牽引供電系統故障對軌道電路影響的研究

宋東海

（中鐵電氣化局京滬高鐵維管公司，北京 100055）

1 鐵路牽引供電系統和信號系統介紹

鐵路牽引供電系統為機車提供穩定、可靠的能源，包括牽引變電所和接觸網兩部分，前者主要起到電源的變換和分配作用，后者隨軌道架設，實際是為機車提供電能的一種特殊供電架空線路[1]。圖1為牽引供電系統的結構示意圖，此種方式為全并聯自耦變壓器（Auto Transformer，AT） 供電模式。

圖1 牽引供電系統的結構示意圖

鐵路信號系統的主要功能是指揮機車安全可靠地在軌道線路上運行，一般包括車站聯鎖部分、行車調度控制部分（Centralized Traffic Control，CTC）、列車運行控制部分（China Train Control System，CTCS） 和區間閉塞部分。前3 項一般在室內布置，區間閉塞部分的大量采集端隨軌道在室外布置，此部分是為了確保行車安全而將列車正在運行的線路區段進行信號封閉，以實時顯示某一軌道信號區間的機車占用狀態，保證機車不會出現追尾或正面沖突情況[2]。圖2 為軌道電路電氣原理圖。

圖2 軌道電路電氣原理圖

2 牽引供電系統和信號系統的電流分布

從圖1 和圖2 可以看出，牽引供電系統與信號系統的共用設備部分為軌道和扼流變壓器。

牽引供電系統正常運行時，機車通過接觸網取得電能，通過鋼軌和扼流變壓器，經保護線（Protection Wire，PW） 流回牽引變電所。從圖2軌道電路電氣原理圖可知，牽引供電回流為I1，I2，I3和I4，為工頻或工頻的整數倍。在理想情況下，兩鋼軌中的牽引電流分別經扼流變壓器、牽引線圈，再經PW 線流回牽引變電所[3]。當左、右鋼軌的牽引線圈匝數相等時，牽引電流在扼流變壓器左、右軌的牽引線圈中產生的磁通量相等，方向相反，所以牽引電流在扼流變壓器中造成的總磁通量為零，信號線圈上感應電勢為零，信號線圈處不會產生信號。但是在實際運行中，左、右鋼軌的電流是不平衡的，因此信號線圈上會產生干擾信號，此種情況客觀存在，可以通過各種手段進行消除或屏蔽。

信號系統在正常運行時是通過信號發生器、信號接收器、扼流變壓器和鋼軌形成一個完整的信號回路。信號發生器實時不間斷發出異頻25 Hz 的電源信號，通過鋼軌和扼流變壓器進行信號傳導。若有機車占用軌道則使得信號接收器被旁路，從而無法正常接收到此信號，此種狀態顯示為軌道占用的紅光狀態；若沒有機車占用軌道則信號接收器正常接收此信號，狀態顯示為軌道未被占用的白光狀態，圖3 為軌道電路紅光和白光狀態的電路示意圖。

圖3 軌道電路紅光和白光狀態的電路示意圖

3 故障情況和分析

在鐵路運營過程中經常出現牽引供電系統接觸網在某一區段出現雷擊跳閘故障的情況，同時此區段的信號系統顯示軌道狀態為紅光狀態，但在運行圖上確認此區段此時間無任何機車存在，所以此軌道的紅光狀態信號應為誤報、故障或出現了干擾。表1 為某高鐵某局管內2012—2020 年牽引供電雷擊跳閘和信號異常紅光統計結果，可以看出，雷擊導致的牽引供電跳閘數與信號異常紅光數呈現出一定的正比例的關聯性。受采樣時間和樣本數量的限制，數據時高時低，但總體來看，信號異常紅光數占牽引供電跳閘數的比例在12%左右。

表1 2012—2020 年雷擊致牽引供電跳閘和異常紅光情況

雷電的本質為大量同種電荷的集合體，稱之為雷電云，在它覆蓋地表附近的各類物體尤其是導體時會感應形成大量的與雷電云相反的電荷集合，且這種感應電荷的積聚能力隨著與雷電云的距離減小而急劇提升[4]。當雷電云距離地面越來越近即將放電的一瞬間，導體上的感應電壓也達到最大值[5]，電壓和電荷數值的計算公式如下。

式中：Vc為雷擊發生后高電壓地區與大地之間的瞬時電壓，V；Ve為發生閃擊的一瞬間局部高電壓地區與大地之間的電壓，V；R為局部高電壓地區對地等效電阻，Ω；C為局部高電壓地區對地等效電容，F；t為雷擊延續的時間，s；Q為局部高電壓地區積累的電荷量，C。

由公式（1） 計算得知，高速鐵路高架結構處形成的局部地區的感應高電壓、接觸網對地電壓的最高極限可達100~200 kV，鋼軌線路對地電壓最高限可達40~60 kV[6]。

式中：W為放電能量，W；C為總電容量，F；U為雷擊時雷擊影響的導體對地的最大電位差，V；C1和C2為雷擊時鋼軌對地絕緣擊穿時的等效電容量，F。

由公式（2） 計算得知，雷擊時，若鋼軌對地絕緣擊穿，對地等效電容電阻比較大，這樣形成的局部高電壓會釋放電能量，局部可達108~1010J，此數量級的能量足以維持并有可能破壞絕緣，從而形成穩定的接地通道[7]。

正常運行時鋼軌對地絕緣電阻值≥100 MΩ，正常牽引供電回流和信號電量都不足以達到鋼軌的對地絕緣的最低限值，但雷擊時鋼軌對地電壓較高，有可能擊穿鋼軌，從而造成鋼軌信號回路錯誤地顯示紅光，第117頁圖4 為信號系統鋼軌擊穿導致紅光電路圖。此外，雷擊時間段內，接觸網對地電壓也較高，也有可能造成接觸網絕緣擊穿引發跳閘故障[8]。

圖4 信號系統鋼軌擊穿導致紅光電路圖

綜上所述，接觸網雷擊跳閘的同時信號系統顯示紅光，這兩個事件只具有時間上的偶合，并無直接的因果關系，只是由雷電這個公共的原因所導致。此外，牽引供電系統接觸網由于更靠近雷電云以及絕緣裕度遠低于等高的供電線水平，因此發生故障的概率遠高于信號系統的鋼軌對地絕緣擊穿故障。二者同時發生的機率雖然較低，但是存在。

4 應對措施和建議

信號系統的防雷設計實際上主要集中于信號樓以及連接各部件的信號電纜上，各個終端和鋼軌由于大小和所處位置不易受到直擊雷的侵擾，因此針對其的防護是極其薄弱的。針對偶發性的感應雷影響，由于概率極低，因此綜合考慮后沒有進行防護，從而造成了這種偶發的紅光現象。

針對上述結論，可以采取以下措施來降低信號系統因感應雷造成瞬時紅光的影響。

1） 提高鋼軌對地的絕緣強度。由公式（1） 可知，感應雷對鋼軌造成的感應電壓為40~60 kV，而正常的絕緣強度在均勻電場強度下空氣擊穿數值為30 kV/cm，因此提高鋼軌的絕緣強度較容易實現。

2） 在鋼軌信號區間裝設防雷模塊。防雷模塊具有高電壓導通、低電壓高阻的性能，因此可以有效地限制雷擊感應電壓對鋼軌主絕緣的破壞，實踐中可以與措施1 配合使用，以提高可靠性。

3） 對于紅光信號增設一個延時判據。由于自然界的雷擊發生時限都是微秒級，因此感應雷的持續時間遠小于此時間。若鋼軌發生感應雷絕緣擊穿，那么信號接收器被旁路的時間，即紅光的時間也是微秒級，而正常機車占用導致鋼軌紅光的時間是大于秒級的，因此可以在信號系統中加一個毫秒判據。大于毫秒判據為正常紅光，正常顯示；小于毫秒判據為感應雷影響，屏蔽此紅光不顯示。

5 結束語

鐵路牽引供電系統和信號系統屬于兩個不同的專業，兩個專業的技術人員分別在自己的領域進行了深入的研究和探索，但對于二者結合部的管理存在明顯的疏漏。當結合部出現故障時，若己方設備檢查運行工況正常，都側重于相信是對方設備對自己的設備造成了影響，那么無法得到故障的真正原因。鑒于此，針對任何專業涉及結合部的故障還需要不同專業的人聯合共同分析，并需要技術人員在日常工作中進行創新性的研究。