重載鐵路站場(chǎng)絕緣節(jié)燒損故障分析

崔耀林，唐逢光，楊尚霄，曹曉斌

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重載鐵路站場(chǎng)絕緣節(jié)燒損故障分析

崔耀林，唐逢光，楊尚霄，曹曉斌

對(duì)某站場(chǎng)絕緣節(jié)處鋼軌燒熔故障進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障現(xiàn)象建立絕緣節(jié)暫態(tài)仿真模型，對(duì)絕緣節(jié)處故障電流與電壓進(jìn)行仿真分析，得出等阻線零部件載流能力不足是造成該類故障的主要原因，并提出了改進(jìn)措施。

重載鐵路；站場(chǎng)；軌道電路；絕緣節(jié)；牽引回流

0 引言

在電氣化鐵路中，軌道作為牽引回流導(dǎo)體和信號(hào)軌道電路的載體，需要兼顧二者的不同需求[1，2]。隨著我國(guó)高速鐵路與重載鐵路的發(fā)展，牽引負(fù)荷不斷增大，牽引回流系統(tǒng)問題日益顯露，軌道零部件（等阻線、道岔軌道扣板和絕緣節(jié)）燒損故障時(shí)有發(fā)生[3～5]。

目前針對(duì)牽引回流問題開展了大量研究工作，學(xué)者們通過建立數(shù)學(xué)模型和軟件仿真等方法進(jìn)行深入的分析研究，取得了很多階段性成果。文獻(xiàn)[6]從理論上深入分析了直接供電方式下鋼軌泄漏電流對(duì)大地電位的影響和鋼軌泄漏電流的分布情況；文獻(xiàn)[7]分析了鐵路站場(chǎng)牽引回流系統(tǒng)的回流特性。現(xiàn)有的研究多認(rèn)為軌道零部件故障的原因?yàn)殇撥夒娢贿^高或回流系統(tǒng)阻抗過高。

本文以某站場(chǎng)鋼軌絕緣節(jié)燒熔故障為例，通過分析故障現(xiàn)象和現(xiàn)場(chǎng)回流參數(shù)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)鋼軌電位并非引發(fā)該類故障的主要原因，結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)分析了故障發(fā)生過程及原因，并提出了防治措施。

1 故障概況

2017年11月，某站場(chǎng)信號(hào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中發(fā)生異常，先是某軌道電路信號(hào)的電壓出現(xiàn)波動(dòng)，之后電壓信號(hào)消失。現(xiàn)場(chǎng)巡視發(fā)現(xiàn)該站場(chǎng)上行預(yù)告信號(hào)機(jī)處扼流變壓器中性點(diǎn)的空氣開關(guān)燒毀，鋼軌絕緣節(jié)燒傷。該線路外側(cè)鋼軌的絕緣節(jié)在鋼軌頭部燒熔，內(nèi)側(cè)鋼軌的絕緣節(jié)無異常。合上扼流變壓器內(nèi)部的空氣開關(guān)后，電務(wù)信號(hào)恢復(fù)正常，列車通過該處時(shí)發(fā)生空氣開關(guān)跳閘，田野側(cè)絕緣節(jié)燒傷處出現(xiàn)較大電火花。更換鋼軌后全部恢復(fù)正常，絕緣節(jié)在列車通過時(shí)仍產(chǎn)生小量電火花。該絕緣節(jié)的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 絕緣節(jié)電路結(jié)構(gòu)

該絕緣節(jié)左側(cè)為無軌道電路的區(qū)間，由1根短接線將上下行鋼軌短接，再通過2根等阻線將鋼軌連接到扼流變壓器中性點(diǎn)。絕緣節(jié)右側(cè)為站場(chǎng)，鋼軌設(shè)有軌道電路，有4根等阻線，每根鋼軌各通過2根等阻線與扼流變壓器線圈連接。為該站場(chǎng)供電的變電所位于站場(chǎng)中部，區(qū)間供電臂上網(wǎng)點(diǎn)位于站場(chǎng)的中部，因此牽引回流方向?yàn)槟媪熊囘\(yùn)行方向，從圖1中絕緣節(jié)左側(cè)流向右側(cè)。

故障發(fā)生后，發(fā)現(xiàn)絕緣節(jié)左側(cè)2根等阻線在與鋼軌連接的塞釘處熔斷，另一側(cè)連接鋼軌與扼流變線圈的4根短引線完好，連接扼流變中性點(diǎn)與回流線的吸上線完好。

2 絕緣節(jié)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

2.1 絕緣節(jié)牽引電流分配測(cè)量

根據(jù)故障現(xiàn)象，初步判斷與牽引回流有關(guān)。為準(zhǔn)確分析故障原因，杜絕該類故障再次發(fā)生，對(duì)該絕緣節(jié)處鋼軌電壓和牽引電流分配情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量方法如圖2所示。

圖2 絕緣節(jié)處電壓電流測(cè)量方法示意圖

在該絕緣節(jié)每根等阻線以及上下行吸上線處各安裝一個(gè)電流互感器，在絕緣節(jié)兩端安裝電壓測(cè)量裝置。列車通過該絕緣節(jié)時(shí)，通過錄波器記錄絕緣節(jié)各部分的電流，以及絕緣節(jié)兩端的電壓。測(cè)得的絕緣節(jié)處部分電流與電壓波形如圖3、圖4所示。

（a）區(qū)間側(cè)鋼軌電流

（b）站場(chǎng)側(cè)鋼軌電流

圖3 絕緣節(jié)兩側(cè)鋼軌電流波形

圖4 絕緣節(jié)兩端電壓差波形

2.2 測(cè)量結(jié)果分析

從圖3可以看出，當(dāng)列車未到達(dá)絕緣節(jié)位置時(shí)，通過區(qū)間側(cè)鋼軌等阻線的電流非常小，不到10 A。機(jī)車經(jīng)過絕緣節(jié)時(shí)，有一個(gè)明顯的左側(cè)鋼軌電流下降、右側(cè)鋼軌電流上升的過渡過程，過渡時(shí)長(zhǎng)接近5 s，之后左右兩側(cè)鋼軌電流趨于穩(wěn)定，左側(cè)鋼軌電流接近400 A，右側(cè)電流為100 A左右。

圖4為測(cè)得的絕緣節(jié)兩側(cè)鋼軌工頻電壓波形，可以看出，列車到達(dá)絕緣節(jié)之前，絕緣節(jié)兩側(cè)鋼軌的工頻電壓產(chǎn)生不規(guī)則變化，波動(dòng)區(qū)間為6 V左右，此時(shí)絕緣節(jié)兩側(cè)鋼軌的電壓由鋼軌之間的電磁感應(yīng)及列車取流情況決定。當(dāng)列車到達(dá)絕緣節(jié)時(shí)，由于絕緣節(jié)兩端鋼軌被列車車體與輪對(duì)短接，此時(shí)絕緣節(jié)兩側(cè)鋼軌的電壓差非常小，接近為0。當(dāng)列車通過絕緣節(jié)后，絕緣節(jié)兩側(cè)鋼軌工頻電壓差較為穩(wěn)定，此時(shí)鋼軌工頻電壓差與絕緣節(jié)處的阻抗和電流分布有關(guān)，其幅值約為3 V。

測(cè)得絕緣節(jié)處各導(dǎo)線電流分配情況如表1所示。

表1 絕緣節(jié)各導(dǎo)線牽引回流分配 A

3 故障過程仿真分析

3.1 故障點(diǎn)暫態(tài)模型

根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該絕緣節(jié)兩側(cè)工頻電壓差值非常小，只有幾伏，不足以擊穿絕緣節(jié)并產(chǎn)生電弧，因此可以排除回流路徑不暢引起鋼軌電壓過高造成絕緣節(jié)擊穿。為了進(jìn)一步確定故障原因與過程，對(duì)該絕緣節(jié)故障暫態(tài)過程的電壓與電流變化情況進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)圖1所示絕緣節(jié)電路結(jié)構(gòu)，在EMPT中建立如圖5所示的仿真模型。模型中，采用LCC電路對(duì)軌道進(jìn)行模擬，采用電流源模擬列車的牽引電流。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)故障情況，認(rèn)為2根等阻線非同時(shí)燒斷，仿真過程中使用開關(guān)模擬等阻線燒斷的過程，分析絕緣節(jié)處電流和電壓的暫態(tài)變化。

圖5 絕緣節(jié)暫態(tài)仿真模型

圖5中開關(guān)S1所在的支路對(duì)應(yīng)區(qū)間田野側(cè)等阻線，標(biāo)為1號(hào)等阻線；S2所在支路對(duì)應(yīng)區(qū)間線路側(cè)等阻線，標(biāo)為2號(hào)等阻線。

S1和S2用于模擬等阻線的燒斷過程，首先開關(guān)S1斷開，模擬區(qū)間田野側(cè)鋼軌等阻線燒斷；之后S2斷開，模擬區(qū)間線路側(cè)鋼軌等阻線燒斷。

3.2 絕緣節(jié)處暫態(tài)電流與電壓

圖6所示為2條等阻線的電流分布情況。

（a）田野側(cè)等阻線電流

（b）線路側(cè)等阻線電流

圖6 等阻線電流分布

如圖6（a）所示，設(shè)故障發(fā)生前1號(hào)與2號(hào)等阻線通過的電流均為350 A。故障發(fā)生時(shí)，1號(hào)等阻線斷開，通過該線路的牽引電流變?yōu)?，此時(shí)2號(hào)等阻線的電流發(fā)生如圖6（b）所示的突變，從350 A上升到700 A。由于扼流變壓器電感的作用，此時(shí)2號(hào)等阻線的電流除了工頻分量上升到700 A之外，還存在一個(gè)100 A左右的快速脈沖，與該快速電流脈沖相對(duì)應(yīng)，鋼軌上將產(chǎn)生一個(gè)快速過電壓，如圖7所示。

圖7 絕緣節(jié)快速暫態(tài)過電壓波形

從圖7可知，該過電壓為快速振蕩衰減的過電壓，在0.000 2 s內(nèi)衰減到0，遠(yuǎn)小于工頻的周期時(shí)間，但該過電壓的幅值非常高，可以達(dá)到600 V。

假設(shè)2號(hào)等阻線由于通過的電流過大，隨后也發(fā)生熔斷，S2斷開，2號(hào)等阻線電流下降到0。考慮到牽引電流達(dá)700 A，列車通過絕緣節(jié)時(shí)將產(chǎn)生燃燒電弧，由于電弧溫度可以達(dá)到2 000 ℃，導(dǎo)致絕緣節(jié)處鋼軌接頭燒熔。

4 故障原因及改進(jìn)措施

4.1 故障原因分析

通過上述分析，發(fā)生絕緣節(jié)處鋼軌燒熔的原因可總結(jié)為：

（1）該絕緣節(jié)有很大的牽引回流通過，由于該處鋼軌采用單根等阻線連接，等阻線的銅端頭與塞釘連接處長(zhǎng)期存在發(fā)熱現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)部電腐蝕。

（2）當(dāng)日列車通過時(shí)，田野側(cè)鋼軌的等阻線塞釘?shù)穆輻U過熱熔斷，熔斷時(shí)在鋼軌上產(chǎn)生一個(gè)快速過電壓。

（3）絕緣節(jié)的過電壓時(shí)間非常短，遠(yuǎn)小于空氣開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間，因此空氣開關(guān)來不及動(dòng)作就已經(jīng)發(fā)生擊穿，導(dǎo)致扼流變內(nèi)部設(shè)備燒毀。

（4）田野側(cè)鋼軌的等阻線熔斷后，所有電流流經(jīng)線路側(cè)鋼軌的等阻線，大電流導(dǎo)致該等阻線熔斷。區(qū)間2根鋼軌的等阻線熔斷后，于絕緣節(jié)處產(chǎn)生較高的過電壓，導(dǎo)致絕緣節(jié)拉弧，使鋼軌頭在電弧高溫下熔融。

4.2 改進(jìn)措施

根據(jù)上述分析結(jié)果，可以采取以下措施避免類似故障再次發(fā)生：

（1）調(diào)查與本次故障同型號(hào)的塞釘，發(fā)現(xiàn)塞釘與引線銅端頭連接處承臺(tái)半徑過小，與銅端頭接觸部分的有效半徑為3～4 mm，小于引線銅端頭半徑，導(dǎo)致該部分接觸電阻過高，由于該處牽引電流過大，易引起該處發(fā)熱及電腐蝕。需要與生產(chǎn)廠家聯(lián)系，生產(chǎn)接觸面更大的塞釘，以減小接觸電阻。

（2）每側(cè)鋼軌僅有1根等阻線，當(dāng)一側(cè)等阻線斷開后，另一側(cè)等阻線塞釘?shù)妮d流能力不足，導(dǎo)致另一側(cè)引線熔斷，因此需要增加1根等阻線。

5 結(jié)論

通過對(duì)該處絕緣節(jié)燒損故障進(jìn)行分析，得到結(jié)論如下：

在站場(chǎng)內(nèi)，牽引回流過大是導(dǎo)致絕緣節(jié)拉弧的主要原因，本案例中絕緣節(jié)兩側(cè)鋼軌的電壓差較小，僅10 V左右，但每側(cè)鋼軌牽引電流達(dá)到400 A左右，當(dāng)通過絕緣節(jié)的回流過大時(shí)，列車通過會(huì)造成絕緣節(jié)拉弧。

等阻線零部件載流能力不足也是造成該故障的主要原因，本案例故障等阻線塞釘與引線連接處接觸電阻過高，發(fā)熱并造成斷線。

電務(wù)系統(tǒng)設(shè)備引線熔斷時(shí)產(chǎn)生快速暫態(tài)過電壓，該過電壓將造成電務(wù)設(shè)備絕緣擊穿，影響電務(wù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。電務(wù)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中需要充分考慮牽引回流的影響，提高大電流區(qū)段的導(dǎo)線及接頭的載流能力。

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With regard to the rail burning faults at insulated rail joint at a station, on the basis of the transient simulation model established with connection to the equipment faults at site, the simulation and analysis are made for the faulty current and voltage on the insulated rail joint, the conclusion is obtained that the insufficient current carrying capability of the parts of resistance isoline is the main cause of the faults, and the improving measures are put forward accordingly.

Heavy haul railway; stations and yards; track circuit; insulated rail joint; traction return current

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.026

U284.25

B

1007-936X(2018)06-0103-04

2018-07-24

崔耀林.神華包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司，高級(jí)工程師；

唐逢光.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生；

楊尚霄.神華包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司，工程師；

曹曉斌.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，副教授。