FTGS－放大濾波板故障的測試與研究

葛錫云， 周廣新， 張麗平， 林于曉

（中國礦業(yè)大學 機電工程學院，江蘇徐州221008）

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，以及國外先進的城市軌道交通信號系統(tǒng)的引進，我國城市軌道交通的行車安全和運輸效率得到了大幅的提高。其中，軌道電路是城市軌道交通信號系統(tǒng)的重要組成部分。

目前，我國對軌道電路的應用研究比較少，國內地鐵大多采用國外的軌道電路，而國外供貨商對技術又嚴密封鎖，以至于我國對所引進的軌道電路的原理、內部配線、現(xiàn)場故障處理維修的了解幾乎一片空白，一旦引進設備的質保期滿后，鑒于上述對供貨商的依賴，所帶來的維修及高成本問題也更為突出；因此，很有必要對軌道電路相關設備及其影響因素進行研究，以降低其故障率，穩(wěn)定FTGS軌道電路的可靠性，減小維修成本，保證地鐵安全運營[1－2]。

1 問題的提出

南京地鐵1號線一期工程（包括西延線）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)設備采用德國西門子的列車自動控制系統(tǒng)（Automatic Train Control，ATC），含列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（Automatic Train Supervision，ATS）、軌旁列車自動防護系統(tǒng)（Automatic Train Protection，ATP）、車載ATO／ATP和計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)（Computer Interlocking，CI）子系統(tǒng)。全線裝設226個區(qū)段的FTGS，是區(qū)段空閑檢測和車載／軌旁設備報文傳輸的關鍵設備。自2005年9月3日設備投入運營以來，F(xiàn)TGS軌道電路的室內輸出設備－放大濾波板頻繁發(fā)生故障，截至2009年7月31日，共計發(fā)生69次故障。故障現(xiàn)象均為輸出電容擊穿，輸出電壓下降約1／3。引起放大濾波板的故障的原因比較復雜，一旦放大濾波板出現(xiàn)故障，將有可能造成軌道電路紅光帶故障，對地鐵的正常運營造成嚴重影響。

2 FTGS標準型軌道電路的結構及工作原理

如圖1所示，F(xiàn)TGS標準型軌道電路主要由室內設備和室外設備組成。

圖1 FTGS標準型軌道電路結構框圖

當FTGS軌道電路“空閑”時，發(fā)送板通過一個可變頻的數字分頻產生9.5 k Hz到16.5 k Hz音頻電壓，并由15個不同的位模式進行頻率調制，偏頻為64 Hz。發(fā)送板將調制的音頻電壓發(fā)送給放大濾波板，放大濾波板把調制音頻電壓提升到要求的電平，并通過帶通濾波電路濾除高次諧波，使功放電路輸出的方波信號轉換成正弦波，然后通過方向轉換板及匹配電阻發(fā)送到軌旁盒內，音頻信號饋入鋼軌，經接收端的軌旁盒，傳送到接收器1板，接收器1板把從軌道上接收回來的信號分為2個通道，并分別進行頻率和電壓幅值的檢測，然后解調板將從接收器1板接收到的位模式與預設的位模式進行比較，并將比較結果送入接收器2板，接收器2板驅動繼電器板將軌道“空閑”信號傳遞給聯(lián)鎖設備和軌旁ATP／ATO。當FTGS軌道電路“占用”時，報文轉換板使FTGS的位模式無效，占用信息傳送到報文轉換板，ATP報文被激活并被送到發(fā)送板[3]。

3 FTGS軌道電路－放大濾波板故障分析

FTGS軌道電路廣泛應用于世界各地的正線鐵路和城市軌道。FTGS軌道電路分2種型號：① FTGS－46型，使用4種頻率（4.75、5.25、5.75、6.25 k Hz）；② FTGS－917型，使用8種頻率（9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5 k Hz）。放大濾波板在FTGS軌道電路中主要有2個作用：① 帶通濾波，抑制所有的高次諧波，使放大后的方波信號轉換成正弦波；② 選頻功率放大，把發(fā)送板送來的調制音頻提升到要求的電平。南京地鐵1號線正線采用 FTGS－917型軌道電路[3－4]。

通過對故障數據的挖掘整理，絕大多數故障發(fā)生在站臺及其附近的區(qū)段中，距站臺較遠的區(qū)段則很少發(fā)生此類故障。同時，放大濾波板按其工作頻率分為8種型號（9.5～16.5 k Hz），經數據分析，工作頻率12.5 k Hz以下的3種型號從未發(fā)生過故障，故障集中發(fā)生于工作頻率較高的5種型號。

由于南京地鐵1號線自投入運營以來，存在軌道電位異常升高的問題；因此，軌電壓異?？赡軙ο嚓P信號設備產生影響，最終可能導致FTGS軌道電路－放大濾波板出現(xiàn)故障。

4 軌電位分布及對信號設備影響理論研究

牽引供電系統(tǒng)設計為不接地系統(tǒng)，通過走行軌回流，變電站把交流電變換為直流電，經由饋電線向電力機車輸送電流，并由返回線返回，返回線由鋼軌及與之相連的導線構成。由于返回線具有電阻并承載電流；因此，在返回線上產生電壓降，使鋼軌具有對大地的電位差，即軌道電位[5]。具體的鋼軌電位在區(qū)間分布的關系如圖2所示。式中，R為軌道縱向電阻；I1為變電所A的回流電流；I2為變電所B的回流電流；L為變電所A和變電所B之間的距離；L1為變電所A和列車之間的距離為軌道對排流網的過渡電阻；Rp為排流網縱向電阻。

圖2 軌道電位分布圖

研究表明：

（1）在列車和變電所整流器區(qū)間的中間處，鋼軌電位為零；

（2）列車位置處軌道電位為正向最高；

（3）整流器負端（即牽引變電所負極）為負向最高。

軌電位在牽引變電所附近為負向最大值，而車站處離牽引變電所較近，所以車站處的S型絕緣節(jié)兩側與其他地點相比軌電位較低。由此可看出，如圖1所示，在無列車經過時，放大濾波板的輸出電壓會因S型絕緣節(jié)兩側的低電位而增大；當列車經過此處的絕緣節(jié)時，由于列車位置處于軌道電位正相最高處，所以定會給S型絕緣節(jié)兩側帶來電位的變化，且軌電位愈高，其變化范圍也相應愈大。而如圖3所示，S型絕緣節(jié)兩側電壓的變化會直接影響放大濾波板輸出電容兩側的電壓變化。所以，當列車經過S型絕緣節(jié)時，放大濾波板輸出電壓變化既包括發(fā)送數據時頻率偏移造成的電壓變化，也包含了由于列車經過帶來的絕緣棒兩側電壓變化。放大濾波板輸出電容兩側電壓受到外界干擾，當軌電位過高時，列車通過車站附近的絕緣節(jié)所帶來的電壓的沖擊也將對放大濾波板輸出電容的電壓產生影響，長此以往，有可能會對放大濾波板的輸出設備產生危害，造成元件的損壞，影響軌道電路的正常工作。

圖3 FTGS軌道電路發(fā)送端示意圖

5 放大濾波板故障與軌電位相關性研究

為研究軌電位對放大濾波板的影響，需對FTGS軌道電路放大濾波板輸出信號及軌電壓信號進行測試。由于FTGS軌道電路選用9.5～16.5 k Hz的頻移鍵控信號進行傳輸，信號頻率較高，所以需要采用高采樣率的數據采集器，經綜合考慮，選用澳大利亞Chrono Logic公司生產的DAQ2500X進行信號采集，它能夠4通道同步采集，每通道采樣率可達到100 K／s，且具有差分輸入等功能?？紤]到數采集器的電壓采集幅值為－10～10 V；因此，軌電壓信號和放大濾波板信號需要首先經過電壓變換器，然后才能進入數據采集器采集，最后輸入上位機采集系統(tǒng)進行相關性分析?，F(xiàn)場具體接線如圖4所示。

由于FTGS軌道電路－放大濾波板故障主要集中在高頻段，所以需比較有車經過時，高低頻段放大濾波板輸出信號的差異及與軌電壓的相關性。通過矩陣實驗室Matlab提供的圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）設計工具來實現(xiàn)信號的顯示及對比，如圖5所示。

圖4 軌電位與放大濾波板測試接線圖（接收器1板和接收器2板都是雙通道的所以有兩組）

圖5 Matlab數據采集分析軟件界面

由測試數據表（見表1）可以看出，軌電位升高直接影響放大濾波板的輸出電壓，導致放大濾波板的輸出電壓有所下降，而就高頻段來看，軌電位升高，放大濾波板的輸出電壓下降越快，最大下降幅值達到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FTGS軌道電路發(fā)送端電路理論可得，軌電位升高，使放大濾波板輸出電壓下降，從而導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，必定會導致放大濾波板輸出電容溫度升高，從而出現(xiàn)疲勞損壞，產生的現(xiàn)象就是輸出電容變形，甚至擊穿。

表1 測試數據總結表

6 結 語

FTGS軌道電路主要用于檢測軌道電路的占用狀態(tài)，并發(fā)送ATP報文。在城市軌道交通信號系統(tǒng)中扮演著重要的角色。而放大濾波板是FTGS軌道電路的關鍵組成部分，其較高的故障率會對城市軌道交通的正常運營造成嚴重的影響。

本文主要對FTGS型軌道電路－放大濾波板故障的原因進行提取分析，通過對軌電位分布理論及對信號設備影響的理論研究，確定其影響因素，并經過現(xiàn)場數據的測試以及Matlab等軟件的應用，得出軌電位升高將導致放大濾波板輸出電壓下降，頻段越高，下降幅度越大；因此，可見軌電位升高是FTGS型軌道電路—放大濾波板故障的影響因素之一。

[1] 賈一梅，葉 堃.著眼FTGS軌道電路可靠性的提升[J].設備檢修，2010，2（2）：37－38.

[2] 樊艷飛.FTGS－917型軌道電路故障分析處理[J].企業(yè)技術開發(fā)，2009，28（7）：133－136.

[3] 林瑜筠.城市軌道交通信號[M].北京：中國鐵道出版社，2008：1－109.

[4] 張 滔.遙供音頻無絕緣軌道電路系統(tǒng)[J].地鐵與輕軌，2001，2（2）：52－55.

[5] 李 威.地鐵雜散電流腐蝕監(jiān)測及防護技術[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2004：1－50