容易出现绝缘不良的问题。如2013年12月开通运行的衡柳、柳南客专线区间都是采用ZPW-2000A无绝缘轨道电路，其中南宁局集团公司柳州电务段管内在线运用共3 884台，仅2017年至2018年就发现调谐匹配单元绝缘不良56台，其中90%都是箱盒内潮湿，电路板有水渍导致绝缘下降。

2.2产品结构设计存在缺陷

1）调谐匹配单元将调谐单元和匹配单元整合为一个调谐匹配单元，对主要电气元件采用不饱和聚酯材料灌封，但各部件则都是通过共用电路板进行连接，接点暴露在外，遇到潮气电路板产生水渍，导致绝缘性能下降；匹配变压器Ⅰ次侧（AFT-1、AFT-2）、Ⅱ次侧（AFT-3、AFT-4）、电感PTL-3、PTL2-1、PTL2-2、电容C1(-)接点密集紧凑，暴露在外，遇到潮气，必然会造成绝缘性能下降。调谐匹配单元实物布局见图3。

图3 调谐匹配单元实物布局

2）结构布局不合理，选材不当，运用中造成性能下降。调谐匹配单元设备侧(E1、E2）与线路侧（V1、V2、V3）接点集中在同一小块端子板上，结构紧凑，方便了现场安装、测试及维护，在理想的环境中也能正常使用。但是由于E2与V1焊点间隔只有3 mm，在实际运用中，潮气、积灰等在所难免，在电气化区段轨道回流不大于1 000 A，不平衡电流不大于100 A工作环境中（铁总运[2015]322号《高速铁路信号维护规则》规定），遇到雷害、牵引供电等强电干扰，E2与V1易被被击穿，导致调谐匹配单元绝缘下降，进而影响室内分线采集器、防雷模拟网络盘受强电干扰损坏。对现场返回的调谐匹配单元解剖发现，E2与V1之间存在明显的强电击穿留下的痕迹，如图四所示。

图4 调谐匹配单元受电击示意

3 采取措施

3.1做好防潮去湿工作每年3月至10月，南方气候潮湿，空气相对湿度经常大于95%，导致调谐匹配单元绝缘下降。要采取有效防范措施：一是做好防潮去湿，在调谐匹配单元盒内部放置专用干燥剂，每年检修时进行更换。二是将调谐匹配单元盒盖与盒体之间、电缆引入孔及防尘盖采用玻璃胶封堵，增强调谐匹配单元的密闭性。三是督促设备供应商，抓紧探索试验，解决在用设备电路板外露端子的防潮问题。

3.2监测电气特性变化通过监测调阅及测试电气特性变化提前发现隐患并进行处理。一是日常测试每天调阅监测轨道电路电气特性，发现主轨电压变化超过15 mv，要重点检查调谐匹配单元；二是每月测试轨道电路电缆对绝缘趋势变化情况进行分析，及时发现调谐匹配单元绝缘下降的隐患并有效处理。

3.3有效防范强电干扰不良后果一是遇到雷害、列车过后轨道电路红光带不消失的故障，一般情况下都会导致调谐匹配单元被击穿损坏，在更换调谐匹配单元的同时，必须要同步检查室内分线采集器、防雷模拟网络盘受强电干扰损坏情况，及时处理问题，防止发生次生故障。二是日常测试如发现分线采集器不良（只影响监测，不影响轨道电路正常使用），要同时检查测试调谐匹配单元绝缘情况，发现不良务必及时更换。

3.4优化产品结构联合设备生产厂家到现场进行调查分析，对设备进行解剖排查，确认问题点，提出整改方案并抓紧实施。一是取消共用电路板，各部件连接节点全部灌封进不饱和聚酯材料内，避免接点外露受潮气影响；二是调整结构布局，将设备侧(E1、E2）、线路侧（V1、V2、V3）接点分开安装在不同端子上，避免运用中强电干扰造成性能下降。调谐匹配单元改进后实物布局如图五所示。