高速铁路轨道电路调谐匹配单元故障分析与处理方法

李文涛，杨轶轩，叶洪友

（1.中国国家铁路集团有限公司工电部，北京 100844；2.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；3.中国铁路上海局集团有限公司合肥电务段，合肥 230000）

1 概述

调谐匹配单元内的两个4 700 μF 电解电容按反极性串联，起隔离直流连通交流的作用。发送端电流较大，使电解电容温度较高、电解液减少加剧，进而导致电容器电容量、等效串联阻抗等性能发生变化，严重时会导致电容故障，影响行车安全。利用轨道电路的改方特性进行送受端转换，使正方向室外发送端电流降低、温度下降，等效串联阻抗值变化，从而判断出故障电容。

2 调谐匹配单元的组成

调谐匹配单元是轨道电路信号传输的重要组成部分，主要由电容、电感以及变压器组成，如图1所示。

图1 调谐匹配单元外观图Fig.1 Appearance diagram of tuning matching unit

图1 中C1、C2是调谐匹配单元内的两个4 700 μF电解电容，作用是隔离直流连通交流。

电路原理示意如图2 所示。

图2 调谐匹配单元电路原理图Fig.2 Schematic circuit diagram of tuning matching unit

3 调谐匹配单元故障的具体现象

现场故障的实际现象为：2018 年8 月1 日，合蚌线某高铁站天窗点下达前，对上行线进行改方，供电作业电车依据信号显示进入区间，后车出清8950AG 后，红光带不消失，后调阅曲线发现该区段主轨出电压200 mV 左右，列车占用后不能正常吸起，后观察该区段下降时机，发现该区段从正反向改为该方向后，主轨出电压由435 mV 逐渐下降，接收端模拟电缆电压也同步下降，经过现场测试、排查，发现8950AG 发送端（正方向）有一个4 700 μF 电容产生明显压降（正常该压降只有几mV），临时对该电容进行短路后，红光带消失，后对该电容进行更换，试验正常，电压测试正常。

故障电解电容匹配部分指标超标，电容容值下降，损耗增大。经解剖，失效电容的电解液普遍已局部粘稠，甚至完全干涸。

4 调谐匹配单元故障的具体原因分析

电解液吸附在电解纸上作为电容的实际阴极，是其容值及损耗的关键影响因素。电解电容工作在交流电路中，反向电压在阴极铝箔上形成氧化膜，化学反应使电容内部温度升高、消耗电解液、形成气体释放，造成电解液减少。

4 700 μF 电解电容的性能会随温度的变化发生变化。原因是铝电解电容器的实际阴极为液体电解质，液体电解质的电阻率会随着温度的升高而降低，进而导致电容器电容量、等效串联阻抗（ESR）等性能发生变化。

4.1 铝电解电容器的温度特性

1）电容器的电容量会随着温度的升高而增大，随着温度的下降而减小，其典型的变化曲线如图3所示。

图3 电容值温度曲线Fig.3 Capacitance temperature curve

2）电容器的ESR 会随着温度的升高而下降，其典型的变化曲线如图4 所示。

图4 ESR温度曲线Fig.4 ESR temperature curve

4.2 铝电解电容器的自身发热

叠加纹波电流（交流电流）时，由于ESR 的存在引起发热，从而影响电容器的使用寿命，产生的热量可由公式（1）计算。

其中，I：纹波电流/Arms；

R：等效串联电阻/Ω。

由于发热引起的温升按照如公式（2）计算。

其中，△T：电容器中心的温升/℃；

I：纹波（交流）电流/Arms；

R：ESR/Ω；

A：电容器的表面积/cm；

H：散热系数（1.5～2.0×10 W/cm ·℃）。

公式（1）、（2）显示电容器的温度上升与纹波电流的平方以及ESR 成正比，与电容器的表面积成反比，纹波电流的大小决定着产生热量的大小，且影响其使用寿命。

因此，现场的故障原因为发送端电流较大，电解电容温度较高，而使电解液减少加剧，所以故障率相比接收端更高。而接收端电流较小、温度较低，可以利用轨道电路的改方特性进行送受端转换，使正方向室外发送端电流降低、温度下降，如有存在电解液减少的情况，ESR 此时应会升高。

5 调谐匹配单元故障的预判

为减少问题发生，增强可维护性，现将检查4 700 μF 电解电容劣化的检查方式、更换方法予以说明。

在天窗点内对上、下行线路进行改方试验，改方后保持30 min，通过集中监测系统观测各接收端主轨出电压曲线是否缓慢下降，一般主轨出电压曲线下降幅度超过10 mV 时，即可判断ZPW-2000A 轨道电路室外调谐匹配单元中4 700 μF 电容特性劣化。

步骤1：将正方向电路改为反方向后，持续观测30 min，主轨出电压曲线缓慢下降（下降幅度受室外4 700 μF 电解电容容值劣化程度影响，当容值衰减严重时，会导致轨道电路红光带，曲线如图5所示），一般主轨出电压曲线下降幅度超过10 mV时，即可判断为该“正方向室外发送端”调谐匹配单元内4 700 μF 电解电容劣化。

步骤2：再将方向电路从反方向改回正方向后，持续观测30 min，主轨出电压曲线缓慢下降（下降幅度受室外4 700 μF 电解电容容值劣化程度影响，曲线如图5 所示），一般主轨电压曲线下降幅度超过10 mV 时，即可判断为“正方向室外接收端”调谐匹配单元内4 700 μF 电解电容劣化。

图5 反向时主轨电压呈缓慢下降Fig.5 Main rail voltage droping slowly in the reverse direction

6 劣化电解电容的更换方法

根据上述排查方法，如判断确实存在某区段发送或接收端4 700 μF 电解电容劣化，应根据实际情况组织人员及时更换该调谐匹配单元内两个4 700 μF 电解电容。具体方法及顺序如下。

通过排查确定待更换区段，核对区段名称，打开室外设备防护盒和调谐匹配单元盒盖。

核对备品型号与实际在用一致，测量V1V2，E1E2等相关电气特性电压值，做好记录。

联系室内关闭本区段发送器、接收器的断路器。

注意事项：室内关闭后，室外可利用移频表测试E1E2电压值，确认完全断电后，方可实施4 700 μF 电解电容更换。设备中两个4 700 μF 电解电容一同更换。

利用十字螺丝刀拧开电容盒盖固定螺丝，拆下电容上的接线端子，取下电容盒盖及电容，利用电容表确认容值下降（低于4 700 μF）。

注意事项：拆卸过程中，应避免用力拉扯电容接线，防止破坏电容接线焊接端子。

将新电容安装在电容盒内，盖上电容盒盖，注意电容极性。

注意事项：安装过程中，应注意电容极性，电容极性与印制板标注的极性一致，一般电容防爆孔朝下。

用十字螺丝刀拧紧电容盒盖固定螺丝。

调整接线位置并检查连线与印制板接头完好。将力矩螺丝刀力矩调整至2 N·m，上好电容螺丝，将接线端子分别与电容连接。

注意事项：保证力矩螺丝刀在标定刻度下，确保安装螺钉垂直放入安装孔内，防止避免拧花固定螺丝。

将另一个电容按照上述步骤更换。

电容更换完成。用手轻轻拨动连接线，确认连接线与电容已固定牢固。

联系室内合上本区段发送器、接收器的断路器，确认轨道电路红光带恢复，调阅集中监测主轨电压正常，做好更换后的4 700 μF 电解电容回收及相关轨道电路电气特性测试。

7 注意事项

方向电路改方试验应在天窗点内进行，试验完成后应将方向电路改成正方向（或天窗结束后首趟列车运行方向）。

高速铁路列控方向电路FQJ、FJ 长期处于正方向位置，存在继电器接点接触不良或簧片氧化等各种问题，应提前核对图纸、确认相关区段FQJ、FJ继电器位置，准备好JWXC-1700 继电器等应急备品，做好各项应急准备工作。（当JWXC-1700 继电器备品数量不够时，可临时使用集中监测系统的JWXC-1700 同类型继电器进行更换。）

现场设备更换前，应确保4 700 μF 电解电容备品型号与现场使用型号一致，对备品的电容值进行测试，一般容值大于4 700 μF 方可使用，并做好相关轨道电路电气特性测试和数据记录工作。

现场设备更换时，应断开机械室内本区段发送器、接收器的断路器，将设备中两个4 700 μF 电解电容一同更换，拆卸过程中，应避免用力拉扯电容连接线，防止损坏电容接线焊接端子；安装过程中，应核对电容极性，保证电容极性与印制板标注的极性一致（一般情况下电解电容防爆孔处于外侧），如图6、7 所示。

图6 带电容盒固定的4 700 μF电容Fig.6 4 700 μF capacitor with capacitor box

电容更换后，合上室内本区段发送器、接收器断路器，轨道电路红光带恢复，调阅集中监测主轨电压正常后，及时做好相关轨道电路电气特性测试及劣化的4 700 μF 电解电容回收工作。

图7 不带电容盒固定的4 700 μF电容Fig.7 4 700 μF capacitor without capacitor box

当出现“电容接线焊点脱落”、“更换电容后设备不能正常工作”或“更换电容后设备前后测试数据差距较大”时，应立即查明原因，必要时采用调谐匹配单元备品进行更换处理。

8 结束语

结合天窗对ZPW-2000A 区段区间进行定期改方试验，反方向状态保持30 ～40 min，对相关区段进行主轨出电压调阅，发现主轨出电压逐渐降低（小轨出也同步降低），判断为该区段正方向发送端（反向接收端）电容不良。隐患早发现，问题早处理，确保高铁信号设备安全。