重載鐵路牽引回流對過分相感應裝置的影響研究

李 騰，李立峰，馬春蓮，曹 奕

0 引言

大秦鐵路是一條連接山西省大同市與河北省秦皇島市的國鐵Ⅰ級貨運專線鐵路，也是中國境內首條雙線電氣化重載鐵路、首條煤運通道干線鐵路，全長約660 km。該鐵路多采用和諧型電力機車與C80系列貨運車輛組成的重載列車，重載運營速度80 km/h（空載速度90 km/h），最大牽引質量2～3萬噸，運能達4.5億噸。線路采用有砟軌道、無縫鋼軌，上、下行最大坡度4‰、12‰。

近年來，在大秦線遷西站和粳子峪分區所中部的景忠山隧道口附近非分相區出現機車車載 VCB（真空斷路器）頻繁跳閘導致列車停運的事故。該誤跳閘事故在備用軌放置了十余天時開始發生，且與機車車型無關，說明事故主要與過分相感應裝置有關，拾取了非分相區的干擾信號，從而產生誤動。2005年，大秦線的韶山機車也出現了誤跳閘的情況，之后裝置增加了50 Hz以上頻率的數字濾波板解決了誤跳問題[1]。但近年來的誤跳事故說明，車載過分相感應裝置仍然受到了其他頻率的干擾。

本文將通過測試及仿真對機車車載VCB誤跳閘事故進行原因分析，并對比分析2種過分相感應裝置，提出治理措施。

1 針對大秦線機車車載VCB誤跳閘事故的測試

大秦線是全并聯AT供電方式的重載鐵路，負載大，機車取流大，2萬噸級以上的負荷功率可達28 MW。由于大秦線欠缺綜合接地網，承力索、正饋線、回流線及鋼軌為主要回流路徑，故鋼軌電流較大。大秦線出現的機車車載VCB于非分相區頻繁跳閘導致列車停運，初步分析是由于走行軌內較大的電流所引發。

大秦線磁感應式自動過分相系統主要由地面鋪設的磁性設備以及列車上安裝的感應器、主機、硬件電路組成，通過鐵磁線圈感應器感應軌道兩側地面磁場信號獲得分相區位置后發送過分相信號給列車。引起VCB跳閘是由于感應器接收到強度類似于嵌入在軌枕內的永磁鐵地面磁性設備的場強，致使其誤以為抵達分相區而引發VCB跳閘。圖1顯示了磁性設備的埋設方式，可知在列車運行方向上，當車載控制設備感應到兩個距離約170 m、接近于磁性設備的磁場強度時，才產生跳閘信號。

圖1 地感器的埋設方式（單位：m）

根據地面磁性設備的企業標準（QB/JCW 01—2007）[2]，在磁性設備表面上方，距鋼軌表面垂直距離110 mm，距鋼軌內側工作邊水平距離335 mm，即內側工作邊水平距離200 mm，當測量的磁場強度不小于36 Gs，才認為該磁性設備滿足使用要求，如圖2所示。下文將通過測量和仿真數據進行磁場強度分析，找出引發VCB跳閘的原因。

圖2 地面磁性裝置正常工作參數（單位：mm）

1.1 鋼軌特性測試

采用TD8220軟磁直流測試系統對鋼軌的磁特性進行測量。儀器可使用電子積分器和沖擊法測得待測樣品的磁滯回線、磁性參數等。

沖擊法通過沖擊檢流計測量環形樣品的磁化曲線、磁滯回線等，并變換電路開關使其產生線圈電流變化，從而得到樣品磁感、磁通變化量，然后通過沖擊檢流計得到測量回路中感應電流產生的電量。電子積分器測磁場的原理為根據電磁感應原理將探測線圈測得的感生電勢通過電子積分器積分來測量磁感應強度，其通常用直流產生穩定磁場，通過定量增加或減小勵磁電流來改變磁場，逐點測量靜態磁滯回線。通過以上兩種方法繪得的磁滯回線接近，如圖3所示。圖中，橫坐標為磁感應強度B，縱坐標為磁場強度H。

圖3 3種材料磁滯回線對比

圖3中黑色的磁滯回線為普通鐵磁材料的磁滯回線，綠色的為75號鋼材，紅色的為78號鋼材。從圖中可以看出，75號鋼材的矯頑力Hc為1 500 A/m，78號鋼材的矯頑力為1 900 A/m。此外，根據圖中所示的磁滯回線及式（1），可以推導出各材料的相對磁導率。

式中：μi為相對磁導率，是被測材料的磁導率μ和真空磁導率μ0的比值，無量綱，可通過非飽和區的磁滯回線中的B和H的比值求得。因此，可知78號鋼材的相對磁導率為 315，75號鋼材的相對磁導率為990。

由上述推導可知，78號鋼材相較于75號鋼材矯頑力Hc（磁滯回線與縱坐標交點的磁場強度值）較大，相對磁導率較小，本征矯頑力μHc（磁滯回線與橫坐標交點的磁感應強度值）相近。兩種鋼材的矯頑力均大于1 kA/m，因此，它們相較于其他鐵磁材料不易受外加磁場磁化，也不易受外加磁場或其他因素影響而退磁，電流切斷后磁性不易消失，保持剩磁。

1.2 走行軌回流、分區所吸上電流及鋼軌電位測試

復線全并聯AT供電方式在每個AT所和分區所將上下行AT牽引網的接觸線、鋼軌以及正饋線通過橫聯線進行并聯，從而進一步減少電壓損失，降低牽引網阻抗及軌內回流。

圖4為走行軌回流測試示意圖。測試中測量了下行和外側軌相連的扼流變線圈電流、橫聯線（兩個扼流變流器中性點連接線）電流和吸上線（N線）電流，圖5所示為實測電流波形。

圖4 走行軌回流測試示意圖

根據測試數據可知，走行軌中最大外軌電流的有效值約為105 A，且2倍的外軌電流、橫聯線電流和吸上線電流符合基爾霍夫電流定律，加和為零。當下行重載行車時，電流多呈現大幅值的雙峰形狀（如圖5中紅線圈內）；而上行空載行車時，電流多呈現低幅值單峰形狀（如圖5中藍線圈內）。此外，波形的峰值形狀較復雜，是由于上下行列車交匯，皆有較明顯的鋼軌電流，且通過橫聯線交匯流入兩側支柱的吸上線。

圖5 實測電流波形

此外，還在粳子峪分區所測量了自耦變壓器中性點的吸上電流（該電流非吸上線中的電流）。圖6所示為吸上電流在短回路中的分布[3，4]，AT變吸上電流和機車位置成反比，即機車行進至 AT所/分區所時，AT變的吸上電流最大，此時AT所/分區所里的吸上電流也接近鋼軌最大電流值。圖7所示為實測粳子峪分區所最大吸上電流波形，有效值約為177 A（最大值為250 A）。

圖6 吸上電流在短回路中分布

圖7 粳子峪分區所吸上電流及其諧波

最后，在平谷分區所附近對鋼軌電位進行測試。由于鋼軌對大地為分散半接地狀態（即通過泄漏電導接地），大取流和小泄漏電阻（有砟軌道）使得存在一定的地中電流。但測得的鋼軌電位最大值只有 40 V，對應的地中電流并不大，故地中電流對磁化備用軌的作用有限。

1.3 走行軌回流測試

鋼軌電流由傳導分量和感應分量兩部分組成，其中傳導分量是由機車和牽引變電所向鋼軌注入電流后形成，然后在鋼軌上傳導和衰減。根據單點電流注入鋼軌后電流的分布規律，可以得到鋼軌傳導電流的分布。此外，“牽引網-大地”回路還在“鋼軌-大地”回路中產生與接觸網電流相位相反的感應電流，接觸網上的電流通過接觸網和鋼軌的互感，在鋼軌內產生感應電勢及“鋼軌-大地”回路電流。同理，對于放置在走行軌旁的備用軌，其電流也由傳導分量和感應分量兩部分組成：其一是走行軌電流通過互感在其中產生的感應電流；其二，由于鋼軌和大地之間過渡電阻的存在，使得鋼軌電流在流向變電所的過程中一部分經過渡電阻逐漸泄入大地，形成地中電流，進而流入備用軌。然而，根據以往的測試結果，地中回流占全部回流的比例較小，為 10%以下，而走行軌回流占全部回流的60%及以上[5]。因此，本文重點研究走行軌回流對周圍磁場的影響。

圖8所示為鋼軌感應電流分布。綜合考慮鋼軌中的感應電流和傳導電流，其在鋼軌上的分布由牽引變電所和機車分為3個部分[6]：

圖8 鋼軌感應電流分布

當x＜0時，即在M點左邊，其電流分布為

式中：I0為接觸網中的電流；γ為電流衰減常數；Z為鋼軌回流阻抗；ω為回流角頻率；M0為接觸線和鋼軌互感。取鋼軌為x軸，M點為坐標原點，l為M、N兩點間的鋼軌長度。

當0＜x＜l時，即在M、N點間，電流分布為

當x＞l時，即在N點右邊，電流分布為

根據上述計算式可繪制出機車在圖9所示的長回路和短回路中的電流分布。

圖9中：I為機車獲取的牽引電流，在本仿真中為1 000 A；D為相鄰AT之間短回路的距離；l3為機車距牽引變電所的距離；x為機車在短回路中的位置，即與距離牽引變電所較近AT之間的距離；s為鋼軌電流計算點的位置坐標；IT(s)為距離牽引變電所s處的鋼軌電流。

圖9 AT供電方式下的長短回路示意圖

在短回路內（設短回路在10～20 km范圍內，機車在短回路的6 km處），鋼軌電流在鋼軌上的分布被機車分為兩部分，如圖10（a）所示。

在長回路內（假設10 km和20 km處有AT所，機車在16 km處），鋼軌電流在鋼軌上的分布被機車分為四部分，如圖10（b）所示。

圖10 鋼軌電流分布特性

由圖10所示鋼軌電流分布可知，不管是在短回路內還是長回路中，機車取流處鋼軌電流最大。經進一步仿真可知，機車在距離變電所3 km外的不同位置時，機車處鋼軌電流的幅值變化不大（鄰近變電所，鋼軌電流會進一步增大）。

由圖10所示鋼軌電流分布還可以看出，鋼軌電流在機車兩側為反向。由于機車是運動的，鋼軌每一處的電流會由于機車的移動產生一個由正最大值到反向最大值的突變，如圖中的虛線框所示。這樣的突變電流在走行軌中具有消磁作用，而在備用軌上則會通過互感產生感生電動勢和渦流。

對比實測數據可知，重載鐵路鋼軌回流最大有效值約為 105 A，且下行時多為雙峰值。經分析，這是由于重載車的動力是分散的，取流主要由頭部的主控車和中部的從控車完成，故每個取流車廂的取流值為總取流值的一半。因此，重載車鋼軌回流的雙峰值是由于主控和從控車取流的疊加而形成。假設機車運行速度為60 km/h，則圖11中2個峰-峰值為80 A的單峰值的鋼軌電流峰值，其相距2.3 km左右。

圖11 理想仿真電流波形1

圖12所示為兩輛機車相距2.3 km時的單峰值鋼軌電流疊加波形。可以看出，在6、8.3 km處存在電流突變，使得鋼軌電流存在2個峰值。

圖12 理想仿真電流波形2

圖13是對圖5中的1個雙峰電流波形的曲線擬合，雙峰間時間間隔為137 s。經對比，理論仿真結果與實測相符。

圖13 實測鋼軌電流雙峰波形擬合

2 走行軌電流產生的交流磁場仿真分析

根據上文測試的走行軌回流數據，進行走行軌和備用軌磁感應強度的ANSYS有限元仿真分析。

2.1 有限元仿真

電磁場的基本理論由麥克斯韋方程組描述，對電磁場的有限元分析即是對麥克斯韋微分方程及其邊界條件的求值。但由于直接求解方程組較困難，對于磁場的仿真計算，通常通過定義矢量磁勢A來進行：

根據上述定義的矢量磁勢A能自動滿足法拉第電磁感應定律和磁通連續性定律，然后與安培環路定律和高斯定律聯立，則得到磁勢偏微分方程：

式中：μ為材料的磁導率，采用測試所得數值；ε為介電常數；?2為空間偏微分算子；J為電流密度。

2.2 交流磁場仿真

為深入研究帶有交流電流的鋼軌對備用軌的磁化影響，采用有限元軟件ANSYS渦流場模塊進行鋼軌的磁場仿真，將鋼軌等效為1根圓柱體，在走行軌鋼軌一端加有效值50 A和100 A的50 Hz交流電流激勵，分別在鋼軌與備用軌相距0.2、0.3、0.5、1 m時進行磁場仿真。

2.2.1 模型建立

建立模型如圖14所示，中心處鋼軌帶有交流電流激勵，在其周邊0.2、0.3、0.5、1 m處放置備用軌進行磁場分析。

圖14 模型

2.2.2 磁場分析

備用軌磁場仿真結果如表1所示。由表1可知，當備用軌和走行軌相距0.5 m時，走行軌內50 Hz交流電流達50 A即可在備用軌處產生30 Gs以上的磁場。而備用軌距離走行軌1 m時，欲產生20 Gs的磁場強度需要電流達100 A。圖15顯示了穿過走行軌與備用軌中心的沿線的磁感應強度B的大小，可知由于兩鋼軌鄰近效應，電流不再對稱分布在導體表面，而是比較集中在兩導體相對的內側。

表1 備用軌磁感應強度仿真結果 Gs

圖15 走行軌與備用軌表面磁感應強度

2.2.3 備用軌表面磁感應強度分析

當電力機車運行時或鋼軌電流變化時，其周圍會建立起交變磁場，該磁場又會在感應器閉合電路中感應出感應電動勢。根據表1和幅值變化的實測鋼軌電流，繪制備用軌表面磁感應強度變化。由于走行軌的電流頻率為50 Hz，頻率較低，可得到電流幅值與周圍的最大磁感應強度近似符合線性關系的結論。根據此關系，結合圖15和圖13可得圖16，可知備用軌最大的磁感應強度約為100 Gs，且分布在靠近感應器一側，該數值與測得的備用軌磁場實測數據相符。

圖16 備用軌表面磁感應強度

因此，當電流流經走行軌時，走行軌與備用軌表面均會產生磁場，由于感應器距離軌面橫向距離為20 cm，由法拉第電磁感應定律可得：

式中：E為感應電動勢；v為速度，約為20 m/s（72 km/h）；L為感應線圈長度，約0.2 m。

若列車速度恒定，感應電動勢E隨鋼軌電流幅值的變化而變化，在走行軌外側面可產生約1 T的磁感應強度，而地面的永磁鐵剩磁為1.1 T。但地面永磁鐵垂直于感應器，而走行軌外側面縱向軸線和感應器縱向軸線有一61°的夾角，因此在感應器內產生的感應電動勢為：1(T)×20 (m/s)×0.2×cos61°≈2 V，接近感應器誤動閾值3.3 V。當列車在拐彎或遇道岔時，角度的偏移可能會使感應器感生出超過閾值的電動勢，從而產生誤動。實際運行中，在道岔等區域附近往往產生感應器的誤動。

2.3 備用軌的渦流場及磁化

由上述仿真分析可知，50 Hz鋼軌電流流經走行軌時，將引起備用軌表面一定磁感應強度變化，距離越近，影響越大。

由于處于空氣介質，走行軌和備用軌的互感并不大；但突變電流的值很大，在備用軌中產生較大的感生電動勢。假設走行軌和備用軌的距離為d，走行軌中的電流為i，則在備用軌中的感生電動勢e為

其中，M為導線與鋼軌間的互感，與距離d相關。假設d為0.4 m，則M約為0.5 mH/10 km[7]（大秦線采用無絕緣節鋼軌軌道），進而可以計算出產生的最大感生電動勢，約為1.85 mV。

這種感生電動勢不同于走行軌中的縱向感生電動勢，會在備用軌短距離、有限面積內瞬間引起渦流阻止磁通的變化，且渦流隨機車的位置移動，但備用軌中的渦流疊加后，在整個軌的中間部分因方向相反而抵消，但當機車移動到備用軌的端部，在端部會由于突然截斷而產生明顯的剩磁，因此在備用軌端部磁化明顯，中間無磁化，這與實測數據相符。

3 兩種感應原理的過分相裝置實測數據

經分析，大秦線機車車載VCB誤跳閘導致列車停運事故的發生區段為制動區段，結合運行區段地勢和運行工況分析，回流方向突變，產生一個較大的暫態磁場，且長期的相似運行工況加強了回流對備用軌端部的磁化作用，長備用軌互感更強，磁化更明顯。經分析，在兩根鋼軌共同作用下，可能會產生對過分相感應裝置的干擾，甚至引起其誤動。解決該問題的方法為對過分相感應裝置采取屏蔽、干擾抑制等措施，以緩解回流引起的鋼軌磁化對其產生的干擾，或選取新的磁場感應原理以排除回流干擾。

過分相地面磁感應裝置原理：電力機車通過時會發出相應信號給機車，通過車載感應接收器和過分相控制裝置自動完成電力機車斷電過分相。電力機車過分相信號的感應、處理由地面磁感應器、車載感應接收器和過分相控制裝置共同完成。

此次對過分相磁感應裝置的測試為沿大秦線全線的測試，同時采用了基于兩種感應原理的過分相裝置，以進行對比分析，分別安裝在頭車的主控車廂和中部的從控車廂。新裝置采用霍爾效應原理，接收到過分相信號，使數字脈沖信號的頻率發生改變；而舊裝置采用傳統的法拉第電磁感應原理，電路為模擬電路。使用IMC設備對每臺裝置的4個通道的電氣量進行不間斷采集。

圖17所示為新、舊裝置采集的四通道信號。過分相裝置運行邏輯：收到T2信號后，開始發出兩個預告信號，其間收到T1信號后，裝置發出強斷信號；過分相后，收到T2信號，開始發出兩個預告信號，其間收到T1信號，則車載斷路器開始合閘。

圖17 新、舊裝置采集的四通道信號

由新舊兩裝置對比后可知，新裝置T1、T2數字信號量的幅值較大，且T1、T2信號感應到磁場變化前后會有幅值較大的脈沖間隔頻率的變換，不易受干擾；而舊裝置則感應出一個較小的突變信號，易受干擾。兩者相比較，數字脈沖式的新裝置不易受干擾，信噪比大，因此數字式霍爾效應電磁感應裝置能有效避免鋼軌回流的干擾，具有一定優越性。

4 小結

由上述理論及仿真分析可知，在放置備用軌后，由于兩軌鄰近效應，走行軌會在靠近感應器側產生較大的磁感應強度；制動電流反向時會產生更大的暫態干擾磁場，對備用軌的磁化作用更明顯，兩軌共同作用使過分相設備誤動。此外，備用軌端部剩磁明顯，與實測數據相符。

針對以上問題，從以下兩個方面提出治理措施：（1）備用軌離走行軌越近，鄰近效應越明顯，使得走行軌靠近感應器側的磁感應強度越大，且備用軌自身被磁化的剩磁越大，需將備用軌搬到遠離走行軌位置，以減少鄰近效應。（2）改造地面磁感應系統。由測試結果可知，霍爾效應原理的感應裝置信噪比更高，產生誤動的機率更小。