基于故障树的25 Hz轨道电路红光带故障分析及建议

陈晓龙

(1．中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；

2．中国铁路济南局集团有限公司青岛电务段，山东青岛 266000)

1 概述

国内铁路运营规模的不断扩大和运营里程的不断增加，对信号设备稳定性的要求越来越高。25 Hz相敏轨道电路作为铁路信号设备的基本组成部分，普遍运用于电气化铁路中，其重要性不言而喻，但是轨道电路故障数量却在信号设备总故障中仅次于道岔故障数量。25 Hz轨道电路有中国国家铁路集团有限公司拟定的维修方案，各个电务段也有作业指导书，但是目前的维修方式比较依赖于工作经验，且轨道电路各个结构部分基本设定为相同的检修周期，对于某些结构部分会存在检修不足或者过度的情况。因此，对近年来25 Hz轨道电路故障数据分析研究，明确引发25 Hz轨道电路故障的关键因素，然后有针对性地制定越来越符合设备状态的维修方式，是目前亟需解决的问题。

现如今，可靠性的分析方法多种多样，可分为定性分析、定量分析、定性与定量分析相结合3大类。详细下分又包含FMEA、风险矩阵法、专家调查法、鱼骨图分析法、故障树分析(FTA)法、熵权法等。故障树分析法可以定性分析又可以进行定量分析，而且分析方法直观，逻辑性强，是系统安全性与可靠性常用的分析工具。通过故障树分析法对25 Hz轨道电路红光带故障进行定性和定量的分析，明确25 Hz轨道电路系统的薄弱环节和红光带故障产生原因，并通过分析得到导致红光带故障发生的各个因素的概率，对于完善25 Hz轨道电路系统的修程修制，降低轨道电路的故障率，保障列车运行的安全与效率，具有非常重要的意义。

2 25 Hz轨道电路介绍

25 Hz轨道电路是指轨道电路的工作频率为25 Hz，接收设备在满足局部电压超前轨道电压0～180 °相位角时工作（局部电压超前轨道电压90 °相位角时为最佳可靠工作状态）的轨道电路，可以监督检查列车占用轨道情况，显示列车的位置，同时列车可以通过轨道电路接收各种码序，为列车运行提供各种机车信号。本文重点研究25 Hz轨道电路红光带故障，因此主要围绕25 Hz轨道电路检查列车占用的功能进行分析。

2.1 结构分析

25 Hz相敏轨道电路主要由送电端设备、受电端设备及钢轨线路等组成。送电端设备主要包括室外隔离盒、轨道变压器、扼流变压器、熔断器、限流电阻、引接线等，受电端设备主要包括室外隔离盒、中继变压器、扼流变压器、熔断器、限流电阻、引接线、防护盒、防雷补偿器、相敏接收器、轨道继电器等。轨道电路工作时，局部电源超前轨道电源90 °。25 Hz相敏轨道电路结构如图1所示。

图1 25 Hz相敏轨道电路结构Fig.1 Structure of 25 Hz phase-sensitive track circuits

2.2 工作原理

电源屏供出25 Hz轨道电源和超前轨道电源90°的局部电源。局部电源直接供给微电子接收器，轨道电压由室内通过电缆，到达信号变压器箱，依次经过送电端室外隔离盒、轨道变压器、限流电阻、扼流变压器、送电端引接线、钢轨线路、受电端引接线、扼流变压器、中继变压器、室外隔离盒、电缆线路回到室内，经过并联的防雷补偿器及防护盒送到微电子接收器。微电子接收器通过判断轨道电压和局部电压的电压值、频率、相位大小，控制轨道继电器的吸起落下。

3 故障树分析法介绍

故障树分析是由上往下的演绎式失效分析法，利用布林逻辑组合低阶事件，分析系统中不希望出现的状态。故障树分析主要用在安全工程以及可靠度工程的领域，用来了解系统失效的原因，并且找到最好的方式降低风险，或是确认某一安全事故或是特定系统失效的发生率。

3.1 故障树分析法基本符号及运算

故障树分析法中常见的集合事件是顶事件、中间事件和底事件。顶事件位于故障树的顶端，是所探讨的故障树中逻辑门的输出事件，是最后的结果事件。中间事件位于底事件和顶事件之间，既是某个逻辑门的输出事件，又是别的逻辑门的输入事件。底事件位于故障树的底部，是所探讨的故障树中逻辑门的输入事件。

故障树分析中常见的逻辑门有与门、或门、非门。故障树中常见集合事件的顶事件、中间事件和底事件和逻辑门都由相应符号表示，具体符号表示如表1所示。

表1 故障树符号图示Tab.1 Fault tree symbols

3.2 故障树分析法步骤

1）合理选择顶事件、系统分析边界和定义范围，并且确定成功与失败的准则。

2）围绕所需要分析的事件进行系统、相关数据等资料的收集。

3）在专业人员的帮助下，对收集的资料进行分析处理，建造故障树。

4）对故障树进行简化或者模块化。

5）定性分析，求出故障树的全部最小割集，明确最小割集的阶数。

6）定量分析，对最小割集进行概率计算，进而求出顶事件发生概率，此外还要进行重要度分析和灵敏度分析。

4 轨道电路故障树建立及分析

本文中25 Hz轨道电路红光带故障树的建立和分析是面向现场维护人员的，旨在明确引发红光带的主要因素，以此来抓住维护重点，降低红光带故障的发生率。

4.1 25 Hz轨道电路故障分析

25 Hz轨道电路红光带故障是现场非常常见的一类故障，严重影响行车效率，因此，本文将25 Hz轨道电路红光带故障作为故障树分析的顶事件。

由图1可知，25 Hz轨道电路可分为室内子系统和室外子系统，因此，将引发轨道电路红光带的因素分为室内子系统故障和室外子系统故障。室内设备故障又包括轨道电源模块故障、相敏接收器不良、轨道继电器插接不良、室内电缆开路或短路、防雷补偿器击穿等，室外设备故障包括室外隔离盒不良、轨道变压器不良、断轨、熔断器过载断开、引接线不良、钢轨绝缘不良、室外电缆开路或短路等。

4.2 25 Hz轨道电路红光带故障树建立

根据以上分析，以25 Hz轨道电路红光带故障为顶事件，根据与门、或门的逻辑关系，建立25 Hz轨道电路红光带故障树如图2所示。

4.3 25 Hz轨道电路故障树分析

4.3.1 定性分析

如图 2所示，可以分别得出“室内子系统故障”和“室外子系统故障”的结构函数。两者的结构函数之和即为顶事件“25 Hz轨道电路红光带故障”的结构函数。设顶事件“25 Hz轨道电路红光带故障”的结构函数为P，“室内子系统”的结构函数为P1，“室外子系统故障”的结构函数为P2，则：

图2 25 Hz轨道电路红光带故障树Fig.2 Fault tree of red-light strap of 25 Hz track circuits

根据顶事件的结构函数P可以得出：一阶最小割集：{X1}，{X3}，{X4}，{X5}，{X6}，{X7}，{X9}，{X10}，{X11}，{X13}，{X17}，{X18}，{X19}，{X20}。二阶最小割集：{X15X16}。其中，{X1}，{X3}，{X4}，{X5}，{X6}，{X7}，{X9}，{X10}，{X11}，{X13}，{X17}，{X18}属于单点故障，必须作为防护重点。

4.3.2 定量分析

根据以上分析，针对最小割集中包含的底事件进行概率统计，以胶济线某车间管辖胶济线设备总量为抽样事件总量，统计底事件发生的周期以 2018年 1月至 2020 年 12 月为准。具体底事件概率统计如表 2 所示。

顶事件的发生概率P即为最小割集概率之和，根据表2最小割集概率统计中的数据可直接得出P值。如下：

表2 底事件概率统计Tab.2 Statistics on the probability of bottom events

综上所述，顶事件轨道电路红光带故障的发生概率为0.025 8，且绝缘不良是引发此车间红光带故障发生的最主要因素。

5 降低25 Hz轨道电路红光带故障率建议

通过以上分析，可以看出造成此车间轨道电路红光带的因素主要有绝缘不良、器材不良、引接线不良等。基于以上分析，从轨道电路日常巡视，定期测试以及日常工作中提出以下几点建议。

1）轨道电路日常巡视中，首先要注意钢轨绝缘处铁屑的清扫，尤其是多次发生铁屑封连的区段绝缘以及在弯曲线路上的钢轨绝缘，保证每个天窗点都进行清扫检查；其次要注意检查引接线，通过划标记等方法检查螺丝是否有松脱，并检查引接线是否有破皮，有破皮要进行引接线电流测试，测试不良及时更换引接线，若轨底处引接线有破皮，在测试良好的情况下要检查过轨卡是否作用良好，确保破皮处不触碰轨底；室内设备的巡视要注意听、看、量，听电子设备有无异响，看电子设备有无烧损等异状，测量电子设备是否温度过高。

2）轨道电路定期测试的项目中，要坚持钢轨绝缘的定期测试，保证每季度一测，在温度高的月份或者雨后要加测；其次要坚持引接线的定期测试，发现不良及时进行更换；室内要严格电缆绝缘测试，杜绝捏造数据，以便及早发现电缆隐患。

3）在其他方面，一是要充分利用信号集中监测，对于发现的轨道波动的问题坚决不放过，以防问题升级成故障；二是做好防鼠检查，此车间也发生过因老鼠咬断线造成道岔失去表示的故障，因此，防鼠是绝对必要的；最后，职工要遵守纪律，执行标准，带班的干部要执行监督责任，杜绝人为故障的发生。