高速鐵路軌道電路調諧匹配單元故障分析與處理方法

李文濤，楊軼軒，葉洪友

（1.中國國家鐵路集團有限公司工電部，北京 100844；2.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；3.中國鐵路上海局集團有限公司合肥電務段，合肥 230000）

1 概述

調諧匹配單元內的兩個4 700 μF 電解電容按反極性串聯，起隔離直流連通交流的作用。發送端電流較大，使電解電容溫度較高、電解液減少加劇，進而導致電容器電容量、等效串聯阻抗等性能發生變化，嚴重時會導致電容故障，影響行車安全。利用軌道電路的改方特性進行送受端轉換，使正方向室外發送端電流降低、溫度下降，等效串聯阻抗值變化，從而判斷出故障電容。

2 調諧匹配單元的組成

調諧匹配單元是軌道電路信號傳輸的重要組成部分，主要由電容、電感以及變壓器組成，如圖1所示。

圖1 調諧匹配單元外觀圖Fig.1 Appearance diagram of tuning matching unit

圖1 中C1、C2是調諧匹配單元內的兩個4 700 μF電解電容，作用是隔離直流連通交流。

電路原理示意如圖2 所示。

圖2 調諧匹配單元電路原理圖Fig.2 Schematic circuit diagram of tuning matching unit

3 調諧匹配單元故障的具體現象

現場故障的實際現象為：2018 年8 月1 日，合蚌線某高鐵站天窗點下達前，對上行線進行改方，供電作業電車依據信號顯示進入區間，后車出清8950AG 后，紅光帶不消失，后調閱曲線發現該區段主軌出電壓200 mV 左右，列車占用后不能正常吸起，后觀察該區段下降時機，發現該區段從正反向改為該方向后，主軌出電壓由435 mV 逐漸下降，接收端模擬電纜電壓也同步下降，經過現場測試、排查，發現8950AG 發送端（正方向）有一個4 700 μF 電容產生明顯壓降（正常該壓降只有幾mV），臨時對該電容進行短路后，紅光帶消失，后對該電容進行更換，試驗正常，電壓測試正常。

故障電解電容匹配部分指標超標，電容容值下降，損耗增大。經解剖，失效電容的電解液普遍已局部粘稠，甚至完全干涸。

4 調諧匹配單元故障的具體原因分析

電解液吸附在電解紙上作為電容的實際陰極，是其容值及損耗的關鍵影響因素。電解電容工作在交流電路中，反向電壓在陰極鋁箔上形成氧化膜，化學反應使電容內部溫度升高、消耗電解液、形成氣體釋放，造成電解液減少。

4 700 μF 電解電容的性能會隨溫度的變化發生變化。原因是鋁電解電容器的實際陰極為液體電解質，液體電解質的電阻率會隨著溫度的升高而降低，進而導致電容器電容量、等效串聯阻抗（ESR）等性能發生變化。

4.1 鋁電解電容器的溫度特性

1）電容器的電容量會隨著溫度的升高而增大，隨著溫度的下降而減小，其典型的變化曲線如圖3所示。

圖3 電容值溫度曲線Fig.3 Capacitance temperature curve

2）電容器的ESR 會隨著溫度的升高而下降，其典型的變化曲線如圖4 所示。

圖4 ESR溫度曲線Fig.4 ESR temperature curve

4.2 鋁電解電容器的自身發熱

疊加紋波電流（交流電流）時，由于ESR 的存在引起發熱，從而影響電容器的使用壽命，產生的熱量可由公式（1）計算。

其中，I：紋波電流/Arms；

R：等效串聯電阻/Ω。

由于發熱引起的溫升按照如公式（2）計算。

其中，△T：電容器中心的溫升/℃；

I：紋波（交流）電流/Arms；

R：ESR/Ω；

A：電容器的表面積/cm；

H：散熱系數（1.5～2.0×10 W/cm ·℃）。

公式（1）、（2）顯示電容器的溫度上升與紋波電流的平方以及ESR 成正比，與電容器的表面積成反比，紋波電流的大小決定著產生熱量的大小，且影響其使用壽命。

因此，現場的故障原因為發送端電流較大，電解電容溫度較高，而使電解液減少加劇，所以故障率相比接收端更高。而接收端電流較小、溫度較低，可以利用軌道電路的改方特性進行送受端轉換，使正方向室外發送端電流降低、溫度下降，如有存在電解液減少的情況，ESR 此時應會升高。

5 調諧匹配單元故障的預判

為減少問題發生，增強可維護性，現將檢查4 700 μF 電解電容劣化的檢查方式、更換方法予以說明。

在天窗點內對上、下行線路進行改方試驗，改方后保持30 min，通過集中監測系統觀測各接收端主軌出電壓曲線是否緩慢下降，一般主軌出電壓曲線下降幅度超過10 mV 時，即可判斷ZPW-2000A 軌道電路室外調諧匹配單元中4 700 μF 電容特性劣化。

步驟1：將正方向電路改為反方向后，持續觀測30 min，主軌出電壓曲線緩慢下降（下降幅度受室外4 700 μF 電解電容容值劣化程度影響，當容值衰減嚴重時，會導致軌道電路紅光帶，曲線如圖5所示），一般主軌出電壓曲線下降幅度超過10 mV時，即可判斷為該“正方向室外發送端”調諧匹配單元內4 700 μF 電解電容劣化。

步驟2：再將方向電路從反方向改回正方向后，持續觀測30 min，主軌出電壓曲線緩慢下降（下降幅度受室外4 700 μF 電解電容容值劣化程度影響，曲線如圖5 所示），一般主軌電壓曲線下降幅度超過10 mV 時，即可判斷為“正方向室外接收端”調諧匹配單元內4 700 μF 電解電容劣化。

圖5 反向時主軌電壓呈緩慢下降Fig.5 Main rail voltage droping slowly in the reverse direction

6 劣化電解電容的更換方法

根據上述排查方法，如判斷確實存在某區段發送或接收端4 700 μF 電解電容劣化，應根據實際情況組織人員及時更換該調諧匹配單元內兩個4 700 μF 電解電容。具體方法及順序如下。

通過排查確定待更換區段，核對區段名稱，打開室外設備防護盒和調諧匹配單元盒蓋。

核對備品型號與實際在用一致，測量V1V2，E1E2等相關電氣特性電壓值，做好記錄。

聯系室內關閉本區段發送器、接收器的斷路器。

注意事項：室內關閉后，室外可利用移頻表測試E1E2電壓值，確認完全斷電后，方可實施4 700 μF 電解電容更換。設備中兩個4 700 μF 電解電容一同更換。

利用十字螺絲刀擰開電容盒蓋固定螺絲，拆下電容上的接線端子，取下電容盒蓋及電容，利用電容表確認容值下降（低于4 700 μF）。

注意事項：拆卸過程中，應避免用力拉扯電容接線，防止破壞電容接線焊接端子。

將新電容安裝在電容盒內，蓋上電容盒蓋，注意電容極性。

注意事項：安裝過程中，應注意電容極性，電容極性與印制板標注的極性一致，一般電容防爆孔朝下。

用十字螺絲刀擰緊電容盒蓋固定螺絲。

調整接線位置并檢查連線與印制板接頭完好。將力矩螺絲刀力矩調整至2 N·m，上好電容螺絲，將接線端子分別與電容連接。

注意事項：保證力矩螺絲刀在標定刻度下，確保安裝螺釘垂直放入安裝孔內，防止避免擰花固定螺絲。

將另一個電容按照上述步驟更換。

電容更換完成。用手輕輕撥動連接線，確認連接線與電容已固定牢固。

聯系室內合上本區段發送器、接收器的斷路器，確認軌道電路紅光帶恢復，調閱集中監測主軌電壓正常，做好更換后的4 700 μF 電解電容回收及相關軌道電路電氣特性測試。

7 注意事項

方向電路改方試驗應在天窗點內進行，試驗完成后應將方向電路改成正方向（或天窗結束后首趟列車運行方向）。

高速鐵路列控方向電路FQJ、FJ 長期處于正方向位置，存在繼電器接點接觸不良或簧片氧化等各種問題，應提前核對圖紙、確認相關區段FQJ、FJ繼電器位置，準備好JWXC-1700 繼電器等應急備品，做好各項應急準備工作。（當JWXC-1700 繼電器備品數量不夠時，可臨時使用集中監測系統的JWXC-1700 同類型繼電器進行更換。）

現場設備更換前，應確保4 700 μF 電解電容備品型號與現場使用型號一致，對備品的電容值進行測試，一般容值大于4 700 μF 方可使用，并做好相關軌道電路電氣特性測試和數據記錄工作。

現場設備更換時，應斷開機械室內本區段發送器、接收器的斷路器，將設備中兩個4 700 μF 電解電容一同更換，拆卸過程中，應避免用力拉扯電容連接線，防止損壞電容接線焊接端子；安裝過程中，應核對電容極性，保證電容極性與印制板標注的極性一致（一般情況下電解電容防爆孔處于外側），如圖6、7 所示。

圖6 帶電容盒固定的4 700 μF電容Fig.6 4 700 μF capacitor with capacitor box

電容更換后，合上室內本區段發送器、接收器斷路器，軌道電路紅光帶恢復，調閱集中監測主軌電壓正常后，及時做好相關軌道電路電氣特性測試及劣化的4 700 μF 電解電容回收工作。

圖7 不帶電容盒固定的4 700 μF電容Fig.7 4 700 μF capacitor without capacitor box

當出現“電容接線焊點脫落”、“更換電容后設備不能正常工作”或“更換電容后設備前后測試數據差距較大”時，應立即查明原因，必要時采用調諧匹配單元備品進行更換處理。

8 結束語

結合天窗對ZPW-2000A 區段區間進行定期改方試驗，反方向狀態保持30 ～40 min，對相關區段進行主軌出電壓調閱，發現主軌出電壓逐漸降低（小軌出也同步降低），判斷為該區段正方向發送端（反向接收端）電容不良。隱患早發現，問題早處理，確保高鐵信號設備安全。