電氣化鐵路牽引回流對鋼軌磁化的影響研究

摘" 要： 針對鋼軌產生異常剩磁的現象，建立機車牽引回路三維有限元模型，對鋼軌磁化原因進行仿真分析。研究結果表明：機車正常運行時，接觸線在鋼軌處產生的磁場及鋼軌之間互相耦合產生的磁場均小于0.05 mT，遠小于實地測量的鋼軌剩磁10 mT，影響可以忽略不計；機車牽引電流幅值突變時，鋼軌表面產生的磁場可達0.66～0.68 T，該磁場大小經等效計算接近自動過分相區地面磁鋼的最小磁場大小1.1 T，從而可能導致機車主斷路器異常跳變。

關鍵詞： 電氣化鐵路； 牽引回流； 鋼軌； 磁化； 剩磁有限元仿真； 接觸線電流

中圖分類號： TN03?34； U228" " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）10?0182?05

Effect of traction return current on rail magnetization in electrified railways

Abstract： In allusion to the phenomenon of abnormal remanence of rail， a three?dimensional finite element model of locomotive traction circuit is established to simulate and analyze the cause of rail magnetization. The results indicate that during normal operation of the locomotive， the magnetic field generated by the contact wire at the steel rail and the magnetic field generated by mutual coupling between the steel rails are both less than 0.05 mT， far less than the residual magnetic field of the steel rail measured in the field of 10 mT， and the impact can be ignored. When the amplitude of locomotive traction current suddenly changes， the magnetic field generated on the surface of the steel rail can reach 0.66～0.68 T. The magnetic field size is equivalent to the minimum magnetic field size of 1.1 T for automatic passing by means of the phase zone ground magnetic steel， which may cause abnormal jumping of the locomotive main circuit breaker.

Keywords： electrified railways; traction reflux; steel rails; magnetization; remanence finite element simulation; contact wire current

0" 引" 言

在供電方式為直接供電的電氣化鐵路中，軌道不設置回流線，電力牽引區段的鋼軌作為牽引電流的回路傳送牽引電流，由接觸網?電力機車?鋼軌?牽引變電所組成閉合回路，如圖1所示。

機車在長距離行駛的過程中，會經過不同的牽引變電所的供電區，在兩個牽引變電所的交接處設有自動過分相區。為了防止相間短路，自動過分相區禁止通電，機車在此區間需自主完成主斷路器的斷開與閉合動作。在自動過分相區的入口與出口處均設置埋地磁鋼，機車頭部裝有感應器，當機車經過磁鋼時，感應器就會接收到磁信號并發出脈沖信號，傳輸到微機系統，控制主斷路器的開斷。機車行駛過程中，若鋼軌表面異常剩磁大于車感器的感應閾值，則車感器也可感應到該信號，從而導致機車主斷路器的異常跳變，對機車正常運行產生影響。經現場測量發現了發生主斷路器異常跳變的地點，鋼軌多處點位出現較大磁場，最高可達10 mT，且對鋼軌進行消磁處理一段時間內，該點位剩磁又反復出現。因此，研究出鋼軌磁化原因對于主斷路器異常跳變事故的預防和改善具有重要意義。

電氣化鐵路的電磁環境非常復雜，其中來自外部和內部的干擾源常常會影響軌道電路及機車設備的正常工作。鐵路鋼軌的干擾源如圖2所示。

圖中，外部干擾源主要來自沿線供電設施和自然環境，其中沿線設施的距離較遠、影響較小，而雷電脈沖等屬于偶然事件，故外部環境的干擾暫不予考慮。在鐵路內部干擾中，感應耦合主要是對軌道信號設備產生影響，產生的磁場數量級遠遠小于實測的鋼軌剩磁，故主要考慮傳導性干擾對鋼軌的影響。電氣化鐵路的牽引電流幅值往往在幾百到一千安培，在正常工作狀態下，回流電流產生的交變磁場會將鋼軌反復磁化消磁，對鋼軌產生的影響有限。機車在升降弓、加速制動以及弓網離線等工況時，牽引電流幅值會發生波動（即產生幾倍于正常工況的脈沖電流），導致牽引電流正負周期產生的磁通無法完全抵消，從而使得鋼軌產生較大的剩磁。近年來，機車主斷路器異常跳變的事故時有發生。陳秉航通過對3起CRH1型動車組主斷路器異常跳變事件的分析，得到故障發生原因并提出了相應措施[1]。李騰等對大秦線機車VCB異常跳變事故原因是進行了測試及仿真分析，分析出事故原因備用軌產生的剩磁對車感器裝置產生了干擾，并對車感器提出了改進措施[2]。王本濤等人對SS7E型機車的主斷路器發生跳變的原因進行分析，分析出事故原因為軌道異常磁信號對車感器的干擾，并通過在車感器中加入濾波電路的方法基本杜絕了該類事件的再次發生[3]。

目前，對于主斷路器異常跳變原因的研究較多，但其中鋼軌剩磁對機車主斷路器異常跳變的影響研究較少，所以研究鋼軌產生剩磁的原因，對于鋼軌異常磁化的預防和治理具有重要的意義。文中基于有限元磁場仿真對鋼軌的磁化原因進行了探究，分析了可能存在的干擾因素，最終得出了鋼軌產生剩磁的原因。

1" 鋼軌的磁化原理

鋼軌由磁性材料鑄成，內部可分為許多小區域，小區域內原子磁矩排列一致，這些小區域稱為磁性物體的磁疇。鋼軌內部的磁疇指向不一致，對外不顯示磁性。給鋼軌施加一定強度的磁場，磁疇的磁矩在外部磁場的作用下指向一致，鋼軌便會帶有磁性，該過程稱為鋼軌的磁化。磁性物體的磁滯回線如圖3所示。圖3中，橫坐標表示外加磁場強度大小，縱坐標為磁性物體的磁感應強度大小，從原點到P1點的過程即為磁性物體的磁化過程。當撤去外部磁場時，物體內部的磁感應強度不會完全消失，而是保留一定的磁感應強度，該磁感應強度的大小稱為剩磁Br，這也是鋼軌帶有剩磁的原因。若對帶有剩磁的磁性物體繼續添加反向磁場，當到達磁場強度Hc時，物體剩磁降至零，則把Hc稱為矯頑力。該變化曲線稱為磁性物體的磁滯回線。

2" HXD3C型機車牽引回路仿真

2.1" 接觸線電流影響仿真分析

根據TB/T 1407—1998《列車牽引計算規程》可知，HXD3C機車額定牽引電流為380 A，鋼軌磁化曲線設置如圖4所示，建立的接觸線與鋼軌的回流模型如圖5所示。軌間間距為1 435 mm，接觸線直徑設置為14 mm，距離鋼軌頂部表面6 m，接觸線與鋼軌長度設置為1 m。車體寬度和高度設置為3.3 m，材料設置為鋁合金。因牽引電流頻率為50 Hz，波長為6 000 km，遠大于機車及軌道尺寸，故仿真環境為準靜態磁場。仿真結果如圖6所示，所測量的數據為鋼軌表面的中心線磁感應強度的大小。接觸線因距離鋼軌較遠且車體自身的屏蔽作用，在鋼軌表面產生的磁場不足0.05 mT，遠小于實地測量的鋼軌剩磁10 mT，故接觸線電流對鋼軌的磁化可忽略不計，后續仿真不再考慮接觸線的影響。

2.2" 鋼軌間互耦影響仿真分析

牽引電流在鋼軌上回流的過程中，鋼軌作為回流通路，會在工頻電流通過的時候產生交變磁場。在電磁仿真軟件中建立一對1 m長的鋼軌模型，如圖7所示，軌間間距為1 435 mm，僅對其中一根鋼軌注入190 A的電流，來驗證鋼軌回流時產生的交變磁場對另一根鋼軌的影響。

仿真結果如圖8所示，所測量的數據為鋼軌表面的中心線磁感應強度的大小。兩鋼軌因間距較遠，磁場衰減較大，其中一根鋼軌在另一根鋼軌表面產生的磁場小于0.05 mT，遠小于實地測量的鋼軌剩磁10 mT，故兩鋼軌間相互磁化的影響可忽略不計。

2.3" 鋼軌回流幅值突變仿真分析

仿真結果如圖10所示。由圖10可知，牽引電流幅值突變時，鋼軌表面產生的磁場大小為0.66～0.68 T。由鐵路行業標準TB/T 3197—2018《列車過分相系統車載控制自動過分相裝置》對機車自動過分相區的相關要求可知，地面磁鋼最低剩磁為1.1 T，機車通過磁鋼的最低速度為10 km/h。

車感器、鋼軌及地面磁鋼的布局如圖11所示。

圖中，車感器安裝在車頭部位也即鋼軌外側，與鋼軌內側的水平距離為（335±15）mm，垂直距離為（110+10）mm。為研究牽引電流通過鋼軌回流時，鋼軌表面產生的磁場能否達到車感器的感應閾值，從而造成車感器的誤動，需將鋼軌表面的磁場等效轉換到地面磁鋼的點位處。車感器線圈通過切割地面磁鋼產生的磁場，產生感應電壓，從而通過微機電路控制主斷路器的異常跳變。

由法拉第電磁感應定律可知，感應電壓值與磁感應強度、線圈長度和機車運行速度有關。磁場的衰減程度與距離的平方成反比，且等效后的磁場還要轉化為垂直分量。設鋼軌表面的磁場大小為B1，等效到地面磁鋼點位的磁場大小為B2，公式如下：

式中：v1為機車正常運行速度，取60 km/h；v2為機車通過磁鋼的最低速度，取10 km/h；d1為鋼軌表面到車感器的直線距離，值為352.6 mm；d2為車感器到磁鋼的垂直距離，值為286 mm；[θ]為鋼軌側面縱向軸線和感應器縱向軸線的夾角，約為61°。最終計算出鋼軌表面磁場B1等效到地面磁鋼點位后的磁場B2接近地面磁鋼所要求的最小磁場為1.1 T。再加之動車組運行過程中的顛簸搖晃，以及在拐彎和通過道岔時會產生角度的偏移，就可能會使感應器感應到超過感應閾值的電壓，從而使得主斷路器發生異常跳變。

3" 結" 論

本文建立一個HXD3C機車牽引回路模型，對接觸線及鋼軌模型注入電流進行有限元仿真分析，仿真結果如下。

1） 接觸線電流的影響和鋼軌間互耦在鋼軌表面產生的磁場遠小于實地測量的鋼軌磁場，可忽略不計。

2） 牽引電流幅值突變時，鋼軌表面產生的磁場等效到地面磁鋼點位后，接近地面磁鋼所要求的最小磁場大小，從而可能導致機車主斷路器的異常跳變。

該結論對鋼軌異常磁化的預防和治理具有重要的意義。

參考文獻

[1] 陳秉航.CRH1型動車組自動過分相故障控制措施研究[J].鐵道機車車輛，2020，40（2）：82?85.

[2] 李騰，李立峰，馬春蓮，等.重載鐵路牽引回流對過分相感應裝置的影響研究[J].電氣化鐵道，2022，33（4）：84?91.

[3] 王本濤，葉鵬.SS7E型機車特殊的跳主斷故障及解決措施[J].鐵道機車車輛工人，2011（1）：21?24.

[4] 楊曉麗，趙弘，王維斌，等.基于響應面法的油氣管道磁化特征研究與退磁[J].石油機械，2019，47（3）：111?116.

[5] 劉思然，陳劍云，樂果.考慮鋼軌鐵磁特性的牽引網阻抗頻變參數矩陣計算[J].華東交通大學學報，2018，35（4）：97?105.

[6] BUSH S P， CABATO N L， GOMES A D， et al. System for joining polarization?maintaining optical fiber waveguides： United States， US06984077B2 [P]. 2006?01?10 [2023?04?09].

[7] LI W， ZHOU L， CHEN T， et al. Analysis of traction reflux characteristics of EMU and improvement of its protective grounding system [J]. IEEE transactions on transportation electrification， 2022， 8（2）： 2736?2745.

[8] ZHU C， ZHENG Z， DU G， et al. Simulation method of DC traction power systems with complex operation conditions based on unified chain model [C]// 2020 IEEE 9th International Power Electronics and Motion Control Conference. [S.l.]： IEEE， 2020： 846?852.

[9] ZHENG Z， DU G， HUANG W， et al. Coupling effect of reflux safety parameters in main line and depot of multitrain DC traction power systems [J]. IEEE transactionson transportation electrification， 2021， 8（1）： 527?541.

[10] WIKKERINK D， MOR A R， POLINDERH，et al. Magnetic signature reduction by converter switching frequency modulation in degaussing systems [J]. IEEE access， 2022， 10： 74103?74110.

[11] NG A K， MARTUA L， SUN G. Dynamic modelling and acceleration signal analysis of rail surface defects for enhanced rail condition monitoring and diagnosis [C]// 2019 4th International Conference on Intelligent Transportation Engineering （ICITE）. [S.l.]： IEEE， 2019： 69?73.

[12] 徐展，鐘選明，廖成.電氣化鐵路隧道激光除冰研究[J].現代電子技術，2023，46（14）：28?32.

[13] 焦雙健，劉東，王超.基于改進SSD的鐵路障礙物檢測研究[J].現代電子技術，2023，46（2）：57?64.

[14] 宋莉，劉伯鴻.基于GPRS無線通信的鐵路LED信號燈故障檢測[J].現代電子技術，2019，42（19）：28?31.

[15] 王向榮，石廣田.基于SS4G電力機車主電路PFC的諧波抑制仿真[J].現代電子技術，2022，45（11）：113?117.