鋼軌與轉轍機固定鋼板間的絕緣墊擊穿故障分析

楊尚霄，劉家材，曹曉斌

0 引言

近年來，軌道交通以其舒適、便捷、運量大等優勢，在我國得到了快速發展。目前，我國鐵路網對人口20萬以上城市的覆蓋率已接近100%，鐵路運輸方式在我國客運和貨運方面發揮著越來越重要的作用，確保鐵路系統的安全穩定意義重大。

鋼軌與轉轍機固定鋼板之間的絕緣墊擊穿事故是北方運煤專線上比較常見的故障，發生該故障后，轉轍機表面會帶電，危及鐵路巡檢人員安全。除此之外，大電流泄漏到鋼軌之外會造成牽引回流異常，可能引發其他不確定的連環事故。鋼軌與轉轍機固定鋼板之間的絕緣墊擊穿故障對鐵路系統的安全運行造成了嚴重威脅。本文擬對此類故障進行分析，通過實驗測量結合理論分析探尋故障發生的原因，并對此類故障提出針對性的防治措施。

1 絕緣墊擊穿故障概況

經鐵路巡檢人員反映，轄區線路上觀察到一起漏電事故，漏電點位于鋼軌與轉轍機固定鋼板之間。事故發生時，供電段內有一輛列車通過，故障點處的絕緣墊出現強烈的電弧擊穿現象，持續時間約1 min。

在電氣化鐵路中，鋼軌兼具電流導體的作用，當列車從接觸網取流時，會有大電流通過鋼軌流回牽引變電所[1]。為了保證鐵路工作人員及沿線設備的安全，在敷設軌道時會用絕緣墊將鋼軌與大地及鐵路沿線設備隔離[3]。

轉轍機安裝于鐵路道岔處，用于轉換列車行駛的軌道，其動作由信號樓控制，與信號樓之間通過埋地電纜連接。本文所述絕緣墊安裝于轉轍機固定鋼板與鋼軌之間，在鐵路系統正常運行時，由于該絕緣墊的存在，轉轍機與鋼軌之間處于絕緣狀態。絕緣墊在鐵路系統中的位置如圖1所示。

圖1 絕緣墊位置示意

2 現場實測及分析

根據描述，故障發生時有大電流流過故障絕緣墊，而牽引回流的流通路徑主要受回流阻抗影響，在故障點處，牽引回流阻抗由絕緣墊阻抗和轉轍機固定鋼板的接地阻抗兩部分組成。對于運煤線路，絕緣墊長時間安裝后，表面積污較嚴重，且列車經過絕緣墊附近時產生的震動會使絕緣墊板之間出現晃動，弱化了絕緣墊板的絕緣性能，在鋼軌側流經大電流的情況下，絕緣墊處很容易產生導電通道。絕緣墊導通后，轉轍機固定鋼板的接地電阻則成為漏電能否持續的關鍵，為此設計了相應實驗對轉轍機固定鋼板的接地電阻進行測量。

2.1 測量原理

測量接地電阻通常采用三極法，但轉轍機固定鋼板面積較大且未埋入土壤，三極法測量會產生較大的誤差[2，4]。本文利用串聯分壓原理結合實際情況設計了轉轍機固定鋼板接地電阻的測量方法。

用Z1表示鋼軌與轉轍機固定鋼板之間的阻抗，Z2表示轉轍機固定鋼板接地電阻，則牽引電流經絕緣墊回流的電路如圖2所示。

圖2 牽引電流經絕緣墊回流電路

圖2 中，節點1與鋼軌相連，U表示鋼軌電位，以U1、U2分別表示阻抗Z1、Z2上承受的電壓，由串聯分壓原理可得

可以看出，測得Z1、U、U1值即可計算出轉轍機固定鋼板的接地電阻值Z2。

2.2 現場布線

如前所述，絕緣墊的阻抗值在列車行駛過程中將發生較大變化，本方案旨在測量Z2，為排除故障絕緣墊阻抗值變化對測量結果的影響，測量前將擊穿燒毀的絕緣墊取出，并將鋼軌與轉轍機固定鋼板之間的間隙清掃干凈，用一個阻值為200 Ω的大功率電阻連接鋼軌側與轉轍機側。經處理后，鋼軌與轉轍機固定鋼板之間的阻抗Z1= 200 Ω。

鋼軌電位U為故障點處鋼軌與牽引變電所接地網的電勢差，從牽引所地網引出一根導線測量并不可行，可在離鋼軌足夠遠（水平距離大于30 m為宜）處打入一個接地極，以故障處鋼軌與接地極間的電勢差來近似表示鋼軌電位。

本實驗測量的電壓隨列車運行而連續變化，因此采用示波器作為電壓測量設備。測試現場按圖3所示布線。

圖3 現場布線示意圖

2.3 測量方案及數據分析

2.3.1 故障點處轉轍機固定鋼板接地電阻測量

在故障點處按圖3所示布線，調試好設備后開始記錄U和U1波形，每通過一次列車，讀一次電壓數據，讀數取電壓波形的峰值。為使所記錄的樣本數據更具多樣性，在現場分別記錄了4趟上行列車和下行列車經過時的數據，如表1、表2所示。

表1 上行列車通過時的實測數據

表2 下行列車通過時的實測數據

對比上、下行列車通過時的測量數據可以得出：上行列車通過時鋼軌電位高于下行列車通過時，轉轍機固定鋼板的接地電阻約為7 Ω。上行列車一般為滿負荷載煤重車，牽引回流較大，通過時鋼軌電位更高，而轉轍機固定鋼板在安裝時是對地絕緣安裝，約7 Ω的接地電阻值明顯過小。分析轉轍機固定鋼板的接地電阻過小可能是導致絕緣墊擊穿的原因。

2.3.2 非故障點處轉轍機固定鋼板接地電阻測量

為驗證上述分析的正確性，在附近另外4處未發生絕緣墊擊穿事故的轉轍機固定鋼板處按同樣方式進行測量，結果如表3、表4所示。

表3 上行列車通過時的實測數據

表4 下行列車通過時的實測數據

由表3、表4可知，正常情況下，轉轍機固定鋼板的接地電阻都在300 Ω以上，由此可見，故障點處絕緣墊擊穿與轉轍機固定鋼板的接地電阻過小有關。

3 故障的后續處理及防范措施

3.1 故障的后續處理

確定故障原因后，對轉轍機固定鋼板的接地路徑進行了開挖排查。排查發現，由于電纜長期埋于地下，在埋地電纜與轉轍機接線盒連接處，電纜接頭腐蝕嚴重，導致電纜的鎧裝層與接線盒的外殼直接相連，而接線盒外殼與轉轍機固定鋼板又是電氣連通的，即相當于轉轍機固定鋼板與電纜的鎧裝層直接連通，加之轉轍機埋地電纜的鎧裝層采用單端接地的方式，一端與信號樓的接地網相連，由此導致了轉轍機固定鋼板接地電阻值過小。

將更換接頭的電纜重新埋入地下，測量轉轍機固定鋼板的接地阻抗值約為363 Ω，恢復到正常值范圍，故障排除。

3.2 絕緣墊擊穿隱患的防范措施

本次發生絕緣墊擊穿事故主要由兩方面的原因造成：一是絕緣墊安裝后受周邊自然條件影響和使用年限增長導致絕緣性能下降；二是因為電纜鎧裝層與接線盒外殼誤搭接導致轉轍機固定鋼板接地電阻過小。

發生絕緣墊老化是不可避免的自然現象，可采取定期清潔等措施延長絕緣墊使用壽命，定期檢查出現損毀的絕緣墊并及時更換。轉轍機固定鋼板的接地電阻過小是絕緣墊擊穿電流能夠持續的主要原因，對于這方面的防治，除使電纜的接頭盡量遠離接線盒外殼外，在安裝轉轍機時，建議將轉轍機與固定鋼板絕緣安裝。

3.3 防范措施的使用效果

選取轄區鐵路內經常發生絕緣墊擊穿事故的供電段對上述措施的使用效果進行嘗試性試驗。使用改進的轉轍機安裝方式后，供電段內鐵路系統運行正常。上述措施應用一年后，區間內鋼軌與轉轍機固定鋼板間的絕緣墊擊穿事故相比前一年下降了70%，防治效果良好。

4 結語

本文基于串聯分壓原理設計了測量方案，實現了轉轍機固定鋼板接地電阻的測量。通過對實測數據的分析，得出轉轍機固定鋼板接地電阻過小是導致絕緣墊擊穿的主要原因，并由此排查出電纜鎧裝層與接線盒外殼誤搭接。同時，還針對性地提出了絕緣墊擊穿隱患的防范措施。