电气化铁路牵引回流对钢轨磁化的影响研究

摘" 要： 针对钢轨产生异常剩磁的现象，建立机车牵引回路三维有限元模型，对钢轨磁化原因进行仿真分析。研究结果表明：机车正常运行时，接触线在钢轨处产生的磁场及钢轨之间互相耦合产生的磁场均小于0.05 mT，远小于实地测量的钢轨剩磁10 mT，影响可以忽略不计；机车牵引电流幅值突变时，钢轨表面产生的磁场可达0.66～0.68 T，该磁场大小经等效计算接近自动过分相区地面磁钢的最小磁场大小1.1 T，从而可能导致机车主断路器异常跳变。

关键词： 电气化铁路； 牵引回流； 钢轨； 磁化； 剩磁有限元仿真； 接触线电流

中图分类号： TN03⁃34； U228" " " " " " " " " " " 文献标识码： A" " " " " " " " " " " 文章编号： 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

在供电方式为直接供电的电气化铁路中，轨道不设置回流线，电力牵引区段的钢轨作为牵引电流的回路传送牵引电流，由接触网⁃电力机车⁃钢轨⁃牵引变电所组成闭合回路，如图1所示。

机车在长距离行驶的过程中，会经过不同的牵引变电所的供电区，在两个牵引变电所的交接处设有自动过分相区。为了防止相间短路，自动过分相区禁止通电，机车在此区间需自主完成主断路器的断开与闭合动作。在自动过分相区的入口与出口处均设置埋地磁钢，机车头部装有感应器，当机车经过磁钢时，感应器就会接收到磁信号并发出脉冲信号，传输到微机系统，控制主断路器的开断。机车行驶过程中，若钢轨表面异常剩磁大于车感器的感应阈值，则车感器也可感应到该信号，从而导致机车主断路器的异常跳变，对机车正常运行产生影响。经现场测量发现了发生主断路器异常跳变的地点，钢轨多处点位出现较大磁场，最高可达10 mT，且对钢轨进行消磁处理一段时间内，该点位剩磁又反复出现。因此，研究出钢轨磁化原因对于主断路器异常跳变事故的预防和改善具有重要意义。

电气化铁路的电磁环境非常复杂，其中来自外部和内部的干扰源常常会影响轨道电路及机车设备的正常工作。铁路钢轨的干扰源如图2所示。

图中，外部干扰源主要来自沿线供电设施和自然环境，其中沿线设施的距离较远、影响较小，而雷电脉冲等属于偶然事件，故外部环境的干扰暂不予考虑。在铁路内部干扰中，感应耦合主要是对轨道信号设备产生影响，产生的磁场数量级远远小于实测的钢轨剩磁，故主要考虑传导性干扰对钢轨的影响。电气化铁路的牵引电流幅值往往在几百到一千安培，在正常工作状态下，回流电流产生的交变磁场会将钢轨反复磁化消磁，对钢轨产生的影响有限。机车在升降弓、加速制动以及弓网离线等工况时，牵引电流幅值会发生波动（即产生几倍于正常工况的脉冲电流），导致牵引电流正负周期产生的磁通无法完全抵消，从而使得钢轨产生较大的剩磁。近年来，机车主断路器异常跳变的事故时有发生。陈秉航通过对3起CRH1型动车组主断路器异常跳变事件的分析，得到故障发生原因并提出了相应措施[1]。李腾等对大秦线机车VCB异常跳变事故原因是进行了测试及仿真分析，分析出事故原因备用轨产生的剩磁对车感器装置产生了干扰，并对车感器提出了改进措施[2]。王本涛等人对SS7E型机车的主断路器发生跳变的原因进行分析，分析出事故原因为轨道异常磁信号对车感器的干扰，并通过在车感器中加入滤波电路的方法基本杜绝了该类事件的再次发生[3]。

目前，对于主断路器异常跳变原因的研究较多，但其中钢轨剩磁对机车主断路器异常跳变的影响研究较少，所以研究钢轨产生剩磁的原因，对于钢轨异常磁化的预防和治理具有重要的意义。文中基于有限元磁场仿真对钢轨的磁化原因进行了探究，分析了可能存在的干扰因素，最终得出了钢轨产生剩磁的原因。

1" 钢轨的磁化原理

钢轨由磁性材料铸成，内部可分为许多小区域，小区域内原子磁矩排列一致，这些小区域称为磁性物体的磁畴。钢轨内部的磁畴指向不一致，对外不显示磁性。给钢轨施加一定强度的磁场，磁畴的磁矩在外部磁场的作用下指向一致，钢轨便会带有磁性，该过程称为钢轨的磁化。磁性物体的磁滞回线如图3所示。图3中，横坐标表示外加磁场强度大小，纵坐标为磁性物体的磁感应强度大小，从原点到P1点的过程即为磁性物体的磁化过程。当撤去外部磁场时，物体内部的磁感应强度不会完全消失，而是保留一定的磁感应强度，该磁感应强度的大小称为剩磁Br，这也是钢轨带有剩磁的原因。若对带有剩磁的磁性物体继续添加反向磁场，当到达磁场强度Hc时，物体剩磁降至零，则把Hc称为矫顽力。该变化曲线称为磁性物体的磁滞回线。

2" HXD3C型机车牵引回路仿真

2.1" 接触线电流影响仿真分析

根据TB/T 1407—1998《列车牵引计算规程》可知，HXD3C机车额定牵引电流为380 A，钢轨磁化曲线设置如图4所示，建立的接触线与钢轨的回流模型如图5所示。轨间间距为1 435 mm，接触线直径设置为14 mm，距离钢轨顶部表面6 m，接触线与钢轨长度设置为1 m。车体宽度和高度设置为3.3 m，材料设置为铝合金。因牵引电流频率为50 Hz，波长为6 000 km，远大于机车及轨道尺寸，故仿真环境为准静态磁场。仿真结果如图6所示，所测量的数据为钢轨表面的中心线磁感应强度的大小。接触线因距离钢轨较远且车体自身的屏蔽作用，在钢轨表面产生的磁场不足0.05 mT，远小于实地测量的钢轨剩磁10 mT，故接触线电流对钢轨的磁化可忽略不计，后续仿真不再考虑接触线的影响。

2.2" 钢轨间互耦影响仿真分析

牵引电流在钢轨上回流的过程中，钢轨作为回流通路，会在工频电流通过的时候产生交变磁场。在电磁仿真软件中建立一对1 m长的钢轨模型，如图7所示，轨间间距为1 435 mm，仅对其中一根钢轨注入190 A的电流，来验证钢轨回流时产生的交变磁场对另一根钢轨的影响。

仿真结果如图8所示，所测量的数据为钢轨表面的中心线磁感应强度的大小。两钢轨因间距较远，磁场衰减较大，其中一根钢轨在另一根钢轨表面产生的磁场小于0.05 mT，远小于实地测量的钢轨剩磁10 mT，故两钢轨间相互磁化的影响可忽略不计。

2.3" 钢轨回流幅值突变仿真分析

仿真结果如图10所示。由图10可知，牵引电流幅值突变时，钢轨表面产生的磁场大小为0.66～0.68 T。由铁路行业标准TB/T 3197—2018《列车过分相系统车载控制自动过分相装置》对机车自动过分相区的相关要求可知，地面磁钢最低剩磁为1.1 T，机车通过磁钢的最低速度为10 km/h。

车感器、钢轨及地面磁钢的布局如图11所示。

图中，车感器安装在车头部位也即钢轨外侧，与钢轨内侧的水平距离为（335±15）mm，垂直距离为（110+10）mm。为研究牵引电流通过钢轨回流时，钢轨表面产生的磁场能否达到车感器的感应阈值，从而造成车感器的误动，需将钢轨表面的磁场等效转换到地面磁钢的点位处。车感器线圈通过切割地面磁钢产生的磁场，产生感应电压，从而通过微机电路控制主断路器的异常跳变。

由法拉第电磁感应定律可知，感应电压值与磁感应强度、线圈长度和机车运行速度有关。磁场的衰减程度与距离的平方成反比，且等效后的磁场还要转化为垂直分量。设钢轨表面的磁场大小为B1，等效到地面磁钢点位的磁场大小为B2，公式如下：

式中：v1为机车正常运行速度，取60 km/h；v2为机车通过磁钢的最低速度，取10 km/h；d1为钢轨表面到车感器的直线距离，值为352.6 mm；d2为车感器到磁钢的垂直距离，值为286 mm；[θ]为钢轨侧面纵向轴线和感应器纵向轴线的夹角，约为61°。最终计算出钢轨表面磁场B1等效到地面磁钢点位后的磁场B2接近地面磁钢所要求的最小磁场为1.1 T。再加之动车组运行过程中的颠簸摇晃，以及在拐弯和通过道岔时会产生角度的偏移，就可能会使感应器感应到超过感应阈值的电压，从而使得主断路器发生异常跳变。

3" 结" 论

本文建立一个HXD3C机车牵引回路模型，对接触线及钢轨模型注入电流进行有限元仿真分析，仿真结果如下。

1） 接触线电流的影响和钢轨间互耦在钢轨表面产生的磁场远小于实地测量的钢轨磁场，可忽略不计。

2） 牵引电流幅值突变时，钢轨表面产生的磁场等效到地面磁钢点位后，接近地面磁钢所要求的最小磁场大小，从而可能导致机车主断路器的异常跳变。

该结论对钢轨异常磁化的预防和治理具有重要的意义。

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