重载铁路站场绝缘节烧损故障分析

崔耀林，唐逢光，杨尚霄，曹晓斌



重载铁路站场绝缘节烧损故障分析

崔耀林，唐逢光，杨尚霄，曹晓斌

对某站场绝缘节处钢轨烧熔故障进行分析，结合现场设备故障现象建立绝缘节暂态仿真模型，对绝缘节处故障电流与电压进行仿真分析，得出等阻线零部件载流能力不足是造成该类故障的主要原因，并提出了改进措施。

重载铁路；站场；轨道电路；绝缘节；牵引回流

0 引言

在电气化铁路中，轨道作为牵引回流导体和信号轨道电路的载体，需要兼顾二者的不同需求[1，2]。随着我国高速铁路与重载铁路的发展，牵引负荷不断增大，牵引回流系统问题日益显露，轨道零部件（等阻线、道岔轨道扣板和绝缘节）烧损故障时有发生[3～5]。

目前针对牵引回流问题开展了大量研究工作，学者们通过建立数学模型和软件仿真等方法进行深入的分析研究，取得了很多阶段性成果。文献[6]从理论上深入分析了直接供电方式下钢轨泄漏电流对大地电位的影响和钢轨泄漏电流的分布情况；文献[7]分析了铁路站场牵引回流系统的回流特性。现有的研究多认为轨道零部件故障的原因为钢轨电位过高或回流系统阻抗过高。

本文以某站场钢轨绝缘节烧熔故障为例，通过分析故障现象和现场回流参数测量，发现钢轨电位并非引发该类故障的主要原因，结合测量数据分析了故障发生过程及原因，并提出了防治措施。

1 故障概况

2017年11月，某站场信号系统在运行过程中发生异常，先是某轨道电路信号的电压出现波动，之后电压信号消失。现场巡视发现该站场上行预告信号机处扼流变压器中性点的空气开关烧毁，钢轨绝缘节烧伤。该线路外侧钢轨的绝缘节在钢轨头部烧熔，内侧钢轨的绝缘节无异常。合上扼流变压器内部的空气开关后，电务信号恢复正常，列车通过该处时发生空气开关跳闸，田野侧绝缘节烧伤处出现较大电火花。更换钢轨后全部恢复正常，绝缘节在列车通过时仍产生小量电火花。该绝缘节的电路结构如图1所示。

图1 绝缘节电路结构

该绝缘节左侧为无轨道电路的区间，由1根短接线将上下行钢轨短接，再通过2根等阻线将钢轨连接到扼流变压器中性点。绝缘节右侧为站场，钢轨设有轨道电路，有4根等阻线，每根钢轨各通过2根等阻线与扼流变压器线圈连接。为该站场供电的变电所位于站场中部，区间供电臂上网点位于站场的中部，因此牵引回流方向为逆列车运行方向，从图1中绝缘节左侧流向右侧。

故障发生后，发现绝缘节左侧2根等阻线在与钢轨连接的塞钉处熔断，另一侧连接钢轨与扼流变线圈的4根短引线完好，连接扼流变中性点与回流线的吸上线完好。

2 绝缘节参数的现场测量

2.1 绝缘节牵引电流分配测量

根据故障现象，初步判断与牵引回流有关。为准确分析故障原因，杜绝该类故障再次发生，对该绝缘节处钢轨电压和牵引电流分配情况进行现场测量，测量方法如图2所示。

图2 绝缘节处电压电流测量方法示意图

在该绝缘节每根等阻线以及上下行吸上线处各安装一个电流互感器，在绝缘节两端安装电压测量装置。列车通过该绝缘节时，通过录波器记录绝缘节各部分的电流，以及绝缘节两端的电压。测得的绝缘节处部分电流与电压波形如图3、图4所示。

（a）区间侧钢轨电流

（b）站场侧钢轨电流

图3 绝缘节两侧钢轨电流波形

图4 绝缘节两端电压差波形

2.2 测量结果分析

从图3可以看出，当列车未到达绝缘节位置时，通过区间侧钢轨等阻线的电流非常小，不到10 A。机车经过绝缘节时，有一个明显的左侧钢轨电流下降、右侧钢轨电流上升的过渡过程，过渡时长接近5 s，之后左右两侧钢轨电流趋于稳定，左侧钢轨电流接近400 A，右侧电流为100 A左右。

图4为测得的绝缘节两侧钢轨工频电压波形，可以看出，列车到达绝缘节之前，绝缘节两侧钢轨的工频电压产生不规则变化，波动区间为6 V左右，此时绝缘节两侧钢轨的电压由钢轨之间的电磁感应及列车取流情况决定。当列车到达绝缘节时，由于绝缘节两端钢轨被列车车体与轮对短接，此时绝缘节两侧钢轨的电压差非常小，接近为0。当列车通过绝缘节后，绝缘节两侧钢轨工频电压差较为稳定，此时钢轨工频电压差与绝缘节处的阻抗和电流分布有关，其幅值约为3 V。

测得绝缘节处各导线电流分配情况如表1所示。

表1 绝缘节各导线牵引回流分配 A

3 故障过程仿真分析

3.1 故障点暂态模型

根据测得的数据，发现该绝缘节两侧工频电压差值非常小，只有几伏，不足以击穿绝缘节并产生电弧，因此可以排除回流路径不畅引起钢轨电压过高造成绝缘节击穿。为了进一步确定故障原因与过程，对该绝缘节故障暂态过程的电压与电流变化情况进行仿真分析。

根据图1所示绝缘节电路结构，在EMPT中建立如图5所示的仿真模型。模型中，采用LCC电路对轨道进行模拟，采用电流源模拟列车的牵引电流。

根据现场故障情况，认为2根等阻线非同时烧断，仿真过程中使用开关模拟等阻线烧断的过程，分析绝缘节处电流和电压的暂态变化。

图5 绝缘节暂态仿真模型

图5中开关S1所在的支路对应区间田野侧等阻线，标为1号等阻线；S2所在支路对应区间线路侧等阻线，标为2号等阻线。

S1和S2用于模拟等阻线的烧断过程，首先开关S1断开，模拟区间田野侧钢轨等阻线烧断；之后S2断开，模拟区间线路侧钢轨等阻线烧断。

3.2 绝缘节处暂态电流与电压

图6所示为2条等阻线的电流分布情况。

（a）田野侧等阻线电流

（b）线路侧等阻线电流

图6 等阻线电流分布

如图6（a）所示，设故障发生前1号与2号等阻线通过的电流均为350 A。故障发生时，1号等阻线断开，通过该线路的牵引电流变为0，此时2号等阻线的电流发生如图6（b）所示的突变，从350 A上升到700 A。由于扼流变压器电感的作用，此时2号等阻线的电流除了工频分量上升到700 A之外，还存在一个100 A左右的快速脉冲，与该快速电流脉冲相对应，钢轨上将产生一个快速过电压，如图7所示。

图7 绝缘节快速暂态过电压波形

从图7可知，该过电压为快速振荡衰减的过电压，在0.000 2 s内衰减到0，远小于工频的周期时间，但该过电压的幅值非常高，可以达到600 V。

假设2号等阻线由于通过的电流过大，随后也发生熔断，S2断开，2号等阻线电流下降到0。考虑到牵引电流达700 A，列车通过绝缘节时将产生燃烧电弧，由于电弧温度可以达到2 000 ℃，导致绝缘节处钢轨接头烧熔。

4 故障原因及改进措施

4.1 故障原因分析

通过上述分析，发生绝缘节处钢轨烧熔的原因可总结为：

（1）该绝缘节有很大的牵引回流通过，由于该处钢轨采用单根等阻线连接，等阻线的铜端头与塞钉连接处长期存在发热现象，导致内部电腐蚀。

（2）当日列车通过时，田野侧钢轨的等阻线塞钉的螺杆过热熔断，熔断时在钢轨上产生一个快速过电压。

（3）绝缘节的过电压时间非常短，远小于空气开关的动作时间，因此空气开关来不及动作就已经发生击穿，导致扼流变内部设备烧毁。

（4）田野侧钢轨的等阻线熔断后，所有电流流经线路侧钢轨的等阻线，大电流导致该等阻线熔断。区间2根钢轨的等阻线熔断后，于绝缘节处产生较高的过电压，导致绝缘节拉弧，使钢轨头在电弧高温下熔融。

4.2 改进措施

根据上述分析结果，可以采取以下措施避免类似故障再次发生：

（1）调查与本次故障同型号的塞钉，发现塞钉与引线铜端头连接处承台半径过小，与铜端头接触部分的有效半径为3～4 mm，小于引线铜端头半径，导致该部分接触电阻过高，由于该处牵引电流过大，易引起该处发热及电腐蚀。需要与生产厂家联系，生产接触面更大的塞钉，以减小接触电阻。

（2）每侧钢轨仅有1根等阻线，当一侧等阻线断开后，另一侧等阻线塞钉的载流能力不足，导致另一侧引线熔断，因此需要增加1根等阻线。

5 结论

通过对该处绝缘节烧损故障进行分析，得到结论如下：

在站场内，牵引回流过大是导致绝缘节拉弧的主要原因，本案例中绝缘节两侧钢轨的电压差较小，仅10 V左右，但每侧钢轨牵引电流达到400 A左右，当通过绝缘节的回流过大时，列车通过会造成绝缘节拉弧。

等阻线零部件载流能力不足也是造成该故障的主要原因，本案例故障等阻线塞钉与引线连接处接触电阻过高，发热并造成断线。

电务系统设备引线熔断时产生快速暂态过电压，该过电压将造成电务设备绝缘击穿，影响电务系统的安全运行。电务系统在设计过程中需要充分考虑牵引回流的影响，提高大电流区段的导线及接头的载流能力。

[1] 中华人民共和国铁道部.铁路综合接地和信号设备防雷系统工程设计指南[M]. 北京：中国铁道出版社，2009.

[2] 李良威，楚振宇，邓云川. 直供方式下牵引变电所轨地回流研究[J]. 铁道工程学报，2012，2（9）：84-87.

[3] 曹晓斌，何方方，韩虎，等. 铁路站场中间接触网短路对附近信号电缆的影响[J]. 铁道学报，2017，39（8）：45-51.

[4] 毕红军，丁志东，石先明，等. 高铁站内绝缘节烧损解决方案[J]. 北京交通大学学报，2015，39（3）：6-9.

[5] 彭伟. 重载电气化铁路轨道烧蚀解决方案[J]. 电气应用，2015，34（11）：110-112+127.

[6] 邓明丽. 高速及重载铁路牵引回流钢轨电位规律的研究[D]. 西南交通大学，2009.

[7] 曹晓斌，何方方. 铁路站场牵引回流系统的回流特性研究[J]. 铁道学报，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.神华包神铁路集团有限责任公司，高级工程师；

唐逢光.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生；

杨尚霄.神华包神铁路集团有限责任公司，工程师；

曹晓斌.西南交通大学电气工程学院，副教授。