FTGS－放大滤波板故障的测试与研究

葛锡云， 周广新， 张丽平， 林于晓

（中国矿业大学 机电工程学院，江苏徐州221008）

随着我国城市轨道交通的快速发展，以及国外先进的城市轨道交通信号系统的引进，我国城市轨道交通的行车安全和运输效率得到了大幅的提高。其中，轨道电路是城市轨道交通信号系统的重要组成部分。

目前，我国对轨道电路的应用研究比较少，国内地铁大多采用国外的轨道电路，而国外供货商对技术又严密封锁，以至于我国对所引进的轨道电路的原理、内部配线、现场故障处理维修的了解几乎一片空白，一旦引进设备的质保期满后，鉴于上述对供货商的依赖，所带来的维修及高成本问题也更为突出；因此，很有必要对轨道电路相关设备及其影响因素进行研究，以降低其故障率，稳定FTGS轨道电路的可靠性，减小维修成本，保证地铁安全运营[1－2]。

1 问题的提出

南京地铁1号线一期工程（包括西延线）从奥体中心站至迈皋桥站，共计16个车站，正线全长21.72 km，其中地下线路 14.08 km，地上线路7.64 km。信号系统设备采用德国西门子的列车自动控制系统（Automatic Train Control，ATC），含列车自动监控系统（Automatic Train Supervision，ATS）、轨旁列车自动防护系统（Automatic Train Protection，ATP）、车载ATO／ATP和计算机联锁系统（Computer Interlocking，CI）子系统。全线装设226个区段的FTGS，是区段空闲检测和车载／轨旁设备报文传输的关键设备。自2005年9月3日设备投入运营以来，FTGS轨道电路的室内输出设备－放大滤波板频繁发生故障，截至2009年7月31日，共计发生69次故障。故障现象均为输出电容击穿，输出电压下降约1／3。引起放大滤波板的故障的原因比较复杂，一旦放大滤波板出现故障，将有可能造成轨道电路红光带故障，对地铁的正常运营造成严重影响。

2 FTGS标准型轨道电路的结构及工作原理

如图1所示，FTGS标准型轨道电路主要由室内设备和室外设备组成。

图1 FTGS标准型轨道电路结构框图

当FTGS轨道电路“空闲”时，发送板通过一个可变频的数字分频产生9.5 k Hz到16.5 k Hz音频电压，并由15个不同的位模式进行频率调制，偏频为64 Hz。发送板将调制的音频电压发送给放大滤波板，放大滤波板把调制音频电压提升到要求的电平，并通过带通滤波电路滤除高次谐波，使功放电路输出的方波信号转换成正弦波，然后通过方向转换板及匹配电阻发送到轨旁盒内，音频信号馈入钢轨，经接收端的轨旁盒，传送到接收器1板，接收器1板把从轨道上接收回来的信号分为2个通道，并分别进行频率和电压幅值的检测，然后解调板将从接收器1板接收到的位模式与预设的位模式进行比较，并将比较结果送入接收器2板，接收器2板驱动继电器板将轨道“空闲”信号传递给联锁设备和轨旁ATP／ATO。当FTGS轨道电路“占用”时，报文转换板使FTGS的位模式无效，占用信息传送到报文转换板，ATP报文被激活并被送到发送板[3]。

3 FTGS轨道电路－放大滤波板故障分析

FTGS轨道电路广泛应用于世界各地的正线铁路和城市轨道。FTGS轨道电路分2种型号：① FTGS－46型，使用4种频率（4.75、5.25、5.75、6.25 k Hz）；② FTGS－917型，使用8种频率（9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5 k Hz）。放大滤波板在FTGS轨道电路中主要有2个作用：① 带通滤波，抑制所有的高次谐波，使放大后的方波信号转换成正弦波；② 选频功率放大，把发送板送来的调制音频提升到要求的电平。南京地铁1号线正线采用 FTGS－917型轨道电路[3－4]。

通过对故障数据的挖掘整理，绝大多数故障发生在站台及其附近的区段中，距站台较远的区段则很少发生此类故障。同时，放大滤波板按其工作频率分为8种型号（9.5～16.5 k Hz），经数据分析，工作频率12.5 k Hz以下的3种型号从未发生过故障，故障集中发生于工作频率较高的5种型号。

由于南京地铁1号线自投入运营以来，存在轨道电位异常升高的问题；因此，轨电压异常可能会对相关信号设备产生影响，最终可能导致FTGS轨道电路－放大滤波板出现故障。

4 轨电位分布及对信号设备影响理论研究

牵引供电系统设计为不接地系统，通过走行轨回流，变电站把交流电变换为直流电，经由馈电线向电力机车输送电流，并由返回线返回，返回线由钢轨及与之相连的导线构成。由于返回线具有电阻并承载电流；因此，在返回线上产生电压降，使钢轨具有对大地的电位差，即轨道电位[5]。具体的钢轨电位在区间分布的关系如图2所示。式中，R为轨道纵向电阻；I1为变电所A的回流电流；I2为变电所B的回流电流；L为变电所A和变电所B之间的距离；L1为变电所A和列车之间的距离为轨道对排流网的过渡电阻；Rp为排流网纵向电阻。

图2 轨道电位分布图

研究表明：

（1）在列车和变电所整流器区间的中间处，钢轨电位为零；

（2）列车位置处轨道电位为正向最高；

（3）整流器负端（即牵引变电所负极）为负向最高。

轨电位在牵引变电所附近为负向最大值，而车站处离牵引变电所较近，所以车站处的S型绝缘节两侧与其他地点相比轨电位较低。由此可看出，如图1所示，在无列车经过时，放大滤波板的输出电压会因S型绝缘节两侧的低电位而增大；当列车经过此处的绝缘节时，由于列车位置处于轨道电位正相最高处，所以定会给S型绝缘节两侧带来电位的变化，且轨电位愈高，其变化范围也相应愈大。而如图3所示，S型绝缘节两侧电压的变化会直接影响放大滤波板输出电容两侧的电压变化。所以，当列车经过S型绝缘节时，放大滤波板输出电压变化既包括发送数据时频率偏移造成的电压变化，也包含了由于列车经过带来的绝缘棒两侧电压变化。放大滤波板输出电容两侧电压受到外界干扰，当轨电位过高时，列车通过车站附近的绝缘节所带来的电压的冲击也将对放大滤波板输出电容的电压产生影响，长此以往，有可能会对放大滤波板的输出设备产生危害，造成元件的损坏，影响轨道电路的正常工作。

图3 FTGS轨道电路发送端示意图

5 放大滤波板故障与轨电位相关性研究

为研究轨电位对放大滤波板的影响，需对FTGS轨道电路放大滤波板输出信号及轨电压信号进行测试。由于FTGS轨道电路选用9.5～16.5 k Hz的频移键控信号进行传输，信号频率较高，所以需要采用高采样率的数据采集器，经综合考虑，选用澳大利亚Chrono Logic公司生产的DAQ2500X进行信号采集，它能够4通道同步采集，每通道采样率可达到100 K／s，且具有差分输入等功能。考虑到数采集器的电压采集幅值为－10～10 V；因此，轨电压信号和放大滤波板信号需要首先经过电压变换器，然后才能进入数据采集器采集，最后输入上位机采集系统进行相关性分析。现场具体接线如图4所示。

由于FTGS轨道电路－放大滤波板故障主要集中在高频段，所以需比较有车经过时，高低频段放大滤波板输出信号的差异及与轨电压的相关性。通过矩阵实验室Matlab提供的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）设计工具来实现信号的显示及对比，如图5所示。

图4 轨电位与放大滤波板测试接线图（接收器1板和接收器2板都是双通道的所以有两组）

图5 Matlab数据采集分析软件界面

由测试数据表（见表1）可以看出，轨电位升高直接影响放大滤波板的输出电压，导致放大滤波板的输出电压有所下降，而就高频段来看，轨电位升高，放大滤波板的输出电压下降越快，最大下降幅值达到14 V，证明轨电位升高对放大滤波板输出电压有影响，频率越高，影响越大。而从轨电位分布及FTGS轨道电路发送端电路理论可得，轨电位升高，使放大滤波板输出电压下降，从而导致流过放大滤波板输出电流增大，虽然放大滤波板输出电压下降幅度不大，但长此以往，必定会导致放大滤波板输出电容温度升高，从而出现疲劳损坏，产生的现象就是输出电容变形，甚至击穿。

表1 测试数据总结表

6 结 语

FTGS轨道电路主要用于检测轨道电路的占用状态，并发送ATP报文。在城市轨道交通信号系统中扮演着重要的角色。而放大滤波板是FTGS轨道电路的关键组成部分，其较高的故障率会对城市轨道交通的正常运营造成严重的影响。

本文主要对FTGS型轨道电路－放大滤波板故障的原因进行提取分析，通过对轨电位分布理论及对信号设备影响的理论研究，确定其影响因素，并经过现场数据的测试以及Matlab等软件的应用，得出轨电位升高将导致放大滤波板输出电压下降，频段越高，下降幅度越大；因此，可见轨电位升高是FTGS型轨道电路—放大滤波板故障的影响因素之一。

[1] 贾一梅，叶 堃.着眼FTGS轨道电路可靠性的提升[J].设备检修，2010，2（2）：37－38.

[2] 樊艳飞.FTGS－917型轨道电路故障分析处理[J].企业技术开发，2009，28（7）：133－136.

[3] 林瑜筠.城市轨道交通信号[M].北京：中国铁道出版社，2008：1－109.

[4] 张 滔.遥供音频无绝缘轨道电路系统[J].地铁与轻轨，2001，2（2）：52－55.

[5] 李 威.地铁杂散电流腐蚀监测及防护技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2004：1－50