ZPW-2000A軌道電路芯線斷線故障問題處理及分析

崔艷剛

(中國鐵路沈陽局集團(tuán)有限公司通遼電務(wù)段，內(nèi)蒙古通遼 028000)

1 鐵路數(shù)字信號電纜

鐵路數(shù)字信號電纜具有傳輸模擬信號、數(shù)字信號、額定交流電壓750 V 或1100 V 及以下控制系統(tǒng)信號及電能的功能，廣泛的應(yīng)用于自動閉塞、站內(nèi)電碼化、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、信號集中監(jiān)測等有關(guān)信號設(shè)備和控制裝置之間，傳輸控制信號、監(jiān)測信息和電能等。

2 信號電纜的傳輸特性

在實(shí)際應(yīng)用中，電纜芯線在傳輸交變電流或信號時(shí)，交變電流或信號除了在電纜芯線內(nèi)傳輸外，還會通過電纜芯線間，芯線與屏蔽層間進(jìn)行傳導(dǎo)性耦合傳輸，傳導(dǎo)性耦合包含電導(dǎo)性耦合、電感性耦合及電容性耦合，如圖1 所示。

圖1 電纜間信號耦合傳導(dǎo)示意圖Fig.1 Schematic diagram of signal coupling transmission between cables

電導(dǎo)性傳導(dǎo)耦合取決于電纜芯線絕緣層的絕緣狀況，絕緣層的絕緣性能越好，電導(dǎo)性耦合作用越弱。絕緣層的絕緣性能越差，電導(dǎo)性傳導(dǎo)耦合作用越強(qiáng)。電感性傳導(dǎo)源于導(dǎo)線間互感的作用。電纜芯線間的容性耦合傳導(dǎo)主要表現(xiàn)在相鄰的兩根芯線猶如電容器的兩個(gè)極板，電纜越長等效的電容極板面積越大，芯線越近等效的極板間距越小，電纜的電容量越大。電容耦合系數(shù)值是鐵路數(shù)字信號電纜的一項(xiàng)重要特征參數(shù)。移頻信號在鐵路數(shù)字信號電纜中長距離傳輸時(shí)，電纜這種容性耦合作用明顯。其中電纜芯線與屏蔽層間的耦合方式及原理與芯線間的耦合方式相同。

3 ZPW-2000A軌道電路電纜斷線案例及分析

3.1 斷線故障案例

某中繼站集中監(jiān)測突發(fā)報(bào)警提示區(qū)間軌道區(qū)段接收端主軌出超下限報(bào)警，主軌出電壓由593 mV降至280 mV，現(xiàn)場技術(shù)人員確定故障點(diǎn)發(fā)生在室外后，集中力量進(jìn)行排查。發(fā)現(xiàn)室外接收端電纜分線盒內(nèi)，電纜出現(xiàn)虛接導(dǎo)致斷線，重新進(jìn)行緊固后，區(qū)段工作狀態(tài)恢復(fù)正常。具體情況如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)場故障情況示意圖Fig.2 Schematic diagram of field failure situation

現(xiàn)場在處理故障過程中對分線盒內(nèi)芯線及屏蔽層內(nèi)移頻信號進(jìn)行了測試，分線盒內(nèi)接線情況如圖2所示，測試數(shù)據(jù)如下：

1）芯線1、2 接續(xù)良好時(shí)，2 線中該區(qū)段移頻信號電流24 mA，屏蔽線3 中該區(qū)段移頻信號電流0 mA，室內(nèi)主軌出593 mV；

2）斷開芯線2 后，芯線2 中該區(qū)段移頻信號電流0 mA，屏蔽線3 中該區(qū)段移頻信號電流增加到20 mA，室內(nèi)主軌出280 mV；

3）用500 V 搖表測試電纜1、2、3 線間絕緣電阻非常大，沒有發(fā)現(xiàn)破損現(xiàn)象。

3.2 故障原理分析

為方便問題分析，建立電纜斷線前后移頻信號傳輸?shù)刃Ｐ腿鐖D3 所示。

移頻信號傳輸采用的鐵路數(shù)字信號電纜有固定的特性阻抗，理想情況下兩根傳輸芯線與外部芯線和屏蔽層間有相同的分布電容。當(dāng)電纜未斷芯時(shí)，芯線L1電阻RL1=R1+R2，芯線L2電阻RL2=R3+R4，并滿足RL1+RL2≈10（km）× 45（Ω/km）≈450 Ω。在理想情況下，單根芯線對屏蔽層耦合電容值假定為常量CL，此時(shí)CL1=C1+C2=C3+C4=CL2，即每根芯線的電阻值和對屏蔽層的分布電容相等，從而使移頻信號能夠在兩根芯線L1、L2上進(jìn)行平衡傳輸。

圖3 電纜斷線前后移頻信號傳輸?shù)刃Ｐ虵ig.3 Equivalent model of frequency shift signal transmission before and after cable disconnection

因?yàn)殡娎|的分布參數(shù)在實(shí)際建模中比較復(fù)雜，為了方便理解，在此只利用簡化模型進(jìn)行分析，簡化實(shí)際中芯線對地的分布參數(shù)對移頻信號傳輸?shù)淖饔?。?dāng)芯線L2發(fā)生斷線故障如圖3 所示，此時(shí)移頻信號的阻性傳輸通道被切斷，但是因斷點(diǎn)前后兩端芯線分別對屏蔽層（及其他線對）間存在分布電容，而移頻信號作為頻率周期變動的交流信號可以通過芯線與屏蔽層間產(chǎn)生容性傳導(dǎo)耦合。即室外返回的移頻信號可以借由分布電容C4—屏蔽層—分布電容C3為傳導(dǎo)路徑向室內(nèi)側(cè)進(jìn)行傳輸。由于移頻信號的傳輸通道并未因電纜芯線斷線而徹底切斷，接收端仍然能夠接收到一定能量的移頻信號。

在以上的簡化模型中，當(dāng)芯線L2斷線時(shí)，C3、C4的串聯(lián)等效容值C34=C3×C4/(C3+C4)=C3(CL1-C3)/CL1。利用求導(dǎo)取極值的方式可得出,當(dāng)C3=CL1/2時(shí)，等效容值C34最大。即當(dāng)電纜按10 km 配置，單芯斷點(diǎn)在離室內(nèi)5 km 處時(shí)，容值C34最大，L2芯線容抗接近最小。結(jié)合芯線自身的阻抗特性，此時(shí)信號傳遞的能量最大，接收端所取得的電壓值相對其他位置斷線時(shí)最高。但在實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，因?yàn)榉植紖?shù)的存在，電纜的信號傳輸情況會復(fù)雜得多，移頻信號借由屏蔽層進(jìn)行耦合傳導(dǎo)作用的強(qiáng)弱，受傳遞信號的頻率、電纜阻抗特性、及電纜安裝等多種條件影響。

由此可以得知，此故障案例中ZPW-2000A 軌道電路在電纜芯線斷線時(shí)，并未完全中斷移頻信號的傳輸通道，接收端仍能接收到一定的移頻信號的原因，在于移頻信號在電纜中的耦合傳輸。

4 小結(jié)

現(xiàn)場在處理ZPW-2000A 軌道電路電纜芯線斷線及類似的問題時(shí)，不僅要考慮信號在芯線上的直接傳導(dǎo)，還要多考慮此類模擬信號在電纜傳輸?shù)娜菪曰蚴歉行择詈咸匦?。以此在現(xiàn)場實(shí)際問題的處理過程中，能更有針對性的找出問題根源，快速解決故障。