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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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 问的 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 ５ ｏ ｄ Ｂ时 ，故 障诊断正确 率可达
９ ４ ． ４ ，且对道砟电阻的波动具有很强的适应性 。
发 送 端调谐 区之 间的距 离 ；Ｎｇ （ ） 为 从 发送 端 到 分
路点距离为 所代表 的钢轨线路 的 四端网传输矩
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 １ ０ ０ ０ ４ ４ ；
３ ．广州铁路 （ 集 团）公 司 电务处 ，广东 广州 ５ １ ０ ０ ８ ８ ）
Βιβλιοθήκη Baidu
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
第３ ５ 卷， 第ｌ 期 ２ ０ １ ４年 １月
文章编号 ：１ ０ ０ １ — ４ ６ ３ ２（ ２ ０ １ ４ ）Ｏ １ — ０ １ ０ ５ — ０ ９
中 国 铁 道 科 学
ＣＨ Ｉ Ｎ Ａ ＲＡＩ Ｉ Ｗ ＡＹ Ｓ ＣＩ ＥＮＣＥ
Ｖ０ Ｌ ３ ５ Ｎｏ ． １
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 。图中：
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — ０ ７ — ２ ０；修 订 日期 ： ２ ０ １ ３ － １ ０ － １ ０
基 金项 目： 铁 道 部 科 技 研 究 开 发计 划项 目 （ ２ ｏ １ ２ ｘ ｏ ｏ ４ 一 Ｃ） ；教 育 部 基 本 科 研 业 务 费 项 目 （ ２ ０ １ ２ Ｊ Ｂ Ｍ０ １ ６ ） ；北 京 市 科 技 新 星 项 目
（ ２ ０１ ０ Ｂ０１ ５ ）
作者简介 ： 孙上鹏 （ １ ９ ８ ４ ～） ，男 ，江苏句容人 ，博士研究生 。
１ Ｏ ６
叶 ｊ 围
铁
道
科
学
第３ ５卷
ｕ （ ￡ ）为发送 器 的 输 出信 号 ；Ｎｐ为 发 送 器 与 电 气 绝 缘节 问传 输 网络等 效 阻抗 的四端 网传输 矩 阵 ； Ｎ 为发送 端 电气绝 缘节 等效 并 联谐 振 阻抗 Ｚ 的 四
端 网传 输矩 阵 ；ｚ为列 车在 轨 面分路 点 与 轨道 电路
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 ：Ｕ２ ８ ４ ． ２ ３ ８ 文献标识码 ：Ａ ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ４ ６ ３ ２ ． ２ ０ １ ４ ． Ｏ １ ． １ ７
Ｊ ａ ｎ ｕ ａ ｒ ｙ ，２ ０ １ ４
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 ，赵 会 兵 ，全 宏 宇 ，陈德 旺 ，林 涛。 ， 宁 滨
（ １ ．北京交 通大学 电子信息 工程 学院 ，北京 １ ０ ０ ０ ４ ４ ；
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ｊ 】 ］ 。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
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 电容问距 的机车信号感应 电压 幅值包 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
断 的研究 【 ３ ］ ，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 （ Ｑｕ ａ ｌ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｔｒ ｅ ｎ ｄ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ， 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ｒ ６ 。 ］ 。因此 ，本文提 出基 于Ｑ Ｔ Ａ的无绝缘轨道电路电气绝缘节故障诊断方 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 。
无绝 缘轨 道 电路是 我 国列车 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 Ｂ Ａ１ 及 Ｂ Ａ２ 、空心 线 圈 Ｓ ＶＡ 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 。 Ｂ Ａ１ ，Ｂ Ａ２和 Ｓ ＶＡ通 过 电缆 与钢 轨 直 接 相 连 ，实
９ ４ ． ４ ，且对道砟电阻的波动具有很强的适应性 。
发 送 端调谐 区之 间的距 离 ；Ｎｇ （ ） 为 从 发送 端 到 分
路点距离为 所代表 的钢轨线路 的 四端网传输矩
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 １ ０ ０ ０ ４ ４ ；
３ ．广州铁路 （ 集 团）公 司 电务处 ，广东 广州 ５ １ ０ ０ ８ ８ ）
Βιβλιοθήκη Baidu
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
第３ ５ 卷， 第ｌ 期 ２ ０ １ ４年 １月
文章编号 ：１ ０ ０ １ — ４ ６ ３ ２（ ２ ０ １ ４ ）Ｏ １ — ０ １ ０ ５ — ０ ９
中 国 铁 道 科 学
ＣＨ Ｉ Ｎ Ａ ＲＡＩ Ｉ Ｗ ＡＹ Ｓ ＣＩ ＥＮＣＥ
Ｖ０ Ｌ ３ ５ Ｎｏ ． １
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 。图中：
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — ０ ７ — ２ ０；修 订 日期 ： ２ ０ １ ３ － １ ０ － １ ０
基 金项 目： 铁 道 部 科 技 研 究 开 发计 划项 目 （ ２ ｏ １ ２ ｘ ｏ ｏ ４ 一 Ｃ） ；教 育 部 基 本 科 研 业 务 费 项 目 （ ２ ０ １ ２ Ｊ Ｂ Ｍ０ １ ６ ） ；北 京 市 科 技 新 星 项 目
（ ２ ０１ ０ Ｂ０１ ５ ）
作者简介 ： 孙上鹏 （ １ ９ ８ ４ ～） ，男 ，江苏句容人 ，博士研究生 。
１ Ｏ ６
叶 ｊ 围
铁
道
科
学
第３ ５卷
ｕ （ ￡ ）为发送 器 的 输 出信 号 ；Ｎｐ为 发 送 器 与 电 气 绝 缘节 问传 输 网络等 效 阻抗 的四端 网传输 矩 阵 ； Ｎ 为发送 端 电气绝 缘节 等效 并 联谐 振 阻抗 Ｚ 的 四
端 网传 输矩 阵 ；ｚ为列 车在 轨 面分路 点 与 轨道 电路
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 ：Ｕ２ ８ ４ ． ２ ３ ８ 文献标识码 ：Ａ ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ４ ６ ３ ２ ． ２ ０ １ ４ ． Ｏ １ ． １ ７
Ｊ ａ ｎ ｕ ａ ｒ ｙ ，２ ０ １ ４
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 ，赵 会 兵 ，全 宏 宇 ，陈德 旺 ，林 涛。 ， 宁 滨
（ １ ．北京交 通大学 电子信息 工程 学院 ，北京 １ ０ ０ ０ ４ ４ ；
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ｊ 】 ］ 。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
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 电容问距 的机车信号感应 电压 幅值包 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
断 的研究 【 ３ ］ ，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 （ Ｑｕ ａ ｌ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｔｒ ｅ ｎ ｄ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ， 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ｒ ６ 。 ］ 。因此 ，本文提 出基 于Ｑ Ｔ Ａ的无绝缘轨道电路电气绝缘节故障诊断方 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 。
无绝 缘轨 道 电路是 我 国列车 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 Ｂ Ａ１ 及 Ｂ Ａ２ 、空心 线 圈 Ｓ ＶＡ 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 。 Ｂ Ａ１ ，Ｂ Ａ２和 Ｓ ＶＡ通 过 电缆 与钢 轨 直 接 相 连 ，实