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        高速鐵路軌道電路調(diào)諧匹配單元故障分析與處理方法

        2020-01-01 12:04:32李文濤楊軼軒葉洪友
        鐵路通信信號工程技術(shù) 2019年12期
        關(guān)鍵詞:電解電容劣化軌道電路

        李文濤,楊軼軒,葉洪友

        (1.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司工電部,北京 100844;2.北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 100070;3.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司合肥電務(wù)段,合肥 230000)

        1 概述

        調(diào)諧匹配單元內(nèi)的兩個(gè)4 700 μF 電解電容按反極性串聯(lián),起隔離直流連通交流的作用。發(fā)送端電流較大,使電解電容溫度較高、電解液減少加劇,進(jìn)而導(dǎo)致電容器電容量、等效串聯(lián)阻抗等性能發(fā)生變化,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電容故障,影響行車安全。利用軌道電路的改方特性進(jìn)行送受端轉(zhuǎn)換,使正方向室外發(fā)送端電流降低、溫度下降,等效串聯(lián)阻抗值變化,從而判斷出故障電容。

        2 調(diào)諧匹配單元的組成

        調(diào)諧匹配單元是軌道電路信號傳輸?shù)闹匾M成部分,主要由電容、電感以及變壓器組成,如圖1所示。

        圖1 調(diào)諧匹配單元外觀圖Fig.1 Appearance diagram of tuning matching unit

        圖1 中C1、C2是調(diào)諧匹配單元內(nèi)的兩個(gè)4 700 μF電解電容,作用是隔離直流連通交流。

        電路原理示意如圖2 所示。

        圖2 調(diào)諧匹配單元電路原理圖Fig.2 Schematic circuit diagram of tuning matching unit

        3 調(diào)諧匹配單元故障的具體現(xiàn)象

        現(xiàn)場故障的實(shí)際現(xiàn)象為:2018 年8 月1 日,合蚌線某高鐵站天窗點(diǎn)下達(dá)前,對上行線進(jìn)行改方,供電作業(yè)電車依據(jù)信號顯示進(jìn)入?yún)^(qū)間,后車出清8950AG 后,紅光帶不消失,后調(diào)閱曲線發(fā)現(xiàn)該區(qū)段主軌出電壓200 mV 左右,列車占用后不能正常吸起,后觀察該區(qū)段下降時(shí)機(jī),發(fā)現(xiàn)該區(qū)段從正反向改為該方向后,主軌出電壓由435 mV 逐漸下降,接收端模擬電纜電壓也同步下降,經(jīng)過現(xiàn)場測試、排查,發(fā)現(xiàn)8950AG 發(fā)送端(正方向)有一個(gè)4 700 μF 電容產(chǎn)生明顯壓降(正常該壓降只有幾mV),臨時(shí)對該電容進(jìn)行短路后,紅光帶消失,后對該電容進(jìn)行更換,試驗(yàn)正常,電壓測試正常。

        故障電解電容匹配部分指標(biāo)超標(biāo),電容容值下降,損耗增大。經(jīng)解剖,失效電容的電解液普遍已局部粘稠,甚至完全干涸。

        4 調(diào)諧匹配單元故障的具體原因分析

        電解液吸附在電解紙上作為電容的實(shí)際陰極,是其容值及損耗的關(guān)鍵影響因素。電解電容工作在交流電路中,反向電壓在陰極鋁箔上形成氧化膜,化學(xué)反應(yīng)使電容內(nèi)部溫度升高、消耗電解液、形成氣體釋放,造成電解液減少。

        4 700 μF 電解電容的性能會(huì)隨溫度的變化發(fā)生變化。原因是鋁電解電容器的實(shí)際陰極為液體電解質(zhì),液體電解質(zhì)的電阻率會(huì)隨著溫度的升高而降低,進(jìn)而導(dǎo)致電容器電容量、等效串聯(lián)阻抗(ESR)等性能發(fā)生變化。

        4.1 鋁電解電容器的溫度特性

        1)電容器的電容量會(huì)隨著溫度的升高而增大,隨著溫度的下降而減小,其典型的變化曲線如圖3所示。

        圖3 電容值溫度曲線Fig.3 Capacitance temperature curve

        2)電容器的ESR 會(huì)隨著溫度的升高而下降,其典型的變化曲線如圖4 所示。

        圖4 ESR溫度曲線Fig.4 ESR temperature curve

        4.2 鋁電解電容器的自身發(fā)熱

        疊加紋波電流(交流電流)時(shí),由于ESR 的存在引起發(fā)熱,從而影響電容器的使用壽命,產(chǎn)生的熱量可由公式(1)計(jì)算。

        其中,I:紋波電流/Arms;

        R:等效串聯(lián)電阻/Ω。

        由于發(fā)熱引起的溫升按照如公式(2)計(jì)算。

        其中,△T:電容器中心的溫升/℃;

        I:紋波(交流)電流/Arms;

        R:ESR/Ω;

        A:電容器的表面積/cm;

        H:散熱系數(shù)(1.5~2.0×10 W/cm ·℃)。

        公式(1)、(2)顯示電容器的溫度上升與紋波電流的平方以及ESR 成正比,與電容器的表面積成反比,紋波電流的大小決定著產(chǎn)生熱量的大小,且影響其使用壽命。

        因此,現(xiàn)場的故障原因?yàn)榘l(fā)送端電流較大,電解電容溫度較高,而使電解液減少加劇,所以故障率相比接收端更高。而接收端電流較小、溫度較低,可以利用軌道電路的改方特性進(jìn)行送受端轉(zhuǎn)換,使正方向室外發(fā)送端電流降低、溫度下降,如有存在電解液減少的情況,ESR 此時(shí)應(yīng)會(huì)升高。

        5 調(diào)諧匹配單元故障的預(yù)判

        為減少問題發(fā)生,增強(qiáng)可維護(hù)性,現(xiàn)將檢查4 700 μF 電解電容劣化的檢查方式、更換方法予以說明。

        在天窗點(diǎn)內(nèi)對上、下行線路進(jìn)行改方試驗(yàn),改方后保持30 min,通過集中監(jiān)測系統(tǒng)觀測各接收端主軌出電壓曲線是否緩慢下降,一般主軌出電壓曲線下降幅度超過10 mV 時(shí),即可判斷ZPW-2000A 軌道電路室外調(diào)諧匹配單元中4 700 μF 電容特性劣化。

        步驟1:將正方向電路改為反方向后,持續(xù)觀測30 min,主軌出電壓曲線緩慢下降(下降幅度受室外4 700 μF 電解電容容值劣化程度影響,當(dāng)容值衰減嚴(yán)重時(shí),會(huì)導(dǎo)致軌道電路紅光帶,曲線如圖5所示),一般主軌出電壓曲線下降幅度超過10 mV時(shí),即可判斷為該“正方向室外發(fā)送端”調(diào)諧匹配單元內(nèi)4 700 μF 電解電容劣化。

        步驟2:再將方向電路從反方向改回正方向后,持續(xù)觀測30 min,主軌出電壓曲線緩慢下降(下降幅度受室外4 700 μF 電解電容容值劣化程度影響,曲線如圖5 所示),一般主軌電壓曲線下降幅度超過10 mV 時(shí),即可判斷為“正方向室外接收端”調(diào)諧匹配單元內(nèi)4 700 μF 電解電容劣化。

        圖5 反向時(shí)主軌電壓呈緩慢下降Fig.5 Main rail voltage droping slowly in the reverse direction

        6 劣化電解電容的更換方法

        根據(jù)上述排查方法,如判斷確實(shí)存在某區(qū)段發(fā)送或接收端4 700 μF 電解電容劣化,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況組織人員及時(shí)更換該調(diào)諧匹配單元內(nèi)兩個(gè)4 700 μF 電解電容。具體方法及順序如下。

        通過排查確定待更換區(qū)段,核對區(qū)段名稱,打開室外設(shè)備防護(hù)盒和調(diào)諧匹配單元盒蓋。

        核對備品型號與實(shí)際在用一致,測量V1V2,E1E2等相關(guān)電氣特性電壓值,做好記錄。

        聯(lián)系室內(nèi)關(guān)閉本區(qū)段發(fā)送器、接收器的斷路器。

        注意事項(xiàng):室內(nèi)關(guān)閉后,室外可利用移頻表測試E1E2電壓值,確認(rèn)完全斷電后,方可實(shí)施4 700 μF 電解電容更換。設(shè)備中兩個(gè)4 700 μF 電解電容一同更換。

        利用十字螺絲刀擰開電容盒蓋固定螺絲,拆下電容上的接線端子,取下電容盒蓋及電容,利用電容表確認(rèn)容值下降(低于4 700 μF)。

        注意事項(xiàng):拆卸過程中,應(yīng)避免用力拉扯電容接線,防止破壞電容接線焊接端子。

        將新電容安裝在電容盒內(nèi),蓋上電容盒蓋,注意電容極性。

        注意事項(xiàng):安裝過程中,應(yīng)注意電容極性,電容極性與印制板標(biāo)注的極性一致,一般電容防爆孔朝下。

        用十字螺絲刀擰緊電容盒蓋固定螺絲。

        調(diào)整接線位置并檢查連線與印制板接頭完好。將力矩螺絲刀力矩調(diào)整至2 N·m,上好電容螺絲,將接線端子分別與電容連接。

        注意事項(xiàng):保證力矩螺絲刀在標(biāo)定刻度下,確保安裝螺釘垂直放入安裝孔內(nèi),防止避免擰花固定螺絲。

        將另一個(gè)電容按照上述步驟更換。

        電容更換完成。用手輕輕撥動(dòng)連接線,確認(rèn)連接線與電容已固定牢固。

        聯(lián)系室內(nèi)合上本區(qū)段發(fā)送器、接收器的斷路器,確認(rèn)軌道電路紅光帶恢復(fù),調(diào)閱集中監(jiān)測主軌電壓正常,做好更換后的4 700 μF 電解電容回收及相關(guān)軌道電路電氣特性測試。

        7 注意事項(xiàng)

        方向電路改方試驗(yàn)應(yīng)在天窗點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)完成后應(yīng)將方向電路改成正方向(或天窗結(jié)束后首趟列車運(yùn)行方向)。

        高速鐵路列控方向電路FQJ、FJ 長期處于正方向位置,存在繼電器接點(diǎn)接觸不良或簧片氧化等各種問題,應(yīng)提前核對圖紙、確認(rèn)相關(guān)區(qū)段FQJ、FJ繼電器位置,準(zhǔn)備好JWXC-1700 繼電器等應(yīng)急備品,做好各項(xiàng)應(yīng)急準(zhǔn)備工作。(當(dāng)JWXC-1700 繼電器備品數(shù)量不夠時(shí),可臨時(shí)使用集中監(jiān)測系統(tǒng)的JWXC-1700 同類型繼電器進(jìn)行更換。)

        現(xiàn)場設(shè)備更換前,應(yīng)確保4 700 μF 電解電容備品型號與現(xiàn)場使用型號一致,對備品的電容值進(jìn)行測試,一般容值大于4 700 μF 方可使用,并做好相關(guān)軌道電路電氣特性測試和數(shù)據(jù)記錄工作。

        現(xiàn)場設(shè)備更換時(shí),應(yīng)斷開機(jī)械室內(nèi)本區(qū)段發(fā)送器、接收器的斷路器,將設(shè)備中兩個(gè)4 700 μF 電解電容一同更換,拆卸過程中,應(yīng)避免用力拉扯電容連接線,防止損壞電容接線焊接端子;安裝過程中,應(yīng)核對電容極性,保證電容極性與印制板標(biāo)注的極性一致(一般情況下電解電容防爆孔處于外側(cè)),如圖6、7 所示。

        圖6 帶電容盒固定的4 700 μF電容Fig.6 4 700 μF capacitor with capacitor box

        電容更換后,合上室內(nèi)本區(qū)段發(fā)送器、接收器斷路器,軌道電路紅光帶恢復(fù),調(diào)閱集中監(jiān)測主軌電壓正常后,及時(shí)做好相關(guān)軌道電路電氣特性測試及劣化的4 700 μF 電解電容回收工作。

        圖7 不帶電容盒固定的4 700 μF電容Fig.7 4 700 μF capacitor without capacitor box

        當(dāng)出現(xiàn)“電容接線焊點(diǎn)脫落”、“更換電容后設(shè)備不能正常工作”或“更換電容后設(shè)備前后測試數(shù)據(jù)差距較大”時(shí),應(yīng)立即查明原因,必要時(shí)采用調(diào)諧匹配單元備品進(jìn)行更換處理。

        8 結(jié)束語

        結(jié)合天窗對ZPW-2000A 區(qū)段區(qū)間進(jìn)行定期改方試驗(yàn),反方向狀態(tài)保持30 ~40 min,對相關(guān)區(qū)段進(jìn)行主軌出電壓調(diào)閱,發(fā)現(xiàn)主軌出電壓逐漸降低(小軌出也同步降低),判斷為該區(qū)段正方向發(fā)送端(反向接收端)電容不良。隱患早發(fā)現(xiàn),問題早處理,確保高鐵信號設(shè)備安全。

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