基于牽引回流的電氣化鐵道實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法

王語(yǔ)園

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助教，陜西 渭南 714000）

鋼軌是鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部件，如果出現(xiàn)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(cái)產(chǎn)損失〔1，2〕。

采取措施預(yù)防斷軌避免事故的發(fā)生，就要研究如何能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷軌。目前，我國(guó)主要使用手推式探傷小車進(jìn)行人工巡檢、大型鋼軌探傷車進(jìn)行定期巡檢和采用軌道電路對(duì)鋼軌進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等方法進(jìn)行斷軌檢測(cè)〔3，4〕。人工巡檢和探傷車巡檢的方法不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷軌，只有軌道電路可以完成實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)。然而，隨著包括使用全球定位技術(shù)、衛(wèi)星通信和其他通信技術(shù)的列控技術(shù)的出現(xiàn)，徹底擺脫了依賴鋼軌完成列車占用檢查和傳輸機(jī)車信號(hào)的問題，在取消了軌道電路后，依靠軌道電路的斷軌檢測(cè)功能也隨之消失〔5，6〕。需要采用其他斷軌檢測(cè)方法以確保鋼軌的完好，為此提出了一種利用鋼軌中牽引回流進(jìn)行斷軌檢測(cè)的方法。

1 交流牽引回流斷軌檢測(cè)原理

電氣化鐵路供電系統(tǒng)是通過架空接觸網(wǎng)供電，用鋼軌作為牽引回流電路的組成部分。如果鋼軌斷裂，牽引回流在這段鋼軌中的流動(dòng)會(huì)被阻斷，不正常的電流通過軌道之間的橫連線達(dá)到平衡。如果可以檢測(cè)到斷軌引起的不平衡電流，并且利用這個(gè)不平衡電流判斷鋼軌情況，這種斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是可行的。牽引回流斷軌檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 牽引回流斷軌檢測(cè)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(lián)起來，并將鋼軌分成若干個(gè)區(qū)間。電流傳感器安裝在兩條鋼軌之間的橫連線處，測(cè)量?jī)绍壷g流過的電流。當(dāng)鋼軌完好時(shí)，兩軌之間橫連線上電流傳感器檢測(cè)到的電流較小。如果其中一條鋼軌發(fā)生斷裂，電阻大大增加，這條鋼軌中的牽引回流被阻斷，兩軌之間電流不平衡，橫連線上電流傳感器檢測(cè)到的電流較大，以電流大于某個(gè)預(yù)設(shè)的閥值來判斷是否斷軌，從而實(shí)現(xiàn)斷軌的檢測(cè)。

2 交流牽引回流斷軌檢測(cè)方法

2.1 交流牽引回流斷軌檢測(cè)系統(tǒng)建模 采用MATLAB/Simulink 仿真工具，以交流電氣化鐵路12 km 軌道為例進(jìn)行建模，取供電臂長(zhǎng)度12 km，等分為6段，每段2 km。“Track”模塊表示鋼軌，由電阻組成，每個(gè)電阻0.18 Ω，代表1 km鋼軌電阻。“Substation”模塊表示牽引變電所，牽引變電所采用25 kV 工頻交流電源，“Train”模塊代表機(jī)車，牽引電流假定為幅值500 A，即有效值為353.5 A。“Catenary”模塊表示接觸網(wǎng)，由2個(gè)電阻組成，每個(gè)電阻0.233 Ω，代表1 km 接觸網(wǎng)電阻。每個(gè)分段鋼軌對(duì)地泄漏電阻為50 Ω，上下行軌道之間的橫連線電阻為0.005 Ω，變電所位置接地電阻取1 Ω，如圖2所示。機(jī)車負(fù)載采用頻率50 Hz、幅值500 A 的交流受控源，牽引變電所為25 kV、50 Hz 的電流源，測(cè)量模塊測(cè)量的是電流有效值。虛線部分省略了相同的模塊。

圖2 交流牽引回流斷軌檢測(cè)模型示意圖

2.2 系統(tǒng)仿真 以交流電氣化鐵道直接供電方式和帶回流線的直接供電方式為例進(jìn)行仿真。圖2是帶回流線的直接供電方式牽引回流斷軌檢測(cè)模型，斷軌位于“Track 8”模塊，C1/1～C2/6 表示兩條鋼軌之間橫連線上電流傳感器的讀數(shù)，以顯示不平衡電流的大小。

為了模擬實(shí)際運(yùn)行時(shí)的各種情況，下面對(duì)不同情況分別進(jìn)行仿真。在仿真結(jié)果中，電流小于1 mA的以0表示。

1）直接供電方式下牽引回流斷軌檢測(cè)。牽引變電所位于左端0 km 位置，列車牽引電流取幅值500 A，斷軌位于“Track 8”模塊，列車在下行線從左端行駛到右端，在仿真圖中列車位置從距左端0 km到12 km變化，C1/1～C1/6讀數(shù)見表1。

表1 直接供電方式（一列火車，一處斷軌）

從表1中可以看出，機(jī)車在軌道上運(yùn)行，可以得到不斷變化的不平衡電流值，在斷軌附近不平衡電流值最大，在變電所附近不平衡電流值最小。斷軌位于機(jī)車和變電所之間時(shí)，不平衡電流較大，可以明確的檢測(cè)出斷軌。斷軌位于機(jī)車和牽引變電所之外時(shí)，機(jī)車向變電所靠近，即遠(yuǎn)離斷軌位置，所測(cè)到的不平衡電流逐漸減少，在變電所位置減少為0 A。此時(shí)，需要設(shè)置不平衡電流閥值來判斷是否出現(xiàn)了斷軌。

2）帶回流線的直接供電方式下牽引回流斷軌檢測(cè)。仿真模型如圖2 所示，牽引變電所位于線路左端0 km位置，機(jī)車牽引電流取幅值500 A，回流線電阻為0.2 Ω/km，每4 km 與軌道相連。斷軌位于“Track8”模塊，機(jī)車在下行線從左端行駛到右端，在仿真圖中列車位置從距左端0 km到12 km變化，C1/1～C1/6讀數(shù)見表2。

表2 帶回流線的直接供電方式（一列火車，一處斷軌）

從表2中可以看出，機(jī)車在軌道上運(yùn)行，可以得到不斷變化的不平衡電流值，機(jī)車在變電所附近時(shí)不平衡電流值很小。斷軌位于機(jī)車和變電所之間時(shí)，不平衡電流較大，可以明確地的檢測(cè)出斷軌。

3）機(jī)車牽引電流變化的影響。以帶回流線的直接供電方式為例，牽引變電所位于左端0 km 處，機(jī)車位于右端12 km處，改變機(jī)車牽引電流幅值，分表取200 A、400 A、600 A、800 A、1 000 A，C1/1～C1/6讀數(shù)見表3。

表3 機(jī)車牽引電流變化的影響

從表3中可以看出，在機(jī)車正常運(yùn)行時(shí)，不論是空載運(yùn)行還是滿載運(yùn)行，牽引電流值都滿足檢測(cè)斷軌的需要，都可以檢測(cè)出斷軌。

4）用電阻代替機(jī)車。利用列車經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的牽引回流進(jìn)行斷軌檢測(cè)，沒有實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。在此基礎(chǔ)上，以30 Ω的小電阻代替機(jī)車溝通牽引回路，可以在沒有列車經(jīng)過時(shí)進(jìn)行斷軌檢測(cè)。牽引變電所位于距左端0 km位置，斷軌用圖中“Track 8”表示。電阻位置在下行線軌道上變化，C1/1～C1/6 讀數(shù)見表4。

表4 帶回流線的直接供電方式，電阻負(fù)載，一處斷軌

從表4 中可以看出，斷軌位于變電所和電阻之間時(shí)測(cè)得的不平衡電流較大，結(jié)果明顯。所以在用電阻代替機(jī)車進(jìn)行斷軌檢測(cè)時(shí)，應(yīng)將電阻負(fù)載設(shè)置在供電臂的末端，這樣檢測(cè)出的不平衡電流大，可以更明顯的檢測(cè)出斷軌。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過交流牽引回流斷軌檢測(cè)系統(tǒng)的仿真分析，可以得出以下結(jié)論：

1）牽引回流斷軌檢測(cè)技術(shù)提供了一種低成本的長(zhǎng)距離斷軌檢測(cè)方案，可以利用現(xiàn)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(zhǎng)距離鋼軌的檢測(cè)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2）當(dāng)斷軌位于負(fù)載和牽引變電所之間時(shí)，可檢測(cè)到較大的不平衡電流，從而快速檢測(cè)出斷軌。而斷軌位于負(fù)載和變電所之外時(shí)，不平衡電流較小，需經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)后，得出一個(gè)電流閥值，檢測(cè)出的電流大于此電流值時(shí)報(bào)警，表示檢測(cè)出斷軌。

3）為了提高牽引回流斷軌檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，在檢測(cè)區(qū)段的末端設(shè)置轉(zhuǎn)換電阻負(fù)載，在列車到來前可采用電阻負(fù)載在線監(jiān)測(cè)，在線時(shí)間應(yīng)根據(jù)列車運(yùn)行實(shí)際情況確定。

〔1〕田銘興，陳云峰，趙斌，等.實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法綜述〔J〕.蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（1）：122-126.

〔2〕田銘興，陳云峰，趙斌，等.中央發(fā)送兩端電流接受式無絕緣軌道電路斷軌態(tài)分析〔J〕.中國(guó)鐵道科學(xué)，2010，31（6）：103-108.

〔3〕史宏章，任遠(yuǎn)，張友鵬，等.國(guó)內(nèi)外斷軌檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與研究〔J〕.鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù)，2010，10（4）：1-7.

〔4〕黃德勝，張巍.地下鐵道供電〔M〕.北京：中國(guó)電力出版社，2010.

〔5〕杜求茂.斷軌檢測(cè)方法研究〔D〕.蘭州：蘭州交通大學(xué)，2009.

〔6〕任遠(yuǎn).基于超聲導(dǎo)波的實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法研究〔D〕.蘭州：蘭州交通大學(xué)，2010.