無絕緣軌道電路調諧匹配單元絕緣不良分析處理

唐濟東

（中國鐵路南寧局集團有限公司 柳州電務段，工程師，廣西 柳州 545007）

ZPW—2000A型無絕緣軌道電路作為高鐵、客運專線鐵路信號系統中的重要組成部分,采用電氣分割相鄰軌道電路信號，利用調諧單元對不同頻率信號的不同阻抗值，實現相鄰區段信號的隔離，劃定軌道電路的控制范圍，在保障鐵路列車安全、高速運行方面發揮著極為重要的作用。調諧匹配單元是ZPW-2000A型無絕緣軌道電路系統的關鍵室外設備，如果調諧匹配單元絕緣性能下降,將嚴重影響軌道電路正常功能的發揮，危及高鐵動車行車安全，需要分析故障成因,研定防范對策,確保設備安全可靠。

1 調諧匹配單元作用

由于目前國內高鐵、客運專線鐵路線路多為長軌，且多為電氣化牽引，為了減少鋸軌，其使用的ZPW-2000A型無絕緣軌道電路采用電氣分割相鄰軌道電路信號，利用調諧單元對不同頻率信號的不同阻抗值，實現相鄰區段信號的隔離，劃定軌道電路的控制范圍。其系統構成原理如圖1所示。

圖1 ZPW-2000A無絕緣軌道電路原理圖

調諧匹配單元用于軌道電路的電氣絕緣節和機械絕緣節處，調諧部分形成相鄰區段載頻的短路，且與調諧區內鋼軌電感（或機械絕緣節處的機械絕緣節扼流空心線圈）形成并聯諧振，實現相鄰區段信號的隔離和本區段信號的穩定輸出。匹配部分主要作用是通過鋼軌阻抗和電纜阻抗的連接，以實現軌道電路信號的有效傳輸。調諧匹配單元可以看作是原ZPW-2000A軌道電路中調諧單元（BA）和匹配變壓器（TAD）的二合一設備，此種設備共分為四種型號（1700、2000、2300、2600 Hz），用戶可根據本區段的載頻頻率選用。其設備原理如圖2所示。

圖2 調諧匹配單元原理圖

安裝使用時V1-V3連接，U1、U2通過鋼包銅電纜連接到線路鋼軌側，E1、E2通過數字信號電纜連接到室內。各部分作用如下：

1）調諧單元部分與中間的空心線圈以及調諧區內鋼軌共同組成LC并聯諧振電路，利用LC并聯諧振電路的極阻抗特性，有效降低移頻信號在主軌道的衰耗，實現主軌信號的保真傳輸。同時，調諧單元利用其自身LC串聯諧振表現出的零阻抗特性實現相鄰軌道電路信號間的電氣隔離，即完成“電氣絕緣節”功能。

2）匹配變壓器（AFT）部分主要作用是實現軌道電路鋼軌阻抗和數字信號電纜阻抗的匹配、鋼軌與室內設備間的電氣隔離；電解電容C1、C2發揮隔直通交的作用，使匹配變壓器適用于直流電力牽引的區段；電感（PTL）作為對容性數字信號電纜的補償，并在列車分路時與匹配變壓器相對應處軌道電路構成限流阻抗。

3）補償電感部分（PTL2）在機械絕緣節處替代一根鋼包銅的電纜線（斷開A、B間連接片），其阻抗等同于一根鋼包銅的電纜線阻抗，作用是減少外部連接線；安裝在電氣絕緣節處，須保留A、B間連接片。

如果調諧匹配單元絕緣性能下降，輕則影響本區段及相鄰區段軌道電路信號有效傳輸，引起電氣特性變化，影響軌道電路調整導致軌道電路不能可靠工作；嚴重情況下，如匹配變壓器兩端絕緣不良，致使鋼軌與室內設備間的電氣隔離失效，鋼軌側牽引強電直接作用于室內設備，極易造成設備損壞，危及高鐵動車行車安全。

2 存在主要問題

2.1使用環境超出技術條件規定范圍當前國內高鐵、客運專線使用的調諧匹配單元雖然生產廠家不盡相同，但都是依據“關于印發《ZPW-2000A無絕緣軌道電路設備》等14項鐵路客運專線信號產品暫行技術條件的通知”（鐵科運[2008]36號）規定，將調諧單元和匹配單元整合為一個調諧匹配單元，對主要電氣元件采用不飽和聚酯材料灌封，減少了系統在現場安裝的設備數量，提高了系統的可靠性。

根據鐵科運[2008]36號文規定,調諧匹配單元技術要求：設備環境適應性要求在周圍空氣相對濕度室外不大于95%（溫度為30℃）能可靠工作；絕緣電阻≧200MΩ（用直流500V電壓測試V1-V2端子與E1-E2端子間阻值）。但是在我國南方地區，每年3月至10月經常出現空氣相對濕度大于95%的天氣，特別是長大隧道，調諧匹配單元更是長期處于潮濕的環境之中。因此，安裝在這些地段的調諧匹配單元，更加容易出現絕緣不良的問題。如2013年12月開通運行的衡柳、柳南客專線區間都是采用ZPW-2000A無絕緣軌道電路，其中南寧局集團公司柳州電務段管內在線運用共3 884臺，僅2017年至2018年就發現調諧匹配單元絕緣不良56臺，其中90%都是箱盒內潮濕，電路板有水漬導致絕緣下降。

2.2產品結構設計存在缺陷

1）調諧匹配單元將調諧單元和匹配單元整合為一個調諧匹配單元，對主要電氣元件采用不飽和聚酯材料灌封，但各部件則都是通過共用電路板進行連接，接點暴露在外，遇到潮氣電路板產生水漬，導致絕緣性能下降；匹配變壓器Ⅰ次側（AFT-1、AFT-2）、Ⅱ次側（AFT-3、AFT-4）、電感PTL-3、PTL2-1、PTL2-2、電容C1(-)接點密集緊湊，暴露在外，遇到潮氣，必然會造成絕緣性能下降。調諧匹配單元實物布局見圖3。

圖3 調諧匹配單元實物布局

2）結構布局不合理，選材不當，運用中造成性能下降。調諧匹配單元設備側(E1、E2）與線路側（V1、V2、V3）接點集中在同一小塊端子板上，結構緊湊，方便了現場安裝、測試及維護，在理想的環境中也能正常使用。但是由于E2與V1焊點間隔只有3 mm，在實際運用中，潮氣、積灰等在所難免，在電氣化區段軌道回流不大于1 000 A，不平衡電流不大于100 A工作環境中（鐵總運[2015]322號《高速鐵路信號維護規則》規定），遇到雷害、牽引供電等強電干擾，E2與V1易被被擊穿，導致調諧匹配單元絕緣下降，進而影響室內分線采集器、防雷模擬網絡盤受強電干擾損壞。對現場返回的調諧匹配單元解剖發現，E2與V1之間存在明顯的強電擊穿留下的痕跡，如圖四所示。

圖4 調諧匹配單元受電擊示意

3 采取措施

3.1做好防潮去濕工作每年3月至10月，南方氣候潮濕，空氣相對濕度經常大于95%，導致調諧匹配單元絕緣下降。要采取有效防范措施：一是做好防潮去濕，在調諧匹配單元盒內部放置專用干燥劑，每年檢修時進行更換。二是將調諧匹配單元盒蓋與盒體之間、電纜引入孔及防塵蓋采用玻璃膠封堵，增強調諧匹配單元的密閉性。三是督促設備供應商，抓緊探索試驗，解決在用設備電路板外露端子的防潮問題。

3.2監測電氣特性變化通過監測調閱及測試電氣特性變化提前發現隱患并進行處理。一是日常測試每天調閱監測軌道電路電氣特性，發現主軌電壓變化超過15 mv，要重點檢查調諧匹配單元；二是每月測試軌道電路電纜對絕緣趨勢變化情況進行分析，及時發現調諧匹配單元絕緣下降的隱患并有效處理。

3.3有效防范強電干擾不良后果一是遇到雷害、列車過后軌道電路紅光帶不消失的故障，一般情況下都會導致調諧匹配單元被擊穿損壞，在更換調諧匹配單元的同時，必須要同步檢查室內分線采集器、防雷模擬網絡盤受強電干擾損壞情況，及時處理問題，防止發生次生故障。二是日常測試如發現分線采集器不良（只影響監測，不影響軌道電路正常使用），要同時檢查測試調諧匹配單元絕緣情況，發現不良務必及時更換。

3.4優化產品結構聯合設備生產廠家到現場進行調查分析，對設備進行解剖排查，確認問題點，提出整改方案并抓緊實施。一是取消共用電路板，各部件連接節點全部灌封進不飽和聚酯材料內，避免接點外露受潮氣影響；二是調整結構布局，將設備側(E1、E2）、線路側（V1、V2、V3）接點分開安裝在不同端子上，避免運用中強電干擾造成性能下降。調諧匹配單元改進后實物布局如圖五所示。

圖5 改進后的調諧匹配單元實物布局

4 結束語

通過采取以上措施，特別是對調諧匹配單元進行結構、布局優化，取得良好效果，據南寧局集團公司柳州電務段近兩年現場使用情況統計，絕緣不良現象基本消除，大幅減少了關鍵設備隱患，保證了高鐵安全。