钢轨与转辙机固定钢板间的绝缘垫击穿故障分析

杨尚霄，刘家材，曹晓斌

0 引言

近年来，轨道交通以其舒适、便捷、运量大等优势，在我国得到了快速发展。目前，我国铁路网对人口20万以上城市的覆盖率已接近100%，铁路运输方式在我国客运和货运方面发挥着越来越重要的作用，确保铁路系统的安全稳定意义重大。

钢轨与转辙机固定钢板之间的绝缘垫击穿事故是北方运煤专线上比较常见的故障，发生该故障后，转辙机表面会带电，危及铁路巡检人员安全。除此之外，大电流泄漏到钢轨之外会造成牵引回流异常，可能引发其他不确定的连环事故。钢轨与转辙机固定钢板之间的绝缘垫击穿故障对铁路系统的安全运行造成了严重威胁。本文拟对此类故障进行分析，通过实验测量结合理论分析探寻故障发生的原因，并对此类故障提出针对性的防治措施。

1 绝缘垫击穿故障概况

经铁路巡检人员反映，辖区线路上观察到一起漏电事故，漏电点位于钢轨与转辙机固定钢板之间。事故发生时，供电段内有一辆列车通过，故障点处的绝缘垫出现强烈的电弧击穿现象，持续时间约1 min。

在电气化铁路中，钢轨兼具电流导体的作用，当列车从接触网取流时，会有大电流通过钢轨流回牵引变电所[1]。为了保证铁路工作人员及沿线设备的安全，在敷设轨道时会用绝缘垫将钢轨与大地及铁路沿线设备隔离[3]。

转辙机安装于铁路道岔处，用于转换列车行驶的轨道，其动作由信号楼控制，与信号楼之间通过埋地电缆连接。本文所述绝缘垫安装于转辙机固定钢板与钢轨之间，在铁路系统正常运行时，由于该绝缘垫的存在，转辙机与钢轨之间处于绝缘状态。绝缘垫在铁路系统中的位置如图1所示。

图1 绝缘垫位置示意

2 现场实测及分析

根据描述，故障发生时有大电流流过故障绝缘垫，而牵引回流的流通路径主要受回流阻抗影响，在故障点处，牵引回流阻抗由绝缘垫阻抗和转辙机固定钢板的接地阻抗两部分组成。对于运煤线路，绝缘垫长时间安装后，表面积污较严重，且列车经过绝缘垫附近时产生的震动会使绝缘垫板之间出现晃动，弱化了绝缘垫板的绝缘性能，在钢轨侧流经大电流的情况下，绝缘垫处很容易产生导电通道。绝缘垫导通后，转辙机固定钢板的接地电阻则成为漏电能否持续的关键，为此设计了相应实验对转辙机固定钢板的接地电阻进行测量。

2.1 测量原理

测量接地电阻通常采用三极法，但转辙机固定钢板面积较大且未埋入土壤，三极法测量会产生较大的误差[2，4]。本文利用串联分压原理结合实际情况设计了转辙机固定钢板接地电阻的测量方法。

用Z1表示钢轨与转辙机固定钢板之间的阻抗，Z2表示转辙机固定钢板接地电阻，则牵引电流经绝缘垫回流的电路如图2所示。

图2 牵引电流经绝缘垫回流电路

图2 中，节点1与钢轨相连，U表示钢轨电位，以U1、U2分别表示阻抗Z1、Z2上承受的电压，由串联分压原理可得

可以看出，测得Z1、U、U1值即可计算出转辙机固定钢板的接地电阻值Z2。

2.2 现场布线

如前所述，绝缘垫的阻抗值在列车行驶过程中将发生较大变化，本方案旨在测量Z2，为排除故障绝缘垫阻抗值变化对测量结果的影响，测量前将击穿烧毁的绝缘垫取出，并将钢轨与转辙机固定钢板之间的间隙清扫干净，用一个阻值为200 Ω的大功率电阻连接钢轨侧与转辙机侧。经处理后，钢轨与转辙机固定钢板之间的阻抗Z1= 200 Ω。

钢轨电位U为故障点处钢轨与牵引变电所接地网的电势差，从牵引所地网引出一根导线测量并不可行，可在离钢轨足够远（水平距离大于30 m为宜）处打入一个接地极，以故障处钢轨与接地极间的电势差来近似表示钢轨电位。

本实验测量的电压随列车运行而连续变化，因此采用示波器作为电压测量设备。测试现场按图3所示布线。

图3 现场布线示意图

2.3 测量方案及数据分析

2.3.1 故障点处转辙机固定钢板接地电阻测量

在故障点处按图3所示布线，调试好设备后开始记录U和U1波形，每通过一次列车，读一次电压数据，读数取电压波形的峰值。为使所记录的样本数据更具多样性，在现场分别记录了4趟上行列车和下行列车经过时的数据，如表1、表2所示。

表1 上行列车通过时的实测数据

表2 下行列车通过时的实测数据

对比上、下行列车通过时的测量数据可以得出：上行列车通过时钢轨电位高于下行列车通过时，转辙机固定钢板的接地电阻约为7 Ω。上行列车一般为满负荷载煤重车，牵引回流较大，通过时钢轨电位更高，而转辙机固定钢板在安装时是对地绝缘安装，约7 Ω的接地电阻值明显过小。分析转辙机固定钢板的接地电阻过小可能是导致绝缘垫击穿的原因。

2.3.2 非故障点处转辙机固定钢板接地电阻测量

为验证上述分析的正确性，在附近另外4处未发生绝缘垫击穿事故的转辙机固定钢板处按同样方式进行测量，结果如表3、表4所示。

表3 上行列车通过时的实测数据

表4 下行列车通过时的实测数据

由表3、表4可知，正常情况下，转辙机固定钢板的接地电阻都在300 Ω以上，由此可见，故障点处绝缘垫击穿与转辙机固定钢板的接地电阻过小有关。

3 故障的后续处理及防范措施

3.1 故障的后续处理

确定故障原因后，对转辙机固定钢板的接地路径进行了开挖排查。排查发现，由于电缆长期埋于地下，在埋地电缆与转辙机接线盒连接处，电缆接头腐蚀严重，导致电缆的铠装层与接线盒的外壳直接相连，而接线盒外壳与转辙机固定钢板又是电气连通的，即相当于转辙机固定钢板与电缆的铠装层直接连通，加之转辙机埋地电缆的铠装层采用单端接地的方式，一端与信号楼的接地网相连，由此导致了转辙机固定钢板接地电阻值过小。

将更换接头的电缆重新埋入地下，测量转辙机固定钢板的接地阻抗值约为363 Ω，恢复到正常值范围，故障排除。

3.2 绝缘垫击穿隐患的防范措施

本次发生绝缘垫击穿事故主要由两方面的原因造成：一是绝缘垫安装后受周边自然条件影响和使用年限增长导致绝缘性能下降；二是因为电缆铠装层与接线盒外壳误搭接导致转辙机固定钢板接地电阻过小。

发生绝缘垫老化是不可避免的自然现象，可采取定期清洁等措施延长绝缘垫使用寿命，定期检查出现损毁的绝缘垫并及时更换。转辙机固定钢板的接地电阻过小是绝缘垫击穿电流能够持续的主要原因，对于这方面的防治，除使电缆的接头尽量远离接线盒外壳外，在安装转辙机时，建议将转辙机与固定钢板绝缘安装。

3.3 防范措施的使用效果

选取辖区铁路内经常发生绝缘垫击穿事故的供电段对上述措施的使用效果进行尝试性试验。使用改进的转辙机安装方式后，供电段内铁路系统运行正常。上述措施应用一年后，区间内钢轨与转辙机固定钢板间的绝缘垫击穿事故相比前一年下降了70%，防治效果良好。

4 结语

本文基于串联分压原理设计了测量方案，实现了转辙机固定钢板接地电阻的测量。通过对实测数据的分析，得出转辙机固定钢板接地电阻过小是导致绝缘垫击穿的主要原因，并由此排查出电缆铠装层与接线盒外壳误搭接。同时，还针对性地提出了绝缘垫击穿隐患的防范措施。