李 騰,李立峰,馬春蓮,曹 奕
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(yùn)專線鐵路,也是中國境內(nèi)首條雙線電氣化重載鐵路、首條煤運(yùn)通道干線鐵路,全長約660 km。該鐵路多采用和諧型電力機(jī)車與C80系列貨運(yùn)車輛組成的重載列車,重載運(yùn)營速度80 km/h(空載速度90 km/h),最大牽引質(zhì)量2~3萬噸,運(yùn)能達(dá)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(qū)所中部的景忠山隧道口附近非分相區(qū)出現(xiàn)機(jī)車車載 VCB(真空斷路器)頻繁跳閘導(dǎo)致列車停運(yùn)的事故。該誤跳閘事故在備用軌放置了十余天時(shí)開始發(fā)生,且與機(jī)車車型無關(guān),說明事故主要與過分相感應(yīng)裝置有關(guān),拾取了非分相區(qū)的干擾信號,從而產(chǎn)生誤動。2005年,大秦線的韶山機(jī)車也出現(xiàn)了誤跳閘的情況,之后裝置增加了50 Hz以上頻率的數(shù)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(yīng)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(jī)車車載VCB誤跳閘事故進(jìn)行原因分析,并對比分析2種過分相感應(yīng)裝置,提出治理措施。
大秦線是全并聯(lián)AT供電方式的重載鐵路,負(fù)載大,機(jī)車取流大,2萬噸級以上的負(fù)荷功率可達(dá)28 MW。由于大秦線欠缺綜合接地網(wǎng),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(xiàn)的機(jī)車車載VCB于非分相區(qū)頻繁跳閘導(dǎo)致列車停運(yùn),初步分析是由于走行軌內(nèi)較大的電流所引發(fā)。
大秦線磁感應(yīng)式自動過分相系統(tǒng)主要由地面鋪設(shè)的磁性設(shè)備以及列車上安裝的感應(yīng)器、主機(jī)、硬件電路組成,通過鐵磁線圈感應(yīng)器感應(yīng)軌道兩側(cè)地面磁場信號獲得分相區(qū)位置后發(fā)送過分相信號給列車。引起VCB跳閘是由于感應(yīng)器接收到強(qiáng)度類似于嵌入在軌枕內(nèi)的永磁鐵地面磁性設(shè)備的場強(qiáng),致使其誤以為抵達(dá)分相區(qū)而引發(fā)VCB跳閘。圖1顯示了磁性設(shè)備的埋設(shè)方式,可知在列車運(yùn)行方向上,當(dāng)車載控制設(shè)備感應(yīng)到兩個距離約170 m、接近于磁性設(shè)備的磁場強(qiáng)度時(shí),才產(chǎn)生跳閘信號。

圖1 地感器的埋設(shè)方式(單位:m)
根據(jù)地面磁性設(shè)備的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(QB/JCW 01—2007)[2],在磁性設(shè)備表面上方,距鋼軌表面垂直距離110 mm,距鋼軌內(nèi)側(cè)工作邊水平距離335 mm,即內(nèi)側(cè)工作邊水平距離200 mm,當(dāng)測量的磁場強(qiáng)度不小于36 Gs,才認(rèn)為該磁性設(shè)備滿足使用要求,如圖2所示。下文將通過測量和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行磁場強(qiáng)度分析,找出引發(fā)VCB跳閘的原因。

圖2 地面磁性裝置正常工作參數(shù)(單位:mm)
采用TD8220軟磁直流測試系統(tǒng)對鋼軌的磁特性進(jìn)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(shù)等。
沖擊法通過沖擊檢流計(jì)測量環(huán)形樣品的磁化曲線、磁滯回線等,并變換電路開關(guān)使其產(chǎn)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(jì)得到測量回路中感應(yīng)電流產(chǎn)生的電量。電子積分器測磁場的原理為根據(jù)電磁感應(yīng)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(yīng)強(qiáng)度,其通常用直流產(chǎn)生穩(wěn)定磁場,通過定量增加或減小勵磁電流來改變磁場,逐點(diǎn)測量靜態(tài)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(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度B,縱坐標(biāo)為磁場強(qiáng)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(jù)圖中所示的磁滯回線及式(1),可以推導(dǎo)出各材料的相對磁導(dǎo)率。

式中:μi為相對磁導(dǎo)率,是被測材料的磁導(dǎo)率μ和真空磁導(dǎo)率μ0的比值,無量綱,可通過非飽和區(qū)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(dǎo)率為 315,75號鋼材的相對磁導(dǎo)率為990。
由上述推導(dǎo)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(biāo)交點(diǎn)的磁場強(qiáng)度值)較大,相對磁導(dǎo)率較小,本征矯頑力μHc(磁滯回線與橫坐標(biāo)交點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)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。
復(fù)線全并聯(lián)AT供電方式在每個AT所和分區(qū)所將上下行AT牽引網(wǎng)的接觸線、鋼軌以及正饋線通過橫聯(lián)線進(jìn)行并聯(lián),從而進(jìn)一步減少電壓損失,降低牽引網(wǎng)阻抗及軌內(nèi)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(cè)軌相連的扼流變線圈電流、橫聯(lián)線(兩個扼流變流器中性點(diǎn)連接線)電流和吸上線(N線)電流,圖5所示為實(shí)測電流波形。

圖4 走行軌回流測試示意圖
根據(jù)測試數(shù)據(jù)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(lián)線電流和吸上線電流符合基爾霍夫電流定律,加和為零。當(dāng)下行重載行車時(shí),電流多呈現(xiàn)大幅值的雙峰形狀(如圖5中紅線圈內(nèi));而上行空載行車時(shí),電流多呈現(xiàn)低幅值單峰形狀(如圖5中藍(lán)線圈內(nèi))。此外,波形的峰值形狀較復(fù)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(lián)線交匯流入兩側(cè)支柱的吸上線。

圖5 實(shí)測電流波形
此外,還在粳子峪分區(qū)所測量了自耦變壓器中性點(diǎn)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(jī)車位置成反比,即機(jī)車行進(jìn)至 AT所/分區(qū)所時(shí),AT變的吸上電流最大,此時(shí)AT所/分區(qū)所里的吸上電流也接近鋼軌最大電流值。圖7所示為實(shí)測粳子峪分區(qū)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(qū)所吸上電流及其諧波
最后,在平谷分區(qū)所附近對鋼軌電位進(jìn)行測試。由于鋼軌對大地為分散半接地狀態(tài)(即通過泄漏電導(dǎo)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(yīng)的地中電流并不大,故地中電流對磁化備用軌的作用有限。
鋼軌電流由傳導(dǎo)分量和感應(yīng)分量兩部分組成,其中傳導(dǎo)分量是由機(jī)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(dǎo)和衰減。根據(jù)單點(diǎn)電流注入鋼軌后電流的分布規(guī)律,可以得到鋼軌傳導(dǎo)電流的分布。此外,“牽引網(wǎng)-大地”回路還在“鋼軌-大地”回路中產(chǎn)生與接觸網(wǎng)電流相位相反的感應(yīng)電流,接觸網(wǎng)上的電流通過接觸網(wǎng)和鋼軌的互感,在鋼軌內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)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(dǎo)分量和感應(yīng)分量兩部分組成:其一是走行軌電流通過互感在其中產(chǎn)生的感應(yīng)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(jīng)過渡電阻逐漸泄入大地,形成地中電流,進(jìn)而流入備用軌。然而,根據(jù)以往的測試結(jié)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(diǎn)研究走行軌回流對周圍磁場的影響。
圖8所示為鋼軌感應(yīng)電流分布。綜合考慮鋼軌中的感應(yīng)電流和傳導(dǎo)電流,其在鋼軌上的分布由牽引變電所和機(jī)車分為3個部分[6]:

圖8 鋼軌感應(yīng)電流分布
當(dāng)x<0時(shí),即在M點(diǎn)左邊,其電流分布為

式中:I0為接觸網(wǎng)中的電流;γ為電流衰減常數(shù);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(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),l為M、N兩點(diǎn)間的鋼軌長度。
當(dāng)0<x<l時(shí),即在M、N點(diǎn)間,電流分布為

當(dāng)x>l時(shí),即在N點(diǎn)右邊,電流分布為

根據(jù)上述計(jì)算式可繪制出機(jī)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(jī)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(jī)車距牽引變電所的距離;x為機(jī)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(jì)算點(diǎn)的位置坐標(biāo);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(nèi)(設(shè)短回路在10~20 km范圍內(nèi),機(jī)車在短回路的6 km處),鋼軌電流在鋼軌上的分布被機(jī)車分為兩部分,如圖10(a)所示。
在長回路內(nèi)(假設(shè)10 km和20 km處有AT所,機(jī)車在16 km處),鋼軌電流在鋼軌上的分布被機(jī)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(nèi)還是長回路中,機(jī)車取流處鋼軌電流最大。經(jīng)進(jìn)一步仿真可知,機(jī)車在距離變電所3 km外的不同位置時(shí),機(jī)車處鋼軌電流的幅值變化不大(鄰近變電所,鋼軌電流會進(jìn)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(jī)車兩側(cè)為反向。由于機(jī)車是運(yùn)動的,鋼軌每一處的電流會由于機(jī)車的移動產(chǎn)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(chǎn)生感生電動勢和渦流。
對比實(shí)測數(shù)據(jù)可知,重載鐵路鋼軌回流最大有效值約為 105 A,且下行時(shí)多為雙峰值。經(jīng)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?cè)×髦档囊话搿R虼耍剌d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(shè)機(jī)車運(yùn)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(jī)車相距2.3 km時(shí)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(shí)間間隔為137 s。經(jīng)對比,理論仿真結(jié)果與實(shí)測相符。

圖13 實(shí)測鋼軌電流雙峰波形擬合
根據(jù)上文測試的走行軌回流數(shù)據(jù),進(jìn)行走行軌和備用軌磁感應(yīng)強(qiáng)度的ANSYS有限元仿真分析。
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(jì)算,通常通過定義矢量磁勢A來進(jìn)行:

根據(jù)上述定義的矢量磁勢A能自動滿足法拉第電磁感應(yīng)定律和磁通連續(xù)性定律,然后與安培環(huán)路定律和高斯定律聯(lián)立,則得到磁勢偏微分方程:

式中:μ為材料的磁導(dǎo)率,采用測試所得數(shù)值;ε為介電常數(shù);?2為空間偏微分算子;J為電流密度。
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(jìn)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(shí)進(jìn)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(jìn)行磁場分析。

圖14 模型
2.2.2 磁場分析
備用軌磁場仿真結(jié)果如表1所示。由表1可知,當(dāng)備用軌和走行軌相距0.5 m時(shí),走行軌內(nèi)50 Hz交流電流達(dá)50 A即可在備用軌處產(chǎn)生30 Gs以上的磁場。而備用軌距離走行軌1 m時(shí),欲產(chǎn)生20 Gs的磁場強(qiáng)度需要電流達(dá)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(yīng)強(qiáng)度B的大小,可知由于兩鋼軌鄰近效應(yīng),電流不再對稱分布在導(dǎo)體表面,而是比較集中在兩導(dǎo)體相對的內(nèi)側(cè)。

表1 備用軌磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真結(jié)果 Gs

圖15 走行軌與備用軌表面磁感應(yīng)強(qiáng)度
2.2.3 備用軌表面磁感應(yīng)強(qiáng)度分析
當(dāng)電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)或鋼軌電流變化時(shí),其周圍會建立起交變磁場,該磁場又會在感應(yīng)器閉合電路中感應(yīng)出感應(yīng)電動勢。根據(jù)表1和幅值變化的實(shí)測鋼軌電流,繪制備用軌表面磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度近似符合線性關(guān)系的結(jié)論。根據(jù)此關(guān)系,結(jié)合圖15和圖13可得圖16,可知備用軌最大的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為100 Gs,且分布在靠近感應(yīng)器一側(cè),該數(shù)值與測得的備用軌磁場實(shí)測數(shù)據(jù)相符。

圖16 備用軌表面磁感應(yīng)強(qiáng)度
因此,當(dāng)電流流經(jīng)走行軌時(shí),走行軌與備用軌表面均會產(chǎn)生磁場,由于感應(yīng)器距離軌面橫向距離為20 cm,由法拉第電磁感應(yīng)定律可得:

式中:E為感應(yīng)電動勢;v為速度,約為20 m/s(72 km/h);L為感應(yīng)線圈長度,約0.2 m。
若列車速度恒定,感應(yīng)電動勢E隨鋼軌電流幅值的變化而變化,在走行軌外側(cè)面可產(chǎn)生約1 T的磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)器,而走行軌外側(cè)面縱向軸線和感應(yīng)器縱向軸線有一61°的夾角,因此在感應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為:1(T)×20 (m/s)×0.2×cos61°≈2 V,接近感應(yīng)器誤動閾值3.3 V。當(dāng)列車在拐彎或遇道岔時(shí),角度的偏移可能會使感應(yīng)器感生出超過閾值的電動勢,從而產(chǎn)生誤動。實(shí)際運(yùn)行中,在道岔等區(qū)域附近往往產(chǎn)生感應(yīng)器的誤動。
由上述仿真分析可知,50 Hz鋼軌電流流經(jīng)走行軌時(shí),將引起備用軌表面一定磁感應(yīng)強(qiáng)度變化,距離越近,影響越大。
由于處于空氣介質(zhì),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(chǎn)生較大的感生電動勢。假設(shè)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(dǎo)線與鋼軌間的互感,與距離d相關(guān)。假設(shè)d為0.4 m,則M約為0.5 mH/10 km[7](大秦線采用無絕緣節(jié)鋼軌軌道),進(jìn)而可以計(jì)算出產(chǎn)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(nèi)瞬間引起渦流阻止磁通的變化,且渦流隨機(jī)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(dāng)機(jī)車移動到備用軌的端部,在端部會由于突然截?cái)喽a(chǎn)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(shí)測數(shù)據(jù)相符。
經(jīng)分析,大秦線機(jī)車車載VCB誤跳閘導(dǎo)致列車停運(yùn)事故的發(fā)生區(qū)段為制動區(qū)段,結(jié)合運(yùn)行區(qū)段地勢和運(yùn)行工況分析,回流方向突變,產(chǎn)生一個較大的暫態(tài)磁場,且長期的相似運(yùn)行工況加強(qiáng)了回流對備用軌端部的磁化作用,長備用軌互感更強(qiáng),磁化更明顯。經(jīng)分析,在兩根鋼軌共同作用下,可能會產(chǎn)生對過分相感應(yīng)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(yīng)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(chǎn)生的干擾,或選取新的磁場感應(yīng)原理以排除回流干擾。
過分相地面磁感應(yīng)裝置原理:電力機(jī)車通過時(shí)會發(fā)出相應(yīng)信號給機(jī)車,通過車載感應(yīng)接收器和過分相控制裝置自動完成電力機(jī)車斷電過分相。電力機(jī)車過分相信號的感應(yīng)、處理由地面磁感應(yīng)器、車載感應(yīng)接收器和過分相控制裝置共同完成。
此次對過分相磁感應(yīng)裝置的測試為沿大秦線全線的測試,同時(shí)采用了基于兩種感應(yīng)原理的過分相裝置,以進(jìn)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(yīng)原理,接收到過分相信號,使數(shù)字脈沖信號的頻率發(fā)生改變;而舊裝置采用傳統(tǒng)的法拉第電磁感應(yīng)原理,電路為模擬電路。使用IMC設(shè)備對每臺裝置的4個通道的電氣量進(jìn)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(yùn)行邏輯:收到T2信號后,開始發(fā)出兩個預(yù)告信號,其間收到T1信號后,裝置發(fā)出強(qiáng)斷信號;過分相后,收到T2信號,開始發(fā)出兩個預(yù)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(shù)字信號量的幅值較大,且T1、T2信號感應(yīng)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(yīng)出一個較小的突變信號,易受干擾。兩者相比較,數(shù)字脈沖式的新裝置不易受干擾,信噪比大,因此數(shù)字式霍爾效應(yīng)電磁感應(yīng)裝置能有效避免鋼軌回流的干擾,具有一定優(yōu)越性。
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(yīng),走行軌會在靠近感應(yīng)器側(cè)產(chǎn)生較大的磁感應(yīng)強(qiáng)度;制動電流反向時(shí)會產(chǎn)生更大的暫態(tài)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(shè)備誤動。此外,備用軌端部剩磁明顯,與實(shí)測數(shù)據(jù)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(yīng)越明顯,使得走行軌靠近感應(yīng)器側(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(yuǎn)離走行軌位置,以減少鄰近效應(yīng)。(2)改造地面磁感應(yīng)系統(tǒng)。由測試結(jié)果可知,霍爾效應(yīng)原理的感應(yīng)裝置信噪比更高,產(chǎn)生誤動的機(jī)率更小。