鋼軌現(xiàn)場(chǎng)膠接絕緣接頭絕緣性能測(cè)量分析

朱長(zhǎng)浩 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)鐵路的不斷發(fā)展，對(duì)鋼軌膠接絕緣接頭的使用需求量不斷增長(zhǎng)，各施工和維護(hù)單位對(duì)該產(chǎn)品的使用量不斷增大；于此同時(shí)也暴露出安裝使用中的一些問(wèn)題，尤其對(duì)于絕緣夾板的驗(yàn)收方面，無(wú)論對(duì)生產(chǎn)制作方還是現(xiàn)場(chǎng)安裝使用方，都提出了更嚴(yán)格的要求。電務(wù)工務(wù)部門(mén)在對(duì)每塊絕緣夾板進(jìn)行安裝前，須逐塊檢驗(yàn)夾板的絕緣性能，以保證膠接后的絕緣質(zhì)量。因此，注重檢驗(yàn)的方式，對(duì)檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)的工具和檢測(cè)的方式進(jìn)一步規(guī)范，才能保證檢驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況相符，從而在驗(yàn)收產(chǎn)品時(shí)能夠做到更高效更準(zhǔn)確；對(duì)此，本文著重對(duì)絕緣夾板絕緣電阻測(cè)量的部分要點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)新版TB/T2975-2018的標(biāo)準(zhǔn)要求，膠接絕緣接頭在干燥狀態(tài)下的電阻值應(yīng)大于10MΩ，潮濕狀態(tài)下則大于1000Ω。絕緣夾板在制作成接頭安裝于軌道上時(shí)，其關(guān)系類(lèi)似兩個(gè)電阻的并聯(lián)，因此單塊夾板的電阻值在干燥狀態(tài)下應(yīng)大于20MΩ，潮濕狀態(tài)應(yīng)大于2 000 Ω（標(biāo)準(zhǔn)中要求為1 000 Ω）。標(biāo)準(zhǔn)中還提出，在上道鋪設(shè)前，對(duì)廠制膠接絕緣接頭的絕緣測(cè)試應(yīng)擱置在干燥的絕緣體上進(jìn)行，電阻值應(yīng)大于1 000 Ω。

1.1 膠接絕緣接頭絕緣性能原理

接頭安裝各關(guān)鍵部分的示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 膠接絕緣接頭組裝圖

其中，絕緣層、絕緣套管和絕緣端片是保證接頭絕緣的主要部分，接頭安裝后，由于螺栓為導(dǎo)體，兩側(cè)夾板相互接通，但與鋼軌之間保持絕緣。

組裝后的接頭實(shí)際等效電路見(jiàn)圖2。

圖2 膠接絕緣接頭電路圖

在這些部件中，絕緣端片的厚度達(dá)到6 mm～8 mm，在這個(gè)厚度下，可視作完全絕緣，即電路斷開(kāi)；另一方面，螺栓孔與螺栓之間留有較大的間隙，因此套管部分同樣可以視作斷路，可將線路簡(jiǎn)化視作圖3。

圖3 膠接絕緣接頭等效電路圖

而未安裝的絕緣夾板同樣可以視作電路如圖4。

圖4 絕緣夾板等效電路圖

根據(jù)上述等效電路圖可以看出，安裝后的絕緣接頭對(duì)比未安裝的絕緣夾板，相當(dāng)于電阻并聯(lián)的關(guān)系，在假設(shè)絕緣層的絕緣性能固定且穩(wěn)定的情況下，假設(shè)絕緣層的電阻值為RZ，按照?qǐng)D4，絕緣夾板兩槽板之間的電阻值RJ=2RZ；安裝后的絕緣接頭可以視作絕緣層之間成并聯(lián)關(guān)系，接頭的電阻值可以計(jì)算出可見(jiàn)，當(dāng)膠接絕緣接頭安裝之后，其電阻值僅未安裝的絕緣夾板的一半。也正因此，鐵標(biāo)中對(duì)絕緣夾板的絕緣性能要求是絕緣接頭的兩倍。

1.2 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)應(yīng)狀況

鐵標(biāo)對(duì)膠接絕緣接頭的絕緣性能提出了相當(dāng)高的要求，尤其是在干燥狀態(tài)下電阻值大于10 MΩ的要求，不僅在制作工藝上要求高，同時(shí)對(duì)測(cè)量的工具和環(huán)境也有相當(dāng)高的要求；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的安裝和貯藏環(huán)境，對(duì)絕緣接頭電阻值進(jìn)行測(cè)量時(shí)，往往會(huì)無(wú)法達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上這是由于運(yùn)輸、貯藏的方式和環(huán)境對(duì)膠接絕緣接頭的狀態(tài)有非常大的影響。對(duì)于干燥狀態(tài)的電阻值測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，必須在測(cè)量時(shí)保證環(huán)境濕度低，并且產(chǎn)品表面不能沾上各類(lèi)導(dǎo)電液體，為此，鐵標(biāo)還規(guī)定了在生產(chǎn)制造環(huán)境下的濕度不能大于60%的要求。對(duì)于附帶槽型鋼板的夾板而言，根據(jù)絕緣膠層的性質(zhì)，為了保證絕緣層的力學(xué)性能，其絕緣層厚度一般相對(duì)較薄，這種情況下如果濕度過(guò)大或者在貯藏運(yùn)輸過(guò)程中表面積水，就有極大的可能使槽板和魚(yú)尾板由于銹蝕、潮濕、積水等原因聯(lián)通，致使絕緣層的電阻值下降。

在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，往往沒(méi)有測(cè)量干燥狀態(tài)電阻的環(huán)境條件，尤其在南方潮濕地區(qū)，安裝在線路上的絕緣接頭往往是潮濕的，故測(cè)量時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況判斷絕緣接頭的狀態(tài)，選擇相符的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

2 檢驗(yàn)工具

鑒于絕緣夾板的電阻值要求相當(dāng)高，干燥狀態(tài)下達(dá)到20 MΩ以上，按照鐵標(biāo)要求應(yīng)當(dāng)使用500V兆歐表進(jìn)行測(cè)量。

潮濕狀態(tài)下，接頭的電阻值會(huì)急劇下降，此時(shí)如果使用500 V兆歐表進(jìn)行測(cè)量，由于加載電壓過(guò)高，無(wú)法測(cè)量出該狀態(tài)下的電阻值，測(cè)量結(jié)果趨向于0 Ω。且有擊穿絕緣層的風(fēng)險(xiǎn)。

因此應(yīng)使用不低于10 V的萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量。

而在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，電務(wù)部門(mén)對(duì)于已經(jīng)安裝的線上絕緣接頭，已經(jīng)接通了軌道信號(hào)電路，則使用相應(yīng)的在線電阻測(cè)試儀。

對(duì)于已經(jīng)安裝在軌道上，接通軌道信號(hào)電路的膠接絕緣接頭，利用在線電阻測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)其原理不同，在線電阻測(cè)試儀有兩種方式。

2.1 利用反向放大器設(shè)計(jì)的在線電阻測(cè)試儀

此類(lèi)電阻測(cè)試儀原理上使用反向放大器“虛短”的特性來(lái)排除電路中待測(cè)電阻以外電器件的影響，其原理圖見(jiàn)圖5。

圖5 反向放大器測(cè)量原理圖

如圖5所示，將復(fù)雜的線上回路等效為虛線框中的三個(gè)電阻，RX為待測(cè)電阻；該測(cè)試方法中，關(guān)鍵在于利用反向放大器的特性，c點(diǎn)接地的情況下，由于a與c“虛短”，可知a點(diǎn)“虛地”，因此Va=Vc=0，因此R1兩端電勢(shì)差為0，R1“虛斷”，故不分流。R2可視作為運(yùn)算放大器的負(fù)載電阻，亦不分流。由此可以根據(jù)反向放大器的性質(zhì)得到Ux：E=Rx：R0，因此只要測(cè)量出Ux的值，就可以計(jì)算出Rx的阻值。

2.2 分析軌道信號(hào)電路的有源式在線電阻測(cè)試儀

該類(lèi)型的測(cè)試儀采用無(wú)源感應(yīng)+接觸式的方式接受軌道電路的輸入信號(hào)，通過(guò)讀取分析出通過(guò)絕緣節(jié)的電路信號(hào)信息，隨后將分析得到的信息傳入DSP處理器，處理器會(huì)按照預(yù)設(shè)的運(yùn)算方法對(duì)讀取的電路信號(hào)進(jìn)行計(jì)算數(shù)字化，隨后將數(shù)據(jù)引入濾波器中，利用濾波器將原軌道信號(hào)的影響濾除；同時(shí)測(cè)試儀本身在絕緣節(jié)兩端加載一個(gè)高頻測(cè)量信號(hào)，為了避免干擾軌道信號(hào)，該頻率遠(yuǎn)大于軌道信號(hào)；在濾波器濾除的軌道信號(hào)本身的干擾后，測(cè)試儀加載的測(cè)量用信號(hào)的有效電壓已知，通過(guò)接觸式表筆測(cè)試讀取電流值，再傳入DSP處理器分析得到有效電流，隨后可以計(jì)算出絕緣節(jié)的電阻值。

DSP對(duì)采集到的信號(hào)信息分析計(jì)算一般采用以下方法。

根據(jù)等效電壓的原理，交流電壓加載于負(fù)載電阻上產(chǎn)生的熱量，與等效直流電壓在負(fù)載電阻上產(chǎn)生的熱量相等。

據(jù)此等效電壓的值可以通過(guò)下式計(jì)算得出：

在DSP的計(jì)算中，將積分的運(yùn)算近似成平均值的計(jì)算，以便于運(yùn)用接收器采樣的多個(gè)等間隔信息數(shù)據(jù)，因此DSP中對(duì)電壓的計(jì)算公式如下：

同理，運(yùn)用等效電流的原理，通過(guò)負(fù)載電阻的交流電流所產(chǎn)生的焦耳熱量，與等效直流電流通過(guò)負(fù)載電阻產(chǎn)生的熱量相等。

電流的有效值計(jì)算式整理后可得：

同樣在DSP中將積分運(yùn)算轉(zhuǎn)換成平均值計(jì)算得到：

最終確定電阻值：

不難看出，由于DSP中進(jìn)行運(yùn)算的有效值，實(shí)際上是從積分式近似出來(lái)的平均值，故在設(shè)置測(cè)試儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣工作時(shí)，有必要控制采樣間隔與被采樣信號(hào)頻率之間的關(guān)系，以避免造成采樣數(shù)據(jù)不全面而造成誤差偏大；例如當(dāng)采樣間隔與信號(hào)的波長(zhǎng)成整數(shù)倍的關(guān)系時(shí)，可能會(huì)得到每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)都相同的情況，此類(lèi)情況將極大得影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 分析軌道信號(hào)電路的無(wú)源式在線電阻測(cè)試儀

該類(lèi)型的測(cè)試儀與有源式的在線電阻測(cè)試儀區(qū)別在于，測(cè)試儀本身不產(chǎn)生電信號(hào)，而是利用軌道既有信號(hào)來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算，在測(cè)量時(shí)，首先利用無(wú)源感應(yīng)+接觸式的方式采集軌道信號(hào)，讀取分析通過(guò)絕緣節(jié)的信號(hào)信息，包括傳入信號(hào)的頻率，電壓值和電流值，然后將信息分量引入DSP處理器來(lái)計(jì)算出有效電壓和有效電流，從而獲得絕緣節(jié)的電阻值。因此該類(lèi)型絕緣測(cè)試儀需要接受來(lái)自軌道電路的輸入。

由此可見(jiàn)，各類(lèi)在線電阻測(cè)試儀，由于原理各異，使用測(cè)量時(shí)所必須關(guān)注的方式也不同，在測(cè)量過(guò)程中要注意使用正確的量程、方式和接線法，從而保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 檢驗(yàn)方式

3.1 500 V兆歐表

500 V兆歐表用于測(cè)量未安裝的絕緣夾板和已經(jīng)安裝但是未接通軌道電路的絕緣接頭，方法是用兩表筆分別連接待測(cè)電阻兩端（即絕緣夾板的兩槽型鋼板和絕緣接頭的兩端鋼軌），按一定速率手搖兆歐表?yè)u桿形成測(cè)量電壓，控制好搖桿的轉(zhuǎn)速保證電壓達(dá)到一定水準(zhǔn)（一般為每分鐘六十轉(zhuǎn)左右），然后即可從表頭讀出二者之間的電阻值，由于兆歐表的測(cè)量范圍很大（0 MΩ～500 MΩ），所以不適合測(cè)量過(guò)小的電阻，其精度等級(jí)也比較低。

3.2 萬(wàn)用電表

萬(wàn)用電表用于測(cè)量潮濕狀態(tài)下未安裝的絕緣夾板和已安裝但未接通軌道電路的絕緣接頭，表筆的接法和兆歐表相同，測(cè)量前應(yīng)先將量程調(diào)節(jié)至需要的測(cè)量范圍；由于潮濕狀態(tài)的絕緣夾板的電阻值要求大于2 000 MΩ，故將量程調(diào)制“×100”檔即可，對(duì)于絕緣性能較好的夾板，可以選用“×1k”檔；隨后將雙表筆對(duì)碰校準(zhǔn)零位，然后再將表筆和待測(cè)絕緣電阻并接，即可從表頭讀出電阻值。

3.3 在線電阻測(cè)試儀（反向放大器原理）

利用反向放大器原理的在線電阻測(cè)試儀，用于測(cè)量在線電阻，在測(cè)試時(shí)不僅要注意將表筆并接至兩端，還必須將方向放大器接地，達(dá)到原理中“虛地”位置電勢(shì)為零的狀況。隨后讀出顯示的電阻值。

3.4 在線電阻測(cè)試儀（軌道電路分析原理）

無(wú)論是有源式的在線電阻測(cè)試儀還是無(wú)源式的在線電阻測(cè)試儀，都必須對(duì)軌道電路進(jìn)行讀取和分析，因此該類(lèi)型的在線電阻測(cè)試儀不適合離線使用。

4 測(cè)量過(guò)程中的問(wèn)題

由于在線路上情況復(fù)雜，需要測(cè)量的對(duì)象各不相同，種類(lèi)繁多的測(cè)量工具也有其在測(cè)量過(guò)程中的問(wèn)題，在實(shí)際操作時(shí)往往會(huì)有使用方式不當(dāng)?shù)那闆r發(fā)生，本文僅對(duì)膠接絕緣接頭的測(cè)量中遇到的一些問(wèn)題進(jìn)行分析。

4.1 量程選擇不正確

在工作中量程選擇不正確往往不是對(duì)測(cè)量工具的使用理解不到位造成的，而是對(duì)測(cè)量對(duì)象的要求標(biāo)準(zhǔn)不明確造成的。正如鐵標(biāo)中對(duì)膠接絕緣接頭的要求，干燥狀態(tài)與潮濕狀態(tài)的電阻值要求分別是10 MΩ和1 000 Ω，可見(jiàn)其差距非常之大，如果利用萬(wàn)用電表測(cè)量干燥狀態(tài)的電阻值，其值趨于無(wú)窮大，卻因?yàn)榱砍滩粔蜻h(yuǎn)無(wú)法測(cè)量其電阻值是否達(dá)標(biāo)；若使用兆歐表測(cè)量潮濕狀態(tài)的電阻值，由于量程過(guò)大，表頭的讀數(shù)無(wú)法精讀，并趨于0，甚至有可能因?yàn)殡妷哼^(guò)大產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。

量程選擇不正確還出現(xiàn)在在線電阻的測(cè)量中，一部分手持式的有源式在線電阻測(cè)試儀工作電壓僅7 V～9.5 V，量程僅100 Ω，該類(lèi)型的測(cè)試儀不適用于測(cè)量絕緣接頭。

4.2 測(cè)量過(guò)程中未接地

在使用反向放大器原理的在線電阻測(cè)試儀時(shí)，按照要求需要接地，上文中分析了反向放大器的測(cè)量原理，可見(jiàn)，由反向放大器“虛短”的特性帶來(lái)的“虛地”是計(jì)算公式中非常重要的一環(huán)；保證a點(diǎn)與c的電勢(shì)為零是測(cè)量結(jié)論成立的重要依據(jù)。如果測(cè)量時(shí)不進(jìn)行接地，Va=Vc≠0，算式結(jié)論則變成Ux=Vb-Vc；Ux：（E-Va）=Rx：R0；由于Va與Vc的值未知，測(cè)量結(jié)果將不準(zhǔn)確。

4.3 測(cè)量工具與待測(cè)電阻的狀態(tài)不匹配

電阻測(cè)量工具除了量程不同外，還有測(cè)量在線與線下電阻的區(qū)別，常見(jiàn)的電阻測(cè)量工具例如萬(wàn)用電表，在測(cè)量電阻時(shí)就必須離線測(cè)試；因?yàn)闇y(cè)量電阻的原理大多運(yùn)用電壓與電流的比值來(lái)計(jì)算電阻，需要將待測(cè)電阻保持于一個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)，于其兩端附加已知的電壓，測(cè)算電流來(lái)獲得電阻值；此過(guò)程中如果電阻在線，處于通電狀態(tài)，不僅電流值得疊加會(huì)讓測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，附加的電壓也可能會(huì)影響原本電路的正常運(yùn)作。

使用在線電阻測(cè)試儀對(duì)獨(dú)立電阻進(jìn)行測(cè)量也可能帶來(lái)問(wèn)題，這與測(cè)量工具所使用的測(cè)量原理相關(guān)；在反向放大器原理中，是利用“虛短”的方式將等效電路中除待測(cè)電阻外的部分“虛斷”，因此測(cè)量獨(dú)立電阻時(shí)反向放大器的應(yīng)用原理依然成立，故此原理的測(cè)試儀可以用于測(cè)量獨(dú)立電阻，且誤差會(huì)變小。

而利用鐵路信號(hào)的測(cè)試儀在使用時(shí)就不適用于測(cè)量獨(dú)立電阻了，在無(wú)源式的測(cè)試儀中我們不難發(fā)現(xiàn)，要點(diǎn)在于利用軌道電路中的既有信號(hào)，根據(jù)鐵標(biāo)，軌道電路發(fā)送器空載時(shí)的輸出電壓可達(dá)172V～180V，此電壓的強(qiáng)度足夠測(cè)量10MΩ的絕緣接頭；由于測(cè)試儀本身不產(chǎn)生信號(hào)，如果使用此類(lèi)在線電阻測(cè)試儀對(duì)未安裝的絕緣夾板進(jìn)行測(cè)量，顯然會(huì)由于沒(méi)有輸入信號(hào)致使DSP處理器缺少必要的信息來(lái)測(cè)算電壓電阻的有效值，從而無(wú)法測(cè)量出電阻值。

另一類(lèi)有源式的測(cè)試儀，其優(yōu)勢(shì)主要在于加載的信號(hào)為測(cè)試儀內(nèi)設(shè)的信號(hào)，由于其本身測(cè)算不依賴于軌道電路；通過(guò)濾波處理后，軌道電路對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響非常小。而同時(shí)此類(lèi)電阻測(cè)試儀--尤其手持式的電阻測(cè)試儀，往往還存在電壓輸出值不足的問(wèn)題，部分手持式的測(cè)試儀電阻量程僅0 Ω～100 Ω，顯然不適合用于測(cè)量絕緣接頭這一類(lèi)阻抗較大的電阻測(cè)量工作；同時(shí)由于信號(hào)接收端直接影響濾波器的工作，如果接受不準(zhǔn)確或者不完全，濾波器反而會(huì)影響正常的測(cè)量過(guò)程，故不推薦將此類(lèi)測(cè)試儀用于離線電阻的測(cè)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

膠接絕緣接頭看似簡(jiǎn)單，但作用重要，其絕緣指標(biāo)要求高，現(xiàn)場(chǎng)安裝狀況復(fù)雜，因而配套了各類(lèi)用途不一的測(cè)試工具，應(yīng)當(dāng)根據(jù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，使用恰當(dāng)?shù)臋z測(cè)手段進(jìn)行絕緣檢測(cè)，不應(yīng)盲目得將不同情況下的測(cè)量方法任意混用和照搬，測(cè)試儀的使用應(yīng)當(dāng)按照說(shuō)明書(shū)的要求，如此，絕緣檢測(cè)才有其合理的意義。