25Hz 电码化轨道电路的故障诊断方法研究

关键词： 电码化轨道电路；故障诊断；闭环分段法；频域阻抗

引言：自高速铁路成网运营以来，列车密度不断攀升；25 Hz 电码化轨道电路凭借载频与牵引频率存在倍频关系且具有相敏解码优势，依旧是列控系统中信息 - 占用检测的核心环节。大电流回流通道内的牵引谐波持续侵扰，使得轨道变压器铁芯饱和点前移；绝缘接头在日复一日的热 - 机械冲击中逐渐累积微裂纹；防护盒电容- 电感元件因局部放电被不可逆损伤；当多重因素叠加，常引发继电器翼板振动噪声增大、电压失衡、相位漂移等不易早期察觉的隐性故障。传统依靠示波表与轨道测试仪的人工甄别，需要断续开环测量并参考经验阈值，流程耗时且难以在列车密集时段实施；因此，构建一条兼顾理论严谨性与现场可实施性的诊断路径，已成为保障铁路信号系统可靠性的迫切需求。

一、轨道电路理论基础

（一）相敏轨道信号形成机理

在 25Hz 电码化系统中，轨道电路经送端轨道变压器二次侧注入载频信号后，由轨端防护盒提供容性补偿，整套谐振回路在特定相位角下对 25 Hz 呈现较低等效阻抗并对 50Hz 牵引谐波保持高阻隔能力；当列车轮对短路钢轨，两端扼流变压器一次侧磁通耦合被强制平衡，继电器失电吸合状态被破坏，从而实现占用 - 空闲判别。信号在钢轨 - 电缆 - 防护单元间往复传播时，任何阻抗失配都会诱发相位角偏离设计值，而相位漂移幅度又与继电器敏感翼板的感生电势门槛具有非线性耦合关系，故早期相位偏差往往以继电器轻微振颤或电压板震荡形式出现[1]。

（二）防护单元与阻抗匹配原理

防护盒以串联电感、并联电容的 π 型网络形式接入轨面，面对50 Hz 牵引电流能够构成约 15Ω 的等效感抗进而限制轨道线圈端电压，而在 25Hz 处则通过电容 - 电感并联谐振有效降低相移与衰耗。当防护盒内部硅片击穿、电容失效或接线端子松动，系统对 25Hz 的补偿作用减弱，受端轨道继电器电压下降且50 Hz 分量升高，翼板发出持续噪声；由于感抗- 容抗变化具有显著频率选择性，此类故障可通过带宽有限的相位- 幅值联合测量予以识别。

二、故障机理分析

（一）开路故障的电压- 电流分布特征

在闭环等效模型中，若送端轨道变压器一次侧至二次侧之间出现断线，电源屏输出电压虽保持标称值，然而二次侧回路电流降至零，继电器输入端无有效信号且限流电阻压降趋近原点；若断线位于防护盒至硅片支路，受端仍有残余电压，电流却因支路开路而突然降低。借助逐段甩线加电压表定点法，在同一闭环内沿方向移动测点，电压阶跃位置可以精确锁定开路节点，从而在不拆卸全部设备的情况下完成故障定位。

（二）短路与混线故障的电流突升规律

短路故障常因电缆护套破损或绝缘节残损造成；当任何一点出现低阻通路，短路点之前的限流电阻上压降大幅升高，回路电流呈显著突升，而短路点之后各段电压近乎塌落。混线故障则往往伴随钢轨极性跨接失当、扼流箱内部跨接片错位或道岔安装装置绝缘隔离失效，此时轨道曲线幅值呈起伏不定状态；通过微机监测系统回放数据，可观察频谱中 25Hz 载频与调幅侧带在短周期内频繁跳动，由此与单纯短路故障加以区分 [2]。

三、故障诊断方法体系

（一）闭环分段电压- 电流对比诊断法

闭环分段电压 - 电流对比诊断法依赖便携式多通道同步采集装置在轨道电路不中断运行的实时工况下完成对送端、扼流箱、轨面以及受端继电器四类关键节点的瞬时电压和电流向量捕获，该装置以硬件锁相技术保证各通道采样时序误差微于一毫秒，随后将整段测序映射为包含幅值、相位、畸变率等多维特征的行向量并写入矩阵，之后调用马氏距离 - 自适应门限组合判据，与参考库逐行比对，模型捕捉到任何幅值骤降或相位漂移后，借助差分权重将异常节点回投线路拓扑，形成高分辨率热点区；运维人员据此直接定位故障闭环并在现场以甩线方式复核，无需沿轨道逐点测试，显著缩短占线时间并降低登乘钢轨的安全风险，该算法在京广线、京九线、宁西线等多站实测中定位误差保持小于二十米。

（二）频域阻抗- 相位联合分析法

频域阻抗 - 相位联合分析法针对防护盒电容失效、扼流变压器磁路偏置等逐年累积的性能衰退，首先在受端信号解调链路内嵌快速傅里叶 - 希尔伯特复合运算模块，该模块通过窗函数分段及余弦内插手段将主载频及其邻域谐波包络在毫秒尺度内完整分离，并实时计算阻抗矢量角，随后与动态阈值曲线进行滑窗比照，一旦出现矢量角超限或幅值波动放大现象，系统即触发预警并调用朴素贝叶斯分类器，根据漂移方向和幅度推断老化部件类别及严重程度，之后通过网络将诊断结果回传至维护管理平台，使调度中心能够在列车间隔允许的窗口组织针对性检修，同时为后续机器学习预测模型提供带标签的真实故障样本，实现从离线分析走向在线监控的技术演进并持续更新阈值。

四、基于案例的验证与讨论

（一）电气化区段绝缘破损案例

京广线某站正线区段在雨季后一次常规波形巡检中出现双红光带且微机监测幅值同步骤降，维护人员随即调用闭环分段电压 - 电流对比诊断法，在不停电条件下同步采集送端变压器一次侧、扼流箱中心抽头、轨面接线盒以及受端继电器输入端的瞬时电气量；数据映射为多维矩阵并与历史健康模板进行马氏距离比对后，算法在送端至扼流区间位置给出显著异常权重，指示该段存在阻抗突变而受端 - 继电器段保持近似设计值；现场进一步对绝缘节实施兆欧表检测时发现两组极性绝缘间芯棒存在沿纵向扩展的微裂纹，电阻降低后引入对称泄漏通路导致轨道电压在半周期内分配失衡，确认破损长度不足十厘米后立即进行节段化更换并加装防水封闭结构，随后波形恢复至基准水平，案例证明该方法能够在分钟级锁定极性绝缘故障并将维护窗口压缩至列车密度可容忍范围内。

（二）室内设备退化案例

京广线某站信号工区在凌晨天窗点检期间发现在列车占用消失后轨道继电器仍周期性释放且微机曲线呈锯齿状起伏，经排除室外线路因素后，用频域阻抗 - 相位联合分析模块对受端信号解调环节进行在线采样，高速 FFT-Hilbert算法在 25 Hz 主频邻域解析出持续向负偏移的相位漂移曲线并测得矢量角超出健康阈值十五度以上，计算结果结合贝叶斯分类模型将故障概率集中指向微电子接收器内部相敏放大单元老化，现场取下该接收器并替换备件后，曲线即刻归于平稳且红光带消失。

五、结论

通过对 25 Hz 电码化轨道电路故障机理的深入剖析与诊断流程的系统构建，可见在充分利用既有电气量采集通道的前提下，闭环分段对比与频域阻抗分析能够协同完成对多类别故障的快速、准确、量化诊断。随着现场传感与数据处理能力的持续提升，该体系有望进一步融入机器学习预测模块，实现面向全线的状态感知 - 决策闭环，助推铁路信号维护由“事后抢修”迈向“事前预控”。

参考文献：

[1] 李言曼 .25Hz 电码化轨道电路的故障诊断方法研究 [D]. 北京交通大学 ,2023.

[2] 刘国栋 , 陈德伟 , 肖鹏 . 站内 25Hz 轨道电路叠加电码化典型问题分析 [J]. 铁路通信信号工程技术 ,2021,18(11): 65-67+89 .