基于牵引回流的电气化铁道实时断轨检测方法

王语园

（陕西铁路工程职业技术学院，助教，陕西 渭南 714000）

钢轨是铁路运输系统的重要组成部件，如果出现钢轨断裂就有可能造成列车出轨、倾覆等重大行车安全事故，造成人员伤亡和巨额财产损失〔1，2〕。

采取措施预防断轨避免事故的发生，就要研究如何能够及时发现断轨。目前，我国主要使用手推式探伤小车进行人工巡检、大型钢轨探伤车进行定期巡检和采用轨道电路对钢轨进行实时监测等方法进行断轨检测〔3，4〕。人工巡检和探伤车巡检的方法不能及时发现断轨，只有轨道电路可以完成实时断轨检测。然而，随着包括使用全球定位技术、卫星通信和其他通信技术的列控技术的出现，彻底摆脱了依赖钢轨完成列车占用检查和传输机车信号的问题，在取消了轨道电路后，依靠轨道电路的断轨检测功能也随之消失〔5，6〕。需要采用其他断轨检测方法以确保钢轨的完好，为此提出了一种利用钢轨中牵引回流进行断轨检测的方法。

1 交流牵引回流断轨检测原理

电气化铁路供电系统是通过架空接触网供电，用钢轨作为牵引回流电路的组成部分。如果钢轨断裂，牵引回流在这段钢轨中的流动会被阻断，不正常的电流通过轨道之间的横连线达到平衡。如果可以检测到断轨引起的不平衡电流，并且利用这个不平衡电流判断钢轨情况，这种断轨监测系统就是可行的。牵引回流断轨检测原理如图1所示。

图1 牵引回流断轨检测原理图

由图1 可以看出，上下行线路间及钢轨间的横连线将钢轨并联起来，并将钢轨分成若干个区间。电流传感器安装在两条钢轨之间的横连线处，测量两轨之间流过的电流。当钢轨完好时，两轨之间横连线上电流传感器检测到的电流较小。如果其中一条钢轨发生断裂，电阻大大增加，这条钢轨中的牵引回流被阻断，两轨之间电流不平衡，横连线上电流传感器检测到的电流较大，以电流大于某个预设的阀值来判断是否断轨，从而实现断轨的检测。

2 交流牵引回流断轨检测方法

2.1 交流牵引回流断轨检测系统建模 采用MATLAB/Simulink 仿真工具，以交流电气化铁路12 km 轨道为例进行建模，取供电臂长度12 km，等分为6段，每段2 km。“Track”模块表示钢轨，由电阻组成，每个电阻0.18 Ω，代表1 km钢轨电阻。“Substation”模块表示牵引变电所，牵引变电所采用25 kV 工频交流电源，“Train”模块代表机车，牵引电流假定为幅值500 A，即有效值为353.5 A。“Catenary”模块表示接触网，由2个电阻组成，每个电阻0.233 Ω，代表1 km 接触网电阻。每个分段钢轨对地泄漏电阻为50 Ω，上下行轨道之间的横连线电阻为0.005 Ω，变电所位置接地电阻取1 Ω，如图2所示。机车负载采用频率50 Hz、幅值500 A 的交流受控源，牵引变电所为25 kV、50 Hz 的电流源，测量模块测量的是电流有效值。虚线部分省略了相同的模块。

图2 交流牵引回流断轨检测模型示意图

2.2 系统仿真 以交流电气化铁道直接供电方式和带回流线的直接供电方式为例进行仿真。图2是带回流线的直接供电方式牵引回流断轨检测模型，断轨位于“Track 8”模块，C1/1～C2/6 表示两条钢轨之间横连线上电流传感器的读数，以显示不平衡电流的大小。

为了模拟实际运行时的各种情况，下面对不同情况分别进行仿真。在仿真结果中，电流小于1 mA的以0表示。

1）直接供电方式下牵引回流断轨检测。牵引变电所位于左端0 km 位置，列车牵引电流取幅值500 A，断轨位于“Track 8”模块，列车在下行线从左端行驶到右端，在仿真图中列车位置从距左端0 km到12 km变化，C1/1～C1/6读数见表1。

表1 直接供电方式（一列火车，一处断轨）

从表1中可以看出，机车在轨道上运行，可以得到不断变化的不平衡电流值，在断轨附近不平衡电流值最大，在变电所附近不平衡电流值最小。断轨位于机车和变电所之间时，不平衡电流较大，可以明确的检测出断轨。断轨位于机车和牵引变电所之外时，机车向变电所靠近，即远离断轨位置，所测到的不平衡电流逐渐减少，在变电所位置减少为0 A。此时，需要设置不平衡电流阀值来判断是否出现了断轨。

2）带回流线的直接供电方式下牵引回流断轨检测。仿真模型如图2 所示，牵引变电所位于线路左端0 km位置，机车牵引电流取幅值500 A，回流线电阻为0.2 Ω/km，每4 km 与轨道相连。断轨位于“Track8”模块，机车在下行线从左端行驶到右端，在仿真图中列车位置从距左端0 km到12 km变化，C1/1～C1/6读数见表2。

表2 带回流线的直接供电方式（一列火车，一处断轨）

从表2中可以看出，机车在轨道上运行，可以得到不断变化的不平衡电流值，机车在变电所附近时不平衡电流值很小。断轨位于机车和变电所之间时，不平衡电流较大，可以明确地的检测出断轨。

3）机车牵引电流变化的影响。以带回流线的直接供电方式为例，牵引变电所位于左端0 km 处，机车位于右端12 km处，改变机车牵引电流幅值，分表取200 A、400 A、600 A、800 A、1 000 A，C1/1～C1/6读数见表3。

表3 机车牵引电流变化的影响

从表3中可以看出，在机车正常运行时，不论是空载运行还是满载运行，牵引电流值都满足检测断轨的需要，都可以检测出断轨。

4）用电阻代替机车。利用列车经过时产生的牵引回流进行断轨检测，没有实现实时监测功能。在此基础上，以30 Ω的小电阻代替机车沟通牵引回路，可以在没有列车经过时进行断轨检测。牵引变电所位于距左端0 km位置，断轨用图中“Track 8”表示。电阻位置在下行线轨道上变化，C1/1～C1/6 读数见表4。

表4 带回流线的直接供电方式，电阻负载，一处断轨

从表4 中可以看出，断轨位于变电所和电阻之间时测得的不平衡电流较大，结果明显。所以在用电阻代替机车进行断轨检测时，应将电阻负载设置在供电臂的末端，这样检测出的不平衡电流大，可以更明显的检测出断轨。

3 结束语

通过交流牵引回流断轨检测系统的仿真分析，可以得出以下结论：

1）牵引回流断轨检测技术提供了一种低成本的长距离断轨检测方案，可以利用现有的轨道横连线的连接方式，只需在横连线上加装电流传感器，在长距离钢轨的检测方面具有明显优势。

2）当断轨位于负载和牵引变电所之间时，可检测到较大的不平衡电流，从而快速检测出断轨。而断轨位于负载和变电所之外时，不平衡电流较小，需经过反复试验后，得出一个电流阀值，检测出的电流大于此电流值时报警，表示检测出断轨。

3）为了提高牵引回流断轨检测系统的优势，在检测区段的末端设置转换电阻负载，在列车到来前可采用电阻负载在线监测，在线时间应根据列车运行实际情况确定。

〔1〕田铭兴，陈云峰，赵斌，等.实时断轨检测方法综述〔J〕.兰州交通大学学报，2011，30（1）：122-126.

〔2〕田铭兴，陈云峰，赵斌，等.中央发送两端电流接受式无绝缘轨道电路断轨态分析〔J〕.中国铁道科学，2010，31（6）：103-108.

〔3〕史宏章，任远，张友鹏，等.国内外断轨检测技术发展的现状与研究〔J〕.铁道运营技术，2010，10（4）：1-7.

〔4〕黄德胜，张巍.地下铁道供电〔M〕.北京：中国电力出版社，2010.

〔5〕杜求茂.断轨检测方法研究〔D〕.兰州：兰州交通大学，2009.

〔6〕任远.基于超声导波的实时断轨检测方法研究〔D〕.兰州：兰州交通大学，2010.