直流牽引回流實時斷軌檢測方法研究

王語園

0 引言

鋼軌是軌道交通運輸系統的重要組成部件。城市軌道交通線路上如果出現鋼軌斷裂就有可能造成列車出軌、傾覆等重大行車安全事故，造成人員傷亡和巨額財產損失[1，2]。

采取預防措施是避免斷軌發生并引發事故的重要途徑。要預防發生斷軌，就要研究如何及時發現斷軌。目前，國內主要使用手推式探傷小車進行人工巡檢、大型鋼軌探傷車進行定期巡檢和采用軌道電路對鋼軌進行實時監測等方法進行斷軌檢 測[3，4]。前2 種方法不能及時發現斷軌，只有軌道電路可以完成實時斷軌檢測。

然而，隨著包括使用全球定位技術、衛星通信和其他通信技術的列控技術的出現，徹底擺脫了依賴鋼軌完成列車占用檢查和傳輸機車信號的問題，取消了軌道電路，依靠軌道電路的斷軌檢測功能也 隨之消失[5，6]。因此，需要采用其他斷軌檢測方法，以確保鋼軌的完好。

1 直流牽引回流斷軌檢測原理

城市軌道交通采用直流牽引供電系統，通過第三軌或架空接觸網供電，用鋼軌作為牽引回流電路的組成部分。如果鋼軌斷裂，牽引回流在該段鋼軌中的流動會被阻斷，不正常的電流通過軌道之間的橫連線達到平衡。如果可以檢測到斷軌引起的不平衡電流，并且利用該不平衡電流可以判斷鋼軌情況，該斷軌監測系統就是可行的。牽引回流斷軌檢測原理圖如圖1所示。

圖1 牽引回流斷軌檢測原理圖

由圖1可以看出，上下行線路間及鋼軌間的橫連線將鋼軌并聯，并將鋼軌分成若干個區間。電流傳感器安裝在2 條鋼軌之間的橫連線處，測量2 條軌之間流過的電流。當鋼軌完好時，2 條軌之間橫連線上電流傳感器檢測到的電流較小。如果其中一條鋼軌發生斷裂，電阻大大增加，該軌中的牽引回流被阻斷，2 條軌之間電流不平衡，橫連線上電流傳感器檢測到的電流較大，大于某個預設的閥值，從而實現斷軌的檢測。

2 直流牽引回流斷軌檢測方法

2.1 直流牽引回流斷軌檢測系統建模

采用MATLAB/Simulink 仿真工具建立模型仿真分析。以地鐵3.6 km 軌道為例進行系統建模。假定2 個牽引變電所的距離是3.6 km。將供電區間分成6 等份，每段0.6 km，鋼軌各段通過鋼軌接續線和軌道橫向連接線連接，上下行之間也用橫連線連接。變電所采用750 V 直流電源，機車牽引電流假定為600 A，采用接觸軌供電。變電所、接觸軌（第三軌）的一段和機車分別用“Substation”、“Third rail”和“Train”標示。接觸軌每段由2 個電阻組成，每個電阻0.008 Ω，代表0.3 km 的接觸軌電阻。用“Track”標示的一段鋼軌，由4 個電阻組成，每個電阻0.02 Ω，代表0.3 km 鋼軌電阻。3#、4#、5#和6#端子用于和左右兩邊模塊連接；7#、8#端子用于模擬斷軌，連接時表示軌道完整，不連接時表示斷軌；1#和2#端子用于測量2 條鋼軌之間的不平衡電流。每個分段上下行軌道之間的橫連線電阻為0.005 Ω，鋼軌對地的泄漏電阻取1 Ω。直流牽引回流斷軌檢測模型如圖2所示，是變電所在兩邊有一個斷軌的模型圖。

圖2 直流牽引回流斷軌檢測模型圖

2..2 系統仿真

實際運營的直流牽引供電系統大多采用雙邊供電，即2 個變電所在供電區間兩端向同一區間供電。圖2是變電所在兩端有一個斷軌的模型，圖中“Track7”的7#和8#端子沒有連接表示斷軌，C1/1—C2/6 表示軌間橫連線上電流傳感器讀數。牽引變電所采用一個簡單的直流電源代替，輸出電壓為750 V，因為該項研究目的是確定鋼軌不平衡回流在各種負載下的情況，所以沒有采用真實的帶電壓調整的整流變電所。“Train”代表機車，其牽引電流是變化的。為了模擬實際運行時的各種情況，下面分別進行仿真。仿真結果中小于1 mA 的電流以0 表示。

在不同情況下，仿真結果如下：

（1）牽引變電所在兩端，一列火車，沒有斷軌。列車牽引電流取600 A，牽引變電所位于供電區間的兩端，列車從左端行駛到右端，在仿真圖中列車位置在距左端0 km 到3.6 km 變化，C1/1—C2/6 讀數都為0，說明在該模型中沒有斷軌。

（2）牽引變電所在兩端，一列火車，一處斷軌。牽引變電所分別位于距左端0 km 和3.6 km 位置，牽引電流取600 A，斷軌用“Track7”表示。列車從左端行駛到右端，C1/1—C1/6 讀數見表1。

從表1可以看出，機車在軌道上運行，可以得到不斷變化的不平衡電流值，由于區段兩端都有變電所，斷軌必定位于機車和變電所之間，可以測得明顯的不平衡電流，從而檢測出斷軌。

表1 列車經過時檢測到的電流值表

（3）機車取流的影響。牽引變電所位于左端0 km 處，機車位于右端3.6 km 處，改變機車牽引電流，C1/1—C1/6 讀數見表2。

從表2可以看出，在機車正常運行時，不論是空載還是滿載，牽引電流值都滿足檢測斷軌的需要，都可以檢測出斷軌。

表2 機車牽引電流變化時檢測到的電流值表

（4）用電阻代替機車。利用列車經過時產生的牽引回流進行斷軌檢測，沒有實現實時監測功能。在該基礎上，以4 Ω的小電阻代替機車溝通牽引回路，可以在沒有列車經過時進行斷軌檢測。牽引變電所位于兩端，斷軌用圖中“Track7”表示。電阻在軌道上變化，C1/1—C1/6 讀數見表3。

從表3可以看出，電阻不能位于變電所附近，在其他位置都可以測出由于斷軌引起的不平衡電流，所以用電阻代替機車進行斷軌檢測是可行的。在列車到來前，讓電阻溝通牽引回路進行斷軌檢測，電阻在線時間由列車運行圖決定。

表3 利用電阻代替機車時檢測到的電流值表

3 結論

通過直流牽引回流斷軌檢測系統的仿真分析，可以得出以下結論：

（1）牽引回流斷軌檢測技術提供了一種低成本的長距離斷軌檢測方案，可以利用現有的軌道橫連線的連接方式，只需在橫連線上加裝電流傳感器，在長距離鋼軌的檢測方面具有明顯優勢。

（2）當斷軌位于負載和牽引變電所之間時，可以檢測到較大的不平衡電流，從而快速檢測出斷軌。而斷軌位于負載和變電所之外時，不平衡電流較小，需經過反復試驗后得出一個電流閥值，檢測出的電流大于該電流值時報警，表示檢測出斷軌。

（3）為了提高牽引回流斷軌檢測系統的優勢，在檢測區段的末端設置轉換電阻負載，在列車到來前可采用電阻負載在線監測，在線時間應根據列車運行實際情況確定。

[1]田銘興，陳云峰，趙斌，等.實時斷軌檢測方法綜述[J].蘭州交通大學學報，2011，30（1）：122-126.

[2]田銘興，陳云峰，趙斌，等.中央發送兩端電流接受式無絕緣軌道電路斷軌態分析[J].中國鐵道科學，2010，31（6）：103-108.

[3]史宏章，任遠，張友鵬，等.國內外斷軌檢測技術發展的現狀與研究[J].鐵道運營技術，2010，10（4）：1-7.

[4]黃德勝，張巍.地下鐵道供電[M].北京：中國電力出版社，2010.

[5]杜求茂.斷軌檢測方法研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2009.

[6]任遠.基于超聲導波的實時斷軌檢測方法研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2010.