ZPW-2000A轨道电路中补偿电容故障问题研究

温术来，于树永，赵寰宇，卢 江

（北京铁路信号有限公司，北京 102613）

1 概述

钢轨补偿电容通过优化钢轨阻抗特性可有效提高ZPW-2000A轨道电路中高频载频信号的传输性能[1-3]。基于铁路信号产品高安全可靠性的技术特点，补偿电容失效问题是铁路信号领域研究者普遍关注的热点之一，如郑福林[4-5]针对补偿电容损坏的原因进行探讨，并提出防护措施；徐俊岐[6]则通过对轨道电路红光带故障处理，总结了补偿电容短路时功出电压、功出电流及轨出电压的数据规律；孟景辉等[7]人根据综合检测列车的信号动态检测数据，按年度和月度分析高速铁路轨道电路补偿电容的失效趋势，指出补偿电容值下降是其主要的失效模式；孙哲[8]提出基于自适应层次聚类的无绝缘轨道电路补偿电容故障诊断方法，经过实验验证可以正确、有效的对补偿电容故障情况进行检测，能够提高历史监测数据的利用率。这些针对补偿电容故障问题有价值的探索对消除补偿电容故障，提高轨道电路系统的安全可靠性具有重要的工程意义。但是目前通过建模仿真的方法，系统研究补偿电容对ZPW-2000A轨道电路阻抗及电气参数的影响规律的公开报道较少，制约了对补偿电容故障模式的深入研究。

基于此，本文在构建补偿电容和钢轨模型的基础上，通过仿真的方法研究了补偿电容开路故障与钢轨发送端输入阻抗和电气参数的函数关系，并进一步对某一特定补偿电容对钢轨输入阻抗和电气参数的影响进行探讨。

2 研究方法及过程

本研究主要通过轨道电路传输计算的方法，模型及计算方法如下[9]。

ZPW-2000A轨道电路补偿单元结构示意如图1所示，其中Cp为补偿电容值。

图1 ZPW-2000A轨道电路补偿单元结构示意Fig.1 Structure diagram of rail compensation unit of ZPW-2000A track circuit

补偿单元单侧钢轨传输参数Trail为：

其中，Z0为钢轨特性阻抗；γ为钢轨传播常数；d为补偿单元单侧钢轨长度；R为钢轨电阻；L为钢轨电感；G为钢轨间泄漏电导；C为钢轨间泄漏电容。

其中，Cp为补偿电容值；ω=2πf为载频角频率，f为载频。

则钢轨的补偿传输单元传输参数为：TCELL=Trail×TP×Trail。

由于整个钢轨存在N个补偿传输单元，且已知钢轨输出端电压UJS及电流IJS，则可得钢轨输入端轨面电压UFS与电流IFS：

本文旨在研究补偿电容故障与钢轨发送端输入阻抗及电气参数的函数关系，研究内容如下：由接收端开始，分别依次计算每个补偿电容开路失效后对钢轨发送端输入阻抗及电气参数的影响，得出补偿电容与钢轨发送端输入阻抗及电气参数的规律。

3 结果与讨论

由上述可知，本研究范围内共有13个或15个补偿单元，由接收端开始，依次计算每个补偿单元中补偿电容完全开路失效时对钢轨发送端输入阻抗及电气参数的影响规律。补偿电容故障位置对钢轨输入阻抗的影响规律如图2所示。由图2(a)可知，随补偿电容故障位置由钢轨接收端向钢轨发送端靠近，钢轨发送端输入阻抗模值呈现波动变化，当靠近钢轨发送端时波动幅度逐渐降低，说明靠近钢轨接收端侧补偿电容故障时对钢轨发送端输入阻抗模值影响较大，而靠近钢轨发送端补偿电容故障时对钢轨发送端输入阻抗模值影响较小。进一步可以看出，由钢轨接收端开始第3个补偿单元补偿电容失效时钢轨发送端输入阻抗模值最小，约为0.8 Ω。图2(b)为补偿电容故障位置由接收端向发送端靠近时对钢轨输入阻抗相位角的影响。随着补偿电容故障位置向钢轨发送端靠近，钢轨发送端输入阻抗相位角呈波动变化，且波动幅度逐渐降低，说明靠近钢轨接收端时补偿电容发生故障失效时对钢轨发送端输入阻抗相位角影响较大，靠近发送端时对钢轨输入阻抗相位角影响较小。

图2 补偿电容故障对ZPW-2000A轨道电路钢轨输入端阻抗性能的影响Fig.2 Influence of compensation capacitor fault on impedance at rail input end of ZPW-2000A track circuit

补偿电容故障位置对钢轨发送端电气参数的影响规律如图3所示。其中图3(a)为补偿电容故障位置对钢轨发送端电压模值的影响，可见随补偿电容故障位置由钢轨接收端向发送端靠近，钢轨发送端电压模值呈波动，且波动幅度缓慢减小，说明靠近钢轨发送端补偿电容故障对其发送端电压模值影响越小，进一步可以看出，不同载频下当靠近接收端第3个补偿单元补偿电容故障时钢轨发送端电压模值同时出现最低值。图3(b)为补偿电容故障位置对钢轨发送端电流模值的影响规律。当补偿电容故障位置由接收端向发送端靠近时，钢轨发送端电流模值出现波动，且波动幅度逐渐减小。与补偿电容故障位置对钢轨发送端电压影响不同，在不同载频下靠近接收端第3个补偿电容出现故障时钢轨发送端电流模值同时达到最大值。

图3 补偿电容故障对ZPW-2000A轨道电路钢轨输入端电气参数的影响Fig.3 Influence of compensation capacitor fault on electric parameters at rail input end of ZPW-2000A track circuit

综合分析补偿电容故障位置对钢轨发送端输入阻抗及电气参数的影响特征可知，靠近接收端第3个补偿单元补偿电容故障在不同载频下对钢轨发送端输入阻抗及电气参数的影响具有一致性，因此有必要单独研究该补偿单元补偿电容值对钢轨发送端输入阻抗及电气参数的影响，并探索其规律。补偿电容值对钢轨发送端输入阻抗的影响如图4所示。图4(a)为补偿电容值对钢轨发送端输入阻抗模值的影响规律，可知随着补偿电容值的逐渐增大，钢轨发送端输入阻抗模值在不同载频下呈现先增大后减小的趋势。输入阻抗模值最高值随载频的增大而降低，最高值对应的补偿电容值随载频的增加逐渐减小。由于补偿电容值主要的失效模式是容值下降，由图4(a)可知，当补偿电容值低于55 μF时随着补偿电容值的下降，钢轨发送端输入阻抗模值逐渐降低。图4(b)为补偿电容值对钢轨发送端输入阻抗相位角的影响。随着补偿电容值的增大，钢轨发送端输入阻抗相位角出现降低的趋势，表明钢轨发送端输入阻抗由感抗向容抗转变。

图4 补偿电容值对ZPW-2000A轨道电路钢轨输入端阻抗的影响Fig.4 Influence of compensation capacitance value on impedance at rail input end of ZPW-2000A track circuit

在研究第3个补偿单元补偿电容值对钢轨发送端输入阻抗的基础上，进一步研究该补偿单元补偿电容值对钢轨发送端电气参数的影响规律，如图5所示。图5(a)为补偿电容值在0.1～100 μF范围内对钢轨发送端电压模值的影响规律。可见随着补偿电容值的增大，钢轨发送端电压模值出现单调递增的趋势，反之，随补偿电容值的降低，钢轨发送端电压模值出现递减，即当该补偿单元补偿电容失效后，钢轨发送端电压则出现降低的现象。图5(b)为补偿电容值对钢轨发送端电流模值的影响。钢轨发送端电流模值随着补偿电容值的增大在不同载频下均出现先降低后增大的趋势，最低值对应的补偿电容值随载频的增大而降低。当该补偿单元补偿电容失效容值降低后，钢轨发送端电流随之升高。

图5 补偿电容值对ZPW-2000A轨道电路钢轨输入端电气参数的影响Fig.5 Influence of compensation capacitance value on electric parameters at rail input end of ZPW-2000A track circuit

4 结论

基于钢轨补偿电容故障对轨道电路传输效能的重要性，本文采用轨道电路传输计算的方法，研究补偿电容开路故障对钢轨发送端电气参数的影响规律，主要结论如下：

补偿电容故障位置由钢轨接收端向发送端靠近，钢轨发送端输入阻抗及电压模值、电流模值等电气参数均呈波动，且波动幅值逐渐降低；

发现靠近接收端第3个补偿单元补偿电容对钢轨发送端输入阻抗及电气参数的影响规律在不同载频下出现一致性；

研究了靠近接收端第3个补偿电容对钢轨发送端电气参数影响，发现随该补偿电容值的增大，钢轨发送端输入阻抗模值在不同载频下出现先增大后减小的趋势；钢轨发送端电压出现单调递增的趋势，而电流则出现先降低后增加的趋势。