ZPW-2000A軌道電路中補(bǔ)償電容故障問題研究

溫術(shù)來，于樹永，趙寰宇，盧 江

（北京鐵路信號有限公司，北京 102613）

1 概述

鋼軌補(bǔ)償電容通過優(yōu)化鋼軌阻抗特性可有效提高ZPW-2000A軌道電路中高頻載頻信號的傳輸性能[1-3]。基于鐵路信號產(chǎn)品高安全可靠性的技術(shù)特點(diǎn)，補(bǔ)償電容失效問題是鐵路信號領(lǐng)域研究者普遍關(guān)注的熱點(diǎn)之一，如鄭福林[4-5]針對補(bǔ)償電容損壞的原因進(jìn)行探討，并提出防護(hù)措施；徐俊岐[6]則通過對軌道電路紅光帶故障處理，總結(jié)了補(bǔ)償電容短路時功出電壓、功出電流及軌出電壓的數(shù)據(jù)規(guī)律；孟景輝等[7]人根據(jù)綜合檢測列車的信號動態(tài)檢測數(shù)據(jù)，按年度和月度分析高速鐵路軌道電路補(bǔ)償電容的失效趨勢，指出補(bǔ)償電容值下降是其主要的失效模式；孫哲[8]提出基于自適應(yīng)層次聚類的無絕緣軌道電路補(bǔ)償電容故障診斷方法，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以正確、有效的對補(bǔ)償電容故障情況進(jìn)行檢測，能夠提高歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的利用率。這些針對補(bǔ)償電容故障問題有價值的探索對消除補(bǔ)償電容故障，提高軌道電路系統(tǒng)的安全可靠性具有重要的工程意義。但是目前通過建模仿真的方法，系統(tǒng)研究補(bǔ)償電容對ZPW-2000A軌道電路阻抗及電氣參數(shù)的影響規(guī)律的公開報道較少，制約了對補(bǔ)償電容故障模式的深入研究。

基于此，本文在構(gòu)建補(bǔ)償電容和鋼軌模型的基礎(chǔ)上，通過仿真的方法研究了補(bǔ)償電容開路故障與鋼軌發(fā)送端輸入阻抗和電氣參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，并進(jìn)一步對某一特定補(bǔ)償電容對鋼軌輸入阻抗和電氣參數(shù)的影響進(jìn)行探討。

2 研究方法及過程

本研究主要通過軌道電路傳輸計算的方法，模型及計算方法如下[9]。

ZPW-2000A軌道電路補(bǔ)償單元結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，其中Cp為補(bǔ)償電容值。

圖1 ZPW-2000A軌道電路補(bǔ)償單元結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of rail compensation unit of ZPW-2000A track circuit

補(bǔ)償單元單側(cè)鋼軌傳輸參數(shù)Trail為：

其中，Z0為鋼軌特性阻抗；γ為鋼軌傳播常數(shù)；d為補(bǔ)償單元單側(cè)鋼軌長度；R為鋼軌電阻；L為鋼軌電感；G為鋼軌間泄漏電導(dǎo)；C為鋼軌間泄漏電容。

其中，Cp為補(bǔ)償電容值；ω=2πf為載頻角頻率，f為載頻。

則鋼軌的補(bǔ)償傳輸單元傳輸參數(shù)為：TCELL=Trail×TP×Trail。

由于整個鋼軌存在N個補(bǔ)償傳輸單元，且已知鋼軌輸出端電壓UJS及電流IJS，則可得鋼軌輸入端軌面電壓UFS與電流IFS：

本文旨在研究補(bǔ)償電容故障與鋼軌發(fā)送端輸入阻抗及電氣參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，研究內(nèi)容如下：由接收端開始，分別依次計算每個補(bǔ)償電容開路失效后對鋼軌發(fā)送端輸入阻抗及電氣參數(shù)的影響，得出補(bǔ)償電容與鋼軌發(fā)送端輸入阻抗及電氣參數(shù)的規(guī)律。

3 結(jié)果與討論

由上述可知，本研究范圍內(nèi)共有13個或15個補(bǔ)償單元，由接收端開始，依次計算每個補(bǔ)償單元中補(bǔ)償電容完全開路失效時對鋼軌發(fā)送端輸入阻抗及電氣參數(shù)的影響規(guī)律。補(bǔ)償電容故障位置對鋼軌輸入阻抗的影響規(guī)律如圖2所示。由圖2(a)可知，隨補(bǔ)償電容故障位置由鋼軌接收端向鋼軌發(fā)送端靠近，鋼軌發(fā)送端輸入阻抗模值呈現(xiàn)波動變化，當(dāng)靠近鋼軌發(fā)送端時波動幅度逐漸降低，說明靠近鋼軌接收端側(cè)補(bǔ)償電容故障時對鋼軌發(fā)送端輸入阻抗模值影響較大，而靠近鋼軌發(fā)送端補(bǔ)償電容故障時對鋼軌發(fā)送端輸入阻抗模值影響較小。進(jìn)一步可以看出，由鋼軌接收端開始第3個補(bǔ)償單元補(bǔ)償電容失效時鋼軌發(fā)送端輸入阻抗模值最小，約為0.8 Ω。圖2(b)為補(bǔ)償電容故障位置由接收端向發(fā)送端靠近時對鋼軌輸入阻抗相位角的影響。隨著補(bǔ)償電容故障位置向鋼軌發(fā)送端靠近，鋼軌發(fā)送端輸入阻抗相位角呈波動變化，且波動幅度逐漸降低，說明靠近鋼軌接收端時補(bǔ)償電容發(fā)生故障失效時對鋼軌發(fā)送端輸入阻抗相位角影響較大，靠近發(fā)送端時對鋼軌輸入阻抗相位角影響較小。

圖2 補(bǔ)償電容故障對ZPW-2000A軌道電路鋼軌輸入端阻抗性能的影響Fig.2 Influence of compensation capacitor fault on impedance at rail input end of ZPW-2000A track circuit

補(bǔ)償電容故障位置對鋼軌發(fā)送端電氣參數(shù)的影響規(guī)律如圖3所示。其中圖3(a)為補(bǔ)償電容故障位置對鋼軌發(fā)送端電壓模值的影響，可見隨補(bǔ)償電容故障位置由鋼軌接收端向發(fā)送端靠近，鋼軌發(fā)送端電壓模值呈波動，且波動幅度緩慢減小，說明靠近鋼軌發(fā)送端補(bǔ)償電容故障對其發(fā)送端電壓模值影響越小，進(jìn)一步可以看出，不同載頻下當(dāng)靠近接收端第3個補(bǔ)償單元補(bǔ)償電容故障時鋼軌發(fā)送端電壓模值同時出現(xiàn)最低值。圖3(b)為補(bǔ)償電容故障位置對鋼軌發(fā)送端電流模值的影響規(guī)律。當(dāng)補(bǔ)償電容故障位置由接收端向發(fā)送端靠近時，鋼軌發(fā)送端電流模值出現(xiàn)波動，且波動幅度逐漸減小。與補(bǔ)償電容故障位置對鋼軌發(fā)送端電壓影響不同，在不同載頻下靠近接收端第3個補(bǔ)償電容出現(xiàn)故障時鋼軌發(fā)送端電流模值同時達(dá)到最大值。

圖3 補(bǔ)償電容故障對ZPW-2000A軌道電路鋼軌輸入端電氣參數(shù)的影響Fig.3 Influence of compensation capacitor fault on electric parameters at rail input end of ZPW-2000A track circuit

綜合分析補(bǔ)償電容故障位置對鋼軌發(fā)送端輸入阻抗及電氣參數(shù)的影響特征可知，靠近接收端第3個補(bǔ)償單元補(bǔ)償電容故障在不同載頻下對鋼軌發(fā)送端輸入阻抗及電氣參數(shù)的影響具有一致性，因此有必要單獨(dú)研究該補(bǔ)償單元補(bǔ)償電容值對鋼軌發(fā)送端輸入阻抗及電氣參數(shù)的影響，并探索其規(guī)律。補(bǔ)償電容值對鋼軌發(fā)送端輸入阻抗的影響如圖4所示。圖4(a)為補(bǔ)償電容值對鋼軌發(fā)送端輸入阻抗模值的影響規(guī)律，可知隨著補(bǔ)償電容值的逐漸增大，鋼軌發(fā)送端輸入阻抗模值在不同載頻下呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。輸入阻抗模值最高值隨載頻的增大而降低，最高值對應(yīng)的補(bǔ)償電容值隨載頻的增加逐漸減小。由于補(bǔ)償電容值主要的失效模式是容值下降，由圖4(a)可知，當(dāng)補(bǔ)償電容值低于55 μF時隨著補(bǔ)償電容值的下降，鋼軌發(fā)送端輸入阻抗模值逐漸降低。圖4(b)為補(bǔ)償電容值對鋼軌發(fā)送端輸入阻抗相位角的影響。隨著補(bǔ)償電容值的增大，鋼軌發(fā)送端輸入阻抗相位角出現(xiàn)降低的趨勢，表明鋼軌發(fā)送端輸入阻抗由感抗向容抗轉(zhuǎn)變。

圖4 補(bǔ)償電容值對ZPW-2000A軌道電路鋼軌輸入端阻抗的影響Fig.4 Influence of compensation capacitance value on impedance at rail input end of ZPW-2000A track circuit

在研究第3個補(bǔ)償單元補(bǔ)償電容值對鋼軌發(fā)送端輸入阻抗的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究該補(bǔ)償單元補(bǔ)償電容值對鋼軌發(fā)送端電氣參數(shù)的影響規(guī)律，如圖5所示。圖5(a)為補(bǔ)償電容值在0.1～100 μF范圍內(nèi)對鋼軌發(fā)送端電壓模值的影響規(guī)律。可見隨著補(bǔ)償電容值的增大，鋼軌發(fā)送端電壓模值出現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢，反之，隨補(bǔ)償電容值的降低，鋼軌發(fā)送端電壓模值出現(xiàn)遞減，即當(dāng)該補(bǔ)償單元補(bǔ)償電容失效后，鋼軌發(fā)送端電壓則出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。圖5(b)為補(bǔ)償電容值對鋼軌發(fā)送端電流模值的影響。鋼軌發(fā)送端電流模值隨著補(bǔ)償電容值的增大在不同載頻下均出現(xiàn)先降低后增大的趨勢，最低值對應(yīng)的補(bǔ)償電容值隨載頻的增大而降低。當(dāng)該補(bǔ)償單元補(bǔ)償電容失效容值降低后，鋼軌發(fā)送端電流隨之升高。

圖5 補(bǔ)償電容值對ZPW-2000A軌道電路鋼軌輸入端電氣參數(shù)的影響Fig.5 Influence of compensation capacitance value on electric parameters at rail input end of ZPW-2000A track circuit

4 結(jié)論

基于鋼軌補(bǔ)償電容故障對軌道電路傳輸效能的重要性，本文采用軌道電路傳輸計算的方法，研究補(bǔ)償電容開路故障對鋼軌發(fā)送端電氣參數(shù)的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

補(bǔ)償電容故障位置由鋼軌接收端向發(fā)送端靠近，鋼軌發(fā)送端輸入阻抗及電壓模值、電流模值等電氣參數(shù)均呈波動，且波動幅值逐漸降低；

發(fā)現(xiàn)靠近接收端第3個補(bǔ)償單元補(bǔ)償電容對鋼軌發(fā)送端輸入阻抗及電氣參數(shù)的影響規(guī)律在不同載頻下出現(xiàn)一致性；

研究了靠近接收端第3個補(bǔ)償電容對鋼軌發(fā)送端電氣參數(shù)影響，發(fā)現(xiàn)隨該補(bǔ)償電容值的增大，鋼軌發(fā)送端輸入阻抗模值在不同載頻下出現(xiàn)先增大后減小的趨勢；鋼軌發(fā)送端電壓出現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢，而電流則出現(xiàn)先降低后增加的趨勢。