重載鐵路站場絕緣節燒損故障分析

崔耀林，唐逢光，楊尚霄，曹曉斌

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重載鐵路站場絕緣節燒損故障分析

崔耀林，唐逢光，楊尚霄，曹曉斌

對某站場絕緣節處鋼軌燒熔故障進行分析，結合現場設備故障現象建立絕緣節暫態仿真模型，對絕緣節處故障電流與電壓進行仿真分析，得出等阻線零部件載流能力不足是造成該類故障的主要原因，并提出了改進措施。

重載鐵路；站場；軌道電路；絕緣節；牽引回流

0 引言

在電氣化鐵路中，軌道作為牽引回流導體和信號軌道電路的載體，需要兼顧二者的不同需求[1，2]。隨著我國高速鐵路與重載鐵路的發展，牽引負荷不斷增大，牽引回流系統問題日益顯露，軌道零部件（等阻線、道岔軌道扣板和絕緣節）燒損故障時有發生[3～5]。

目前針對牽引回流問題開展了大量研究工作，學者們通過建立數學模型和軟件仿真等方法進行深入的分析研究，取得了很多階段性成果。文獻[6]從理論上深入分析了直接供電方式下鋼軌泄漏電流對大地電位的影響和鋼軌泄漏電流的分布情況；文獻[7]分析了鐵路站場牽引回流系統的回流特性。現有的研究多認為軌道零部件故障的原因為鋼軌電位過高或回流系統阻抗過高。

本文以某站場鋼軌絕緣節燒熔故障為例，通過分析故障現象和現場回流參數測量，發現鋼軌電位并非引發該類故障的主要原因，結合測量數據分析了故障發生過程及原因，并提出了防治措施。

1 故障概況

2017年11月，某站場信號系統在運行過程中發生異常，先是某軌道電路信號的電壓出現波動，之后電壓信號消失。現場巡視發現該站場上行預告信號機處扼流變壓器中性點的空氣開關燒毀，鋼軌絕緣節燒傷。該線路外側鋼軌的絕緣節在鋼軌頭部燒熔，內側鋼軌的絕緣節無異常。合上扼流變壓器內部的空氣開關后，電務信號恢復正常，列車通過該處時發生空氣開關跳閘，田野側絕緣節燒傷處出現較大電火花。更換鋼軌后全部恢復正常，絕緣節在列車通過時仍產生小量電火花。該絕緣節的電路結構如圖1所示。

圖1 絕緣節電路結構

該絕緣節左側為無軌道電路的區間，由1根短接線將上下行鋼軌短接，再通過2根等阻線將鋼軌連接到扼流變壓器中性點。絕緣節右側為站場，鋼軌設有軌道電路，有4根等阻線，每根鋼軌各通過2根等阻線與扼流變壓器線圈連接。為該站場供電的變電所位于站場中部，區間供電臂上網點位于站場的中部，因此牽引回流方向為逆列車運行方向，從圖1中絕緣節左側流向右側。

故障發生后，發現絕緣節左側2根等阻線在與鋼軌連接的塞釘處熔斷，另一側連接鋼軌與扼流變線圈的4根短引線完好，連接扼流變中性點與回流線的吸上線完好。

2 絕緣節參數的現場測量

2.1 絕緣節牽引電流分配測量

根據故障現象，初步判斷與牽引回流有關。為準確分析故障原因，杜絕該類故障再次發生，對該絕緣節處鋼軌電壓和牽引電流分配情況進行現場測量，測量方法如圖2所示。

圖2 絕緣節處電壓電流測量方法示意圖

在該絕緣節每根等阻線以及上下行吸上線處各安裝一個電流互感器，在絕緣節兩端安裝電壓測量裝置。列車通過該絕緣節時，通過錄波器記錄絕緣節各部分的電流，以及絕緣節兩端的電壓。測得的絕緣節處部分電流與電壓波形如圖3、圖4所示。

（a）區間側鋼軌電流

（b）站場側鋼軌電流

圖3 絕緣節兩側鋼軌電流波形

圖4 絕緣節兩端電壓差波形

2.2 測量結果分析

從圖3可以看出，當列車未到達絕緣節位置時，通過區間側鋼軌等阻線的電流非常小，不到10 A。機車經過絕緣節時，有一個明顯的左側鋼軌電流下降、右側鋼軌電流上升的過渡過程，過渡時長接近5 s，之后左右兩側鋼軌電流趨于穩定，左側鋼軌電流接近400 A，右側電流為100 A左右。

圖4為測得的絕緣節兩側鋼軌工頻電壓波形，可以看出，列車到達絕緣節之前，絕緣節兩側鋼軌的工頻電壓產生不規則變化，波動區間為6 V左右，此時絕緣節兩側鋼軌的電壓由鋼軌之間的電磁感應及列車取流情況決定。當列車到達絕緣節時，由于絕緣節兩端鋼軌被列車車體與輪對短接，此時絕緣節兩側鋼軌的電壓差非常小，接近為0。當列車通過絕緣節后，絕緣節兩側鋼軌工頻電壓差較為穩定，此時鋼軌工頻電壓差與絕緣節處的阻抗和電流分布有關，其幅值約為3 V。

測得絕緣節處各導線電流分配情況如表1所示。

表1 絕緣節各導線牽引回流分配 A

3 故障過程仿真分析

3.1 故障點暫態模型

根據測得的數據，發現該絕緣節兩側工頻電壓差值非常小，只有幾伏，不足以擊穿絕緣節并產生電弧，因此可以排除回流路徑不暢引起鋼軌電壓過高造成絕緣節擊穿。為了進一步確定故障原因與過程，對該絕緣節故障暫態過程的電壓與電流變化情況進行仿真分析。

根據圖1所示絕緣節電路結構，在EMPT中建立如圖5所示的仿真模型。模型中，采用LCC電路對軌道進行模擬，采用電流源模擬列車的牽引電流。

根據現場故障情況，認為2根等阻線非同時燒斷，仿真過程中使用開關模擬等阻線燒斷的過程，分析絕緣節處電流和電壓的暫態變化。

圖5 絕緣節暫態仿真模型

圖5中開關S1所在的支路對應區間田野側等阻線，標為1號等阻線；S2所在支路對應區間線路側等阻線，標為2號等阻線。

S1和S2用于模擬等阻線的燒斷過程，首先開關S1斷開，模擬區間田野側鋼軌等阻線燒斷；之后S2斷開，模擬區間線路側鋼軌等阻線燒斷。

3.2 絕緣節處暫態電流與電壓

圖6所示為2條等阻線的電流分布情況。

（a）田野側等阻線電流

（b）線路側等阻線電流

圖6 等阻線電流分布

如圖6（a）所示，設故障發生前1號與2號等阻線通過的電流均為350 A。故障發生時，1號等阻線斷開，通過該線路的牽引電流變為0，此時2號等阻線的電流發生如圖6（b）所示的突變，從350 A上升到700 A。由于扼流變壓器電感的作用，此時2號等阻線的電流除了工頻分量上升到700 A之外，還存在一個100 A左右的快速脈沖，與該快速電流脈沖相對應，鋼軌上將產生一個快速過電壓，如圖7所示。

圖7 絕緣節快速暫態過電壓波形

從圖7可知，該過電壓為快速振蕩衰減的過電壓，在0.000 2 s內衰減到0，遠小于工頻的周期時間，但該過電壓的幅值非常高，可以達到600 V。

假設2號等阻線由于通過的電流過大，隨后也發生熔斷，S2斷開，2號等阻線電流下降到0。考慮到牽引電流達700 A，列車通過絕緣節時將產生燃燒電弧，由于電弧溫度可以達到2 000 ℃，導致絕緣節處鋼軌接頭燒熔。

4 故障原因及改進措施

4.1 故障原因分析

通過上述分析，發生絕緣節處鋼軌燒熔的原因可總結為：

（1）該絕緣節有很大的牽引回流通過，由于該處鋼軌采用單根等阻線連接，等阻線的銅端頭與塞釘連接處長期存在發熱現象，導致內部電腐蝕。

（2）當日列車通過時，田野側鋼軌的等阻線塞釘的螺桿過熱熔斷，熔斷時在鋼軌上產生一個快速過電壓。

（3）絕緣節的過電壓時間非常短，遠小于空氣開關的動作時間，因此空氣開關來不及動作就已經發生擊穿，導致扼流變內部設備燒毀。

（4）田野側鋼軌的等阻線熔斷后，所有電流流經線路側鋼軌的等阻線，大電流導致該等阻線熔斷。區間2根鋼軌的等阻線熔斷后，于絕緣節處產生較高的過電壓，導致絕緣節拉弧，使鋼軌頭在電弧高溫下熔融。

4.2 改進措施

根據上述分析結果，可以采取以下措施避免類似故障再次發生：

（1）調查與本次故障同型號的塞釘，發現塞釘與引線銅端頭連接處承臺半徑過小，與銅端頭接觸部分的有效半徑為3～4 mm，小于引線銅端頭半徑，導致該部分接觸電阻過高，由于該處牽引電流過大，易引起該處發熱及電腐蝕。需要與生產廠家聯系，生產接觸面更大的塞釘，以減小接觸電阻。

（2）每側鋼軌僅有1根等阻線，當一側等阻線斷開后，另一側等阻線塞釘的載流能力不足，導致另一側引線熔斷，因此需要增加1根等阻線。

5 結論

通過對該處絕緣節燒損故障進行分析，得到結論如下：

在站場內，牽引回流過大是導致絕緣節拉弧的主要原因，本案例中絕緣節兩側鋼軌的電壓差較小，僅10 V左右，但每側鋼軌牽引電流達到400 A左右，當通過絕緣節的回流過大時，列車通過會造成絕緣節拉弧。

等阻線零部件載流能力不足也是造成該故障的主要原因，本案例故障等阻線塞釘與引線連接處接觸電阻過高，發熱并造成斷線。

電務系統設備引線熔斷時產生快速暫態過電壓，該過電壓將造成電務設備絕緣擊穿，影響電務系統的安全運行。電務系統在設計過程中需要充分考慮牽引回流的影響，提高大電流區段的導線及接頭的載流能力。

[1] 中華人民共和國鐵道部.鐵路綜合接地和信號設備防雷系統工程設計指南[M]. 北京：中國鐵道出版社，2009.

[2] 李良威，楚振宇，鄧云川. 直供方式下牽引變電所軌地回流研究[J]. 鐵道工程學報，2012，2（9）：84-87.

[3] 曹曉斌，何方方，韓虎，等. 鐵路站場中間接觸網短路對附近信號電纜的影響[J]. 鐵道學報，2017，39（8）：45-51.

[4] 畢紅軍，丁志東，石先明，等. 高鐵站內絕緣節燒損解決方案[J]. 北京交通大學學報，2015，39（3）：6-9.

[5] 彭偉. 重載電氣化鐵路軌道燒蝕解決方案[J]. 電氣應用，2015，34（11）：110-112+127.

[6] 鄧明麗. 高速及重載鐵路牽引回流鋼軌電位規律的研究[D]. 西南交通大學，2009.

[7] 曹曉斌，何方方. 鐵路站場牽引回流系統的回流特性研究[J]. 鐵道學報，2017，39（12）：43-49.

With regard to the rail burning faults at insulated rail joint at a station, on the basis of the transient simulation model established with connection to the equipment faults at site, the simulation and analysis are made for the faulty current and voltage on the insulated rail joint, the conclusion is obtained that the insufficient current carrying capability of the parts of resistance isoline is the main cause of the faults, and the improving measures are put forward accordingly.

Heavy haul railway; stations and yards; track circuit; insulated rail joint; traction return current

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.026

U284.25

B

1007-936X(2018)06-0103-04

2018-07-24

崔耀林.神華包神鐵路集團有限責任公司，高級工程師；

唐逢光.西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生；

楊尚霄.神華包神鐵路集團有限責任公司，工程師；

曹曉斌.西南交通大學電氣工程學院，副教授。