重載電氣化鐵路軌道燒蝕解決方案

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安,710043）

重載電氣化鐵路軌道燒蝕解決方案

彭 偉

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安,710043）

本文通過對某重載電氣化鐵路軌道燒蝕現場的調研，結合該重載鐵路牽引負荷的分布、牽引供電回流系統設置情況，分析并得出了鋼軌電位是引起電氣化鐵路軌道燒蝕的重要原因。同時對鋼軌電位進行了的理論分析和計算推導，并研究提出了降低鋼軌電位的技術思路和工程措施，解決了現場鋼軌電位過高引起軌道燒蝕的問題。研究結果表明：電氣化鐵道尤其是重載鐵路，可采取增加接觸網與鋼軌間互阻抗、降低鋼軌泄漏電阻等工程措施改善牽引回流分布、降低鋼軌電位，以避免軌道燒蝕等設備損害及對人體安全的威脅。

電氣化鐵路；軌道燒蝕；鋼軌電位；解決方案

0 前言

隨著電氣化鐵路的運營速度、線路坡度、電力機車牽引定數的不斷提高，相應大功率機車、動車組也陸續投入運行，列車牽引負荷逐漸增大，牽引回流也不斷增加，從而引起較高的鋼軌電位，當鋼軌電位達到一定數值時，可能會燒蝕鐵路設施設備，甚至威脅工作人員的人身安全。

目前，國內對電氣化鐵路尤其是高速鐵路牽引回流及鋼軌電位特性等問題研究較多，研究側重于理論分析、仿真計算、模擬測試，相關文獻中，關于鋼軌電位對設備的損害研究較少，工程實踐甚少，鮮有解決現場實際問題的案例。

作者通過對某煤運重載鐵路軌道燒蝕現場的調查，研究了引起軌道電弧燒蝕的重要因素鋼軌電位，結合電氣化鐵路鋼軌電位的理論分析及計算推導，提出通過增加接觸網與鋼軌間互阻抗、降低鋼軌的泄漏電阻等降低鋼軌電位的解決方案，采取增設橫向電聯接、增設吸上線等工程措施，優化牽引回流、降低鋼軌電位，解決了現場軌道燒蝕的問題。研究結果及解決方案，可供電氣化鐵路設計、施工、運營、維護參考應用。

1 軌道燒蝕

1.1 軌道燒蝕的現象

某煤運重載鐵路主要技術標準為：復線半自閉、雙機SS4機車牽引10000t、重車上坡，鐵路運營現場車站信號閉塞區段軌道以及道岔扣板燒蝕，具體燒蝕現場情況如下：

（1）軌道的燒蝕

現場拍照比對正常的軌道（圖1）與燒蝕后的軌道（圖2），圖2軌道燒蝕發生在車站的進站端上下行岔道間，運營部門反應軌道絕緣處夜間經常出現弧光，近距離查看為鋼軌電弧燒蝕，更換軌道絕緣片后未能解決燒蝕問題，信號設備頻繁異常工作，嚴重影響列車運輸的安全。

圖1 正常的軌道絕緣

圖2 燒蝕的軌道絕緣

（2）道岔扣板的燒蝕

1.2 軌道燒蝕原因分析

對煤運重載鐵路軌道絕緣燒蝕現場的調查及研究表明，與高速鐵路動車通過并燒蝕軌道絕緣不同，本鐵路不僅僅有軌道絕緣燒蝕，還有道岔扣板燒蝕，可以肯定軌道燒蝕的主要原因是鋼軌電位電壓過高引起。由于現場列車牽引定數增大、運力加強后，鋼軌電流及鋼軌入地電流增大，鋼軌間鋼軌電位升高，較大的電流、電壓作用導致軌道燒蝕。

為此，需對引起軌道燒蝕的主要因素鋼軌電位進行研究，并根據研究結果，結合現場牽引負荷的分布、牽引供電回流系統設置情況，提出降低鋼軌電位的解決方案及工程措施，避免軌道燒蝕等危害的發生。

2 鋼軌電位分析研究

交流電氣化鐵路鋼軌電位的危害中，電流燒蝕現象最為明顯、直觀，本文將通過對引起軌道電弧燒蝕主要因素鋼軌電位進行研究，提出降低鋼軌電位的工程措施，以避免軌道燒蝕現象的產生，減小對鐵路運輸安全的影響。

2.1 牽引回流數學模型

通過建立電氣化鐵路牽引回流數學模型，對鋼軌電位的進行理論研究。

圖3 牽引回流模型

如圖3牽引回流模型所示，分布參數電路簡化數學模型如下：

E——牽引網電流在鋼軌上引起的感應電壓；

Y——鋼軌地泄漏導納。

2.2 鋼軌電位的分布

對于目前應用廣泛的帶回流線的直接供電方式，結合接觸網的電流回路的確定邊界條件，求出A、B和E的值，可得鋼軌電壓電流分布為：

L——為列車與牽引變電所距離。

2.3 降低鋼軌電位的分析

通過上述對鋼軌電位進行的理論研究和計算推導可知，鋼軌電位的大小主要由機車負荷電流、列車與變電所距離L、接觸網鋼軌間互阻抗、鋼軌自阻抗以及鋼軌-地泄漏導納Y等因素決定，為此可以通過改變上述參數，降低鋼軌電位的影響。

實際在鐵路設計、運營及維護過程中，列車牽引負荷、接觸網系統、鋼軌、是由鐵路運輸要求的實際情況決定，調整的可行性較小，而通過改變接觸網與鋼軌間互阻抗及鋼軌-地泄漏導納降低鋼軌電位比較可行。

2.4 降低鋼軌電位的主要方法

通過降低鋼軌電位的分析可知，具體可采取以下措施降低鋼軌電位：

（1）增加接觸網與鋼軌間互阻抗

1）增加回流線設置，可改造直接供電方式為帶回流線的直接供電方式。

2）增加扼流變及吸上線數量，加大鋼軌與回流線電氣連接的密度。

（2）降低泄漏電阻

1）采取降阻措施，降低鋼軌泄漏電阻。

2）設置橫向電聯接，將上下行鋼軌充分電氣聯接。

3）沿線路增設綜合地線，與上下行的鋼軌、保護線等電氣聯接。

4）利用線路本身和線路旁邊的各種建筑、結構的基礎作自然接地極。

5）設集中接地極，將有關設施設備接地。

3 軌道燒蝕解決方案

3.1 鋼軌電位的核算

（1）現場列車負荷情況

現場重載鐵路雙機牽引單邊重載持續上坡，列車牽引電流可達690A，按照供電臂1趟列車運行，1趟列車車站啟動估算，車站附近區段的牽引回流可達1380A。

（2）鋼軌回流設置情況

現場鐵路采用帶回流線的直接供電方式，線路區間鋼軌經扼流變通過吸上線與回流線電氣連接，車站信號機扼流變未與回流線電氣連接，上、下行鋼軌間無橫向電氣連接，車站上、下行渡線處設置軌道絕緣片。

3.2 解決軌道燒蝕的工程措施

通過對鋼軌電位的理論分析可知，降低鋼軌電位可以通過增加接觸網與鋼軌間互阻抗、降低鋼軌的泄漏阻抗予以實現，針對既有運營鐵路，需要盡量采取工程簡單、投資較省、降低鋼軌電位明顯、對運營干擾少的解決方案，可著重從以下兩個方面分析研究。

（1）增加接觸網與鋼軌間互阻抗

煤運重載鐵路已采用帶回流線的直接供電方式，可將上、下行線路進站信號機扼流變中性點與回流線電氣連接，進一步增加接觸網與鋼軌間互阻抗。

（2）降低泄漏電阻

通過降低泄漏電阻來降低鋼軌電位，具體可采取的工程措施較多，核心是盡量將鋼軌通過扼流變中性點與接地體電氣相連以達到降低泄漏電阻的目的。

3.3 解決軌道燒蝕的工程措施

現場提出以疏代堵的方式，將進站信號機扼流變中性點與回流線電氣連接，同時將上、下行線路進站信號機扼流變中性點電氣連接，使上、下行線路鋼軌等電位，同時降低了鋼軌的泄漏電阻，解決了鋼軌電位過高的問題。

現場采取工程措施為：通過約15米截面185 mm2電纜，將進站端上、下行扼流變中性點與回流線分別電氣連接，通過10米截面90mm2銅纜將上、下行線路進站信號機扼流變中性點電氣連接，工程實施后徹底解決軌道燒蝕問題，現場未再次發生軌道燒蝕。

4 結束語

本文結合鐵路軌道燒蝕工程實例，通過對軌道燒蝕主要因素鋼軌電位進行分析，研究了降低鋼軌電位的解決方案，提出工程措施解決了軌道燒蝕的問題。

對牽引定數、線路單邊坡度、線路通過能力均較大及運營速度較高的電氣化鐵路，建議在不影響信號設備安全工作的前提下，根據鐵路牽引供電負荷實際情況，可增加鋼軌與回流線電氣連接的吸上線設置密度，將進站端上、下行扼流變中性點電氣連接，以降低鋼軌泄漏電阻，減小軌道和大地的牽引回流引起的鋼軌電位，可以避免鋼軌電位過高對人體的威脅和對軌道燒蝕等設備的損害。

[1] 鐵道部工程設計鑒定中心.鐵路綜合接地和信號設備防雷系統工程設計指南[S].北京：中國鐵道出版社，2009

[2] 雷棟.高速鐵路牽引回流及鋼軌電位特性研究[D].西南交通大學碩士學位論文，2010.

[3] 劉明光 李 娜 屈志堅.鋼軌電位分布模型及仿真[J]北京交通大學學報，2010，2（34）：137-141.

Solution of rail sparkwear on heavy electrified railway

Peng Wei
（China Railway First Survey & Institute Group,Xi’an,710043,China）

Adopting from theoretical analysis of rail potential,focusing on the examples rail insulation ablation caused by higher rail potential,it has put forward measures to solve the effect of rail potential on the equipment.The results show that:The electrified railway especially heavy rail,can take to increase the mutual impedance and leakage resistance,to ameliorate return current distribution,reduce the rail potential,and avoid the damage to the equipment and threats to the human body.

Electrified railway;rail sparkwear;Rail potential; Solutions

U228.7

B

彭偉（1982—）,男，工程師，2005年畢業于西南交通大學電氣工程及自動化專業，工學學士。