基于定性趋势分析的无绝缘轨道电路电气绝缘节设备故障诊断方法

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1、文章编号：１００１－４６３２（２０１４）０１－０１０５－０９基于定性趋势分析的无绝缘轨道电路电气绝缘节设备故障诊断方法孙上鹏１，２，赵会兵１，全宏宇１，陈德旺２，林涛３，宁滨２（１．北京交通大学电子信息工程学院，北京１０００４４；２．北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京１０００４４；３．广州铁路（集团）公司电务处，广东广州５１００８８）摘要：根据均匀传输线理论建立无绝缘轨道电路的机车信号感应电压幅值包络计算模型，分析电气绝缘节设备故障、补偿电容故障、道砟电阻及列车运行速度等因素对机车信号感应电压幅值包络曲线的影响规律。以临近发送端３个补偿电容间距的机车信号感应电压幅值包

2、络曲线为分析对象，提出基于定性趋势分析理论的电气绝缘节设备故障诊断方法。首先以区间半分法提取信号趋势信息；然后通过趋势匹配算法计算实际信号趋势与诊断规则知识库中各故障模式信号趋势的相似度；最后通过相似度值间的比较进行故障诊断。仿真实验结果表明：该方法对电气绝缘节设备的早期故障有很好的诊断效果，当信噪比为５０ｄＢ时，故障诊断正确率可达９４．４％，且对道砟电阻的波动具有很强的适应性。关键词：轨道电路；电气绝缘节；定性趋势分析；故障诊断；传输线理论中图分类号：Ｕ２８４．２３８文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－４６３２．２０１４．０１．１７无绝缘轨道电路是我国列车

3、运行控制系统的重要组成部分，是一种典型的安全苛求系统。电气绝缘节是无绝缘轨道电路的关键部件，由调谐单元ＢＡ１及ＢＡ２、空心线圈ＳＶＡ和一定长度的钢轨构成，用于实现两相邻轨道电路间的电气隔离。ＢＡ１，ＢＡ２和ＳＶＡ通过电缆与钢轨直接相连，实际使用过程中会因列车运行产生的振动冲击、现场捣固维护作业及复杂的应用环境等因素导致电气绝缘节设备发生连接松动的故障，严重时甚至出现断线的情形，直接导致轨道电路的不可用，影响行车安全和行车效率。目前，铁路现场主要通过在接收器中设置相应门限来实现对调谐单元断线故障的诊断［１］。另外，通过分析电务检测车检测到的轨道电路主信号和干扰信号的幅值，对电气绝缘节的

4、工作状态进行判断［２］，但这种方法设备成本高，且受检测车巡检周期的限制，时效性差。相关研究领域方面，国内外学者正尝试通过分析机车信号感应电压（机感电压）幅值包络曲线对补偿电容进行故障诊断的研究［３－５］，取得了较好的效果。因此，进一步完善无绝缘轨道电路电气绝缘节故障检测与诊断方法的研究是一项十分必要的工作。定性趋势分析（ＱｕａｌｉｔａｔｉｖｅＴｒｅｎｄＡｎａｌｙｓｉｓ，ＱＴＡ）是一种基于数据的时间推理和形状分析的半定量分析技术，能够从监测信号中提取趋势信息并将其映射为有意义的系统状态信息，是一种系统早期故障诊断的有效手段［６－７］。因此，本文提出基于ＱＴＡ的无绝缘轨道电路电气绝缘节

5、故障诊断方法，以机感电压幅值包络曲线为数据分析对象，研究电气绝缘节设备的早期故障诊断。１电气绝缘节设备故障对机感电压幅值包络曲线的影响１．１机感电压幅值包络的建模当列车从接收端进入轨道电路时，列车将分路轨道电路，其等效电路模型如图１所示［８］。图中：收稿日期：２０１２－０７－２０；修订日期：２０１３－１０－１０基金项目：铁道部科技研究开发计划项目（２０１２Ｘ００４－Ｃ）；教育部基本科研业务费项目（２０１２ＪＢＭ０１６）；北京市科技新星项目（２０１０Ｂ０１５）作者简介：孙上鹏（１９８４—），男，江苏句容人，博士研究生。１０６中国铁道科学第３５卷Ｕｓ（ｔ）为发送器的输出信号；Ｎｐ为发送

6、器与电气绝缘节间传输网络等效阻抗Ｚｐ的四端网传输矩阵；Ｎｅｓ为发送端电气绝缘节等效并联谐振阻抗Ｚｅｓ的四端网传输矩阵；ｘ为列车在轨面分路点与轨道电路发送端调谐区之间的距离；Ｎｇ（ｘ）为从发送端到分路点距离为ｘ所代表的钢轨线路的四端网传输矩阵；Ｒｆ为列车等效分路电阻；ｌｃ为补偿电容间距；Ｉｃｃ为流过分路轮对的电流；ＺＲ为从分路点向接收端方向看过去的视入阻抗；Ｚｅｊ为接收端电气绝缘节的并联谐振阻抗；Ｚｊｇ为接收端轨道侧输入阻抗；ｎ为补偿电容个数；Ｃ为补偿电容容值；Ｚｒ为补偿图２电气绝缘节等效电路模型１０电容电缆阻抗及电缆与钢轨连接阻抗之和。烄烌ＮＳＶＡ＝１１（４）烆ＺＳＶＡ＋Ｚｃａ

7、烎ｌｓｌｓＮｌ／２＝烄ｃｏｓｈ（γ２）Ｚｓｉｎｈ（γ２）烌ｌｓ（５）（ｓｓｉｎｈγ２）ｌｓ烆Ｚｃｏｓｈ（γ２）烎图１无绝缘轨道电路分路状态等效电路模型此时车载机车信号传感器记录到的机感电压幅式中：ＮＳＶＡ为ＳＶＡ等效阻抗ＺＳＶＡ和Ｚｃａ的四端网传输矩阵；γ为轨道四端网传输常数；Ｚ为特征阻抗。由此根据传输线理论可得Ｎｔ（１，１）（ＺＢＡ２＋Ｚｃａ）＋Ｎｔ（１，２）［４］Ｚｔ＝（２，１）（ＺＺ）（２，２）（６）值包络信号Ａｃｖ（ｘ）为ＮｔＢＡ