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铁路信号设备故障分析

摘要：由于铁路信号设备安装位置大多偏僻地带，具体面对的环境条件都是不同的，在长此以往对铁路设备的利用当中，造成铁路信号设备出现故障。影响铁路运营安全。基于此，本文就铁路信号设备故障进行简要探讨。
关键词：铁路；信号设备；故障；
1 铁路信号设备的作用
1.1 记录系统运行状态
铁路信号设备正常运行时，引入微机监测技术，可以严格监督与管理系统，及时发现异常情况，采取针对性的解决措施，将问题营销控制在最小范围内。但实际运行表明，部分铁路信号系统实际运行时存在一些问题，需要技术人员及时归类处理问题，选择合适的处理方法，及时解决信号系统问题，保证铁路信号系统正常运行。
1.2 提高道岔运行质量
铁路信号系统运行时直接影响到道岔设施运行质量，实际中引入微机监测技术，检测道岔运行时电流速度，一旦出现问题，技术人员可以根据电流变化与数据进行分析研究，及时调整。利用微机监测时，有助于提升监测数据的准确性与科学性，构建完整的数据管理体系，第一时间发现问题所在，并将故障信息报给技术人员，方便后者制定维修方案。
1.3 保证设备正常运行
铁路信号系统运行时会受到各种因素影响，此时引入微机监测技术，全面检测铁路信号系统内部电气设备状态，一旦设备出现问题，及时发出警报，技术维修人员可以第一时间锁定故障位置，采取合理有效的解决措施，保证铁路信号系统章程运行。
2 铁路信号设备SPD现状
根据《铁路通信、信号、电力电子系统防雷设备》TB/T2311-20175.1.1.2c）中描述，铁路信号设备SPD是接入铁路信号系统设备传输线（除转辙机设备控制线外）的防雷设备，用于铁路信号显示、联锁、闭塞等信号设备传输线与地线或传输线与传输线间的一端口SPD，可以是复合型、电压开关型、电压限制型等。电压限制型浪涌保护器指没有浪涌时具有高阻抗，但随着浪涌电流和电压的上升，其阻抗将持续减小的浪涌保护器。电压限制型浪涌保护器常使用压敏电阻器和抑制二极管等非线性元件。电压开关型浪涌保护器指没有浪涌时具有高阻抗，当对浪涌电压响应时能突变成低阻抗的浪涌保护器。电压开关型浪涌保护器常使用气体放电管，晶闸管（可控硅整流器）和双向三极晶闸管等非线性元件。复合型浪涌保护器指由电压开关型元件和电压限制型元件组成的浪涌保护器。
压敏电阻器具有通流量大、反应时间快、限制电压低等优点。但在承受多次浪涌电流的冲击或者长时间单独在线使用后会产生劣化现象，导致漏电流增加，压敏电阻器的故障状态常见模式为短路模式。气体放电管具有通流量大、不存在漏电流的优点，但反应时间稍慢、单独在线使用容易产生续流等问题，气体放电管的故障状态有一定的概率为短路模式。将压敏电阻器与气体放电管串联使用，使得两种元件的优缺点进行互补，从而形成的复合型浪涌保护器是目前铁路信号设备SPD最常见的类型。复合型浪涌保护器原理示意如图1所示。

图1复合型浪涌保护器原理示意
由于压敏电阻器与气体放电管串联使用，复合型浪涌保护器故障状态为短路模式的概率是各自元件发生概率、SPD脱离器失效发生概率的乘积，此概率事件属于小概率事件而不是不可能事件。近年来，全路每年由于铁路信号设备SPD故障状态为短路模式影响铁路信号设备正常运行的事故仍然达到3～5起。
3 降低SPD故障短路概率的探索
造成铁路信号设备SPD故障状态呈现短路模式的因素中以压敏电阻器的占比最大，因此降低铁路信号设备SPD故障短路模式概率需要改善压敏电阻器的特性。压敏电阻器是以氧化锌（ZnO）为主要成分的金属氧化物半导体电阻器，主要原理是压敏电阻器的电阻值随着压敏电阻器引脚两端施加的电压值的变化而变化，即体现为电阻值的非线性。当压敏电阻器引脚两端施加的电压低于压敏电压Un时，压敏电阻器呈现高阻态，其电阻值可以达到兆欧姆级别，对被保护电路的影响可以忽略不计。
当压敏电阻器引脚两端施加的电压超过压敏电压Un时，压敏电阻器呈现低阻态，其电阻值会下降到欧姆级别，可以将浪涌电压或浪涌电流的能量迅速释放达到保护后端电路的效果。当压敏电阻器引脚两端施加的电压再次小于压敏电压Un时，压敏电阻器又会恢复成高阻态。压敏电阻器的非线性系数是其重要的技术指标，非线性系数值越大该压敏电阻器的限制电压就越低，保护效果越好。然而相应的该压敏电阻的漏电流越大稳定性也越差，容易导致故障状态呈现短路模式。
其主要由氧化锌颗粒、电极、引出线等部分组成。压敏电阻器制作方法，包括配料、球磨、造粒、成型、烧结、制电极和焊接包封的步骤。如果在配料的步骤中，通过控制掺杂料的配比，并在球磨步骤中采用反絮凝剂作为分散剂，再通过预试烧后调整烧结温度的方式控制调整氧化锌晶粒的排列密度从而达到控制压敏电阻器非线性系数的目的。通过上述技术手段生产的压敏电阻在压敏电压Un略微提高的情况下可以尽可能提高稳定性，从而降低压敏电阻器故障状态呈现短路模式的发生概率。
中国铁路集团联合铁路信号设备SPD生产厂家共同进行相关探索，在保证压敏电阻器其他指标满足相关要求的基础上试制了高稳定性的压敏电阻器并与原有元件进行横向比较，如表1所示。
表1环境温度160℃，压敏电阻器施加Uc电压，漏电流的变化对比
160℃ 原有压敏电阻器 改进压敏电阻器
第 1 天 25.41 μA 21.16 μA
第 2 天 79.67 μA 21.82 μA
第 3 天 164.33 μA 22.03 μA
第 4 天 196.31 μA 21.52 μA
第 5 天 211.89 μA 21.31 μA
第 6 天 218.14 μA 20.88 μA
变化率 760.45% 2.39%

从上述对比可以发现，改进后的压敏电阻器在严酷环境下的稳定性较原有产品得到了大幅提升。较高的稳定性可以有效降低压敏电阻器故障状态为短路模式的发生概率，从而使得铁路信号设备SPD故障短路模式概率同比例下降。

结论
综上所述，铁路信号设备SPD是铁路信号设备进行雷电防护的重要环节。通过对铁路信号设备SPD压敏电阻的工艺改进，可以有效提升该元件的稳定性，从而降低铁路信号设备SPD故障状态呈现短路模式的发生概率，进而降低雷电灾害对铁路信号设备的危害。
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