高鐵車站牽引電流損傷機(jī)械絕緣節(jié)原因探討

徐宗奇 葉建斌

徐宗奇:北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司 工程師100073 北京

葉建斌:廣鐵集團(tuán)電務(wù)處 工程師 510410 廣州

2011－2012年，我國高速鐵路車站多次出現(xiàn)電氣化牽引電流回流造成機(jī)械絕緣節(jié)燒損及鋼軌灼傷的現(xiàn)象，給正常的運輸造成了不利影響，引起行業(yè)運營主管部門的高度重視。當(dāng)前，國內(nèi)關(guān)于這方面研究尚少，無法查詢到有效的解決措施，且該問題成因復(fù)雜，牽涉因素多，與鋼軌回流通道設(shè)置、接地設(shè)置、列車泄流方式、輪對間的絕緣性能、列車泄流大小、列車運行速度等多方面因素都密切相關(guān)，成為亟待解決的技術(shù)難題。

為此，在滬寧線、武廣線各線進(jìn)行了現(xiàn)場的前期測試和調(diào)查，取得了第一手的測試數(shù)據(jù)和初步的分析結(jié)果。為了更深入地研究，相關(guān)業(yè)務(wù)主管部門組織了不同專業(yè)的多個單位在京滬高鐵進(jìn)行測試和試驗。本文基于前期研究的結(jié)果，對牽引電流燒損、灼傷絕緣節(jié)和鋼軌的情況進(jìn)行分類，提出“電壓擊穿”和“電流拉弧灼傷”2種典型損傷類型，并進(jìn)行相關(guān)案例分析，對其技術(shù)特征進(jìn)行歸納和對比分析，探討在電氣化鐵路中牽引回流相關(guān)的設(shè)計思路和研究方向。

1 現(xiàn)場案例

1.1 電壓擊穿股道盡頭絕緣接頭

某日，武廣線某站5道下行接車后，11DG、13DG發(fā)生紅光帶，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)這兩區(qū)段接收端匹配單元10A斷路器跳斷，兩區(qū)段間公共絕緣外側(cè)魚尾板上有4處燒黑痕跡，其中一處燒痕較大，內(nèi)側(cè)下部也有1個燒黑痕跡。通過回放發(fā)現(xiàn)，發(fā)生故障的時刻是在開放了下行5道發(fā)車信號后，11DG、13DG尚未占用時。車輛部門記錄，故障發(fā)生時車上MMI顯示無網(wǎng)壓，7號車車頂隔離開關(guān)鎖閉，并伴隨一聲巨響;牽引變電所記錄回放，在故障時段，入所回流瞬間增大至2700 A左右，持續(xù)37 ms，后恢復(fù)正常值600～800 A間，網(wǎng)壓正常，約28 kV。

分析該站站場情況，5道的回流為單側(cè)連通，僅有惟一的回路，調(diào)查發(fā)現(xiàn)5道連接到正線的回流連接線裝設(shè)在中心點連接板的同一螺栓上，容易在單點故障條件下失去全部連接，在單回路回流通道上任何連接點的中斷均會造成回流通路喪失，回路缺失后列車失去電壓，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓直接作用在絕緣節(jié)兩側(cè)，造成高電壓擊穿絕緣節(jié)，之后形成瞬間短路，構(gòu)成如圖1虛線所示回流路徑。

圖1 電流分布情況

故障時MMI顯示與無網(wǎng)壓情況吻合，變電所記錄的瞬間2700A大電流、擊穿絕緣節(jié)時伴隨發(fā)生的巨響均符合上述分析。

2011年1月，太中銀線某站辦理上行列車進(jìn)3道，列車未完全進(jìn)入股道時，22號道岔中途轉(zhuǎn)動，原因為沒有裝設(shè)回流連接線，造成回流通道中斷，擊穿轉(zhuǎn)轍機(jī)絕緣后造成誤動。

上述2例均是在回流通道中斷后，接觸網(wǎng)高電壓擊穿地面設(shè)備或鋼軌絕緣造成的。

1.2 電流灼傷鋼軌軌面

2011年2月，對滬寧線常州站進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查。該站為7股道車站，正線回流通道無切斷，側(cè)線回流切斷共計5處，發(fā)現(xiàn)這5個位置均存在拉弧燒傷的情況，且燒傷為列車運行時輪對離開側(cè)鋼軌，切斷位置如圖2所示。

圖2 牽引電流切斷情況

根據(jù)對現(xiàn)場錄像觀測，列車輪對通過絕緣節(jié)時會出現(xiàn)拉弧，拉弧如圖3所示。

2011年6月對武廣線赤壁北車站回訪，也發(fā)現(xiàn)存在燒損情況;2012年，在京滬線發(fā)現(xiàn)正線回流連通的絕緣節(jié)處也出現(xiàn)拉弧燒損的情況。拉弧燒損鋼軌的情況陸續(xù)在各條客專、高鐵線被發(fā)現(xiàn)，全路已經(jīng)超過300余處。

2 差異性分析

灼傷可分為“電壓擊穿”和“電流拉弧灼傷”2類，根據(jù)上述2類案例的對比，2種情況在損傷時機(jī)、原因、對象、外部條件、頻次等各方面均存在差異，具體差異對比情況如表1所示。

圖3 列車經(jīng)過時拉弧打火

表1 2種絕緣損傷的差異對比

3 危害分析

1.損傷鋼軌。拉弧的高溫會導(dǎo)致絕緣節(jié)碳化引起絕緣破損，更嚴(yán)重的是可能使鋼軌接頭處的機(jī)械性能發(fā)生變化，對行車造成安全隱患。

2.人身傷害。未設(shè)置冗余的回流通道故障后，列車失去接地，車體對地將可能出現(xiàn)高壓，危及上下車的人員人身安全，原理示意圖如圖4所示。

圖4 上、下車旅客接觸的危險電壓示意

3.損傷軌旁設(shè)備。未設(shè)置冗余的回流通道故障后，鋼軌失去接地，高壓對連接在鋼軌上的所有絕緣構(gòu)成威脅，包括軌端絕緣、轉(zhuǎn)轍機(jī)絕緣、鋼軌對地絕緣、軌道變壓器的對地絕緣，且此時該絕緣承受的電壓達(dá)到25000V，會出現(xiàn)擊穿薄弱環(huán)節(jié)，形成泄流。株洲西、岳陽東站是高電壓擊穿了軌端絕緣;太中銀線某站為擊穿了轉(zhuǎn)轍機(jī)的絕緣。各類絕緣分布如圖5所示。

圖5 軌道上各絕緣分布情況

4 國外現(xiàn)狀

4.1 對電壓限值的規(guī)定

根據(jù)“鐵路設(shè)備:固定設(shè)備-電氣安全，接地和回路”(EN 50122-3-2010)的數(shù)據(jù)，線路上能夠容許觸碰到的極限電壓值及持續(xù)時間見表2。

表2 線路上極限電壓值

4.2 成因和防護(hù)措施

查閱國外資料，國外同樣存在絕緣節(jié)處燒損的案例，尤其是在直流牽引區(qū)段更為嚴(yán)重。在《澳大利亞DC1500V牽引供電條件下的工程實施標(biāo)準(zhǔn)》中，對機(jī)械絕緣節(jié)處的拉弧原因描述如下。

1．當(dāng)通過輪對到鋼軌表面的牽引回流建立后出現(xiàn)任何中斷時，觸電位置就可能拉弧，大的拉弧就可能破壞鋼軌的表面。

2．在回流軌盡頭處，回流電流沒有新的可選擇路徑就存在拉弧的可能。

3．要重視單軌條軌道電路在牽引軌間有切斷表面的情況。如果絕緣節(jié)位置不重疊，就會出現(xiàn)電流路徑消失的情況，即拉弧。

4．道岔區(qū)段和單軌條軌道電路是牽引電流更換方向的典型位置。

5．當(dāng)牽引電流從一側(cè)改變?yōu)榱硪粋?cè)傳輸時，轉(zhuǎn)變過程中或在岔區(qū)，必須注意要確保有連續(xù)的回流通道提供給車上的每一個輪對。

該資料提出最優(yōu)的絕緣節(jié)安裝方式如圖6所示。

4.3 站內(nèi)股道的多通道回流

根據(jù)國外資料，在UM71等制式的軌道電路中，為了能實現(xiàn)軌道間連續(xù)的外部連接，連接間距應(yīng)在800～1600 m之間，一般在股道上設(shè)置雙端的回流連接。兩側(cè)均能設(shè)置回流連接，將能夠確保在列車進(jìn)出股道時，上述發(fā)車進(jìn)路上不存在明顯的電流方向改變。

圖6 絕緣節(jié)最優(yōu)的安裝方式

5 分析說明及研究方向建議

5.1 解決電壓擊穿需加強(qiáng)站內(nèi)回流的冗余

由于當(dāng)前客專、高鐵廣泛采用膠粘絕緣，更換難度大、時間長，對行車影響大，給維修帶來了很大的負(fù)擔(dān)，應(yīng)從源頭考慮，提出必要的解決方案。

在鋼軌出現(xiàn)對地高電位后，需要尋找對地泄放通道，在回流缺失后需要面對25000V高壓，對連接在鋼軌上的各種絕緣形成共同考驗。武廣線株洲西站的2次故障，都說明了鋼軌絕緣節(jié)是極易擊穿的環(huán)節(jié)。但是，即便加強(qiáng)了該處絕緣節(jié)，還會有一個“短板”代替當(dāng)前的鋼軌絕緣被擊穿，如轉(zhuǎn)轍機(jī)或軌道變壓器，甚至是鋼軌對軌枕的絕緣扣件。因此，單獨加強(qiáng)某一個環(huán)節(jié)的絕緣強(qiáng)度并不能解決問題，需要從如何減少故障的幾率、降低電位等源頭上解決。在可能的情況下 (能夠確保存在外部迂回通道時實現(xiàn)斷軌的檢查)，增加站內(nèi)回流的多方向冗余設(shè)置，即加強(qiáng)鋼軌連接和增加通道數(shù)量。

在既有線25Hz相敏軌道電路中，為了防止第三軌迂回，在側(cè)線股道采用單側(cè)回流連接，俗稱“一頭堵”的方式，如圖7所示。

究其根本原因，對電氣化回流的連接限制，來自于軌道電路自身的斷軌、斷線檢查，目前站內(nèi)股道有效長度約為650 m，因此在該長度條件下如何解決斷軌檢查是技術(shù)關(guān)鍵。另外，采用一根回流線的方式是存在問題的。如文中圖1描述的3G、5G、7G及遠(yuǎn)端叉線的半個車站的回流，均依靠從X3信號機(jī)處到X1信號機(jī)處的2根不到70 mm2電纜連接至正線，端頭處為單螺栓連接，應(yīng)從施工工藝角度提出更為可靠的連接方式及冗余連接方案。例如側(cè)線考慮不使用連接線完成回流，而是通過扼流中心連接板溝通回流連接，且增加電纜冗余連接。

圖7 單端回流情況下信號牽引回流示意圖

5.2 電流灼傷的原因和解決方向

在滬寧線的測試中，列車從股道駛?cè)胝€過程中，實測電流分布情況如圖8所示。

圖8 列車駛?cè)牒婉偝龉傻罆r的牽引電流

測試并統(tǒng)計了正常運營時段，駛?cè)牒婉偝龉傻罆r最大電流情況，通常接車時車列為卸載狀態(tài)，電流較小，發(fā)車時為加速狀態(tài)，電流較大，如圖9所示。

圖9 列車駛?cè)牒婉偝鰻恳娏鲗Ρ?/p>

根據(jù)上述電流的差異情況分析，若把電流切斷點設(shè)置于接車側(cè)，將可大幅降低列車通過回流切斷點時的功率，緩解燒損的程度。但是，側(cè)向通過進(jìn)路、反向發(fā)車等特殊應(yīng)用情況時，問題不能得到改善。為了能夠消除這種灼傷，尚需深入研究輪軌放電拉弧的形成機(jī)理，對站內(nèi)回流設(shè)置、車載輪對泄流方式的影響做進(jìn)一步研究。

6 總結(jié)

我國高鐵技術(shù)尚處于前期發(fā)展階段，對于運用中發(fā)現(xiàn)的各類技術(shù)問題尚需進(jìn)行技術(shù)研究，本文僅就擊穿絕緣的損傷方式進(jìn)行了分類描述和說明，真正解決絕緣燒損的技術(shù)尚有很多的基礎(chǔ)性工作要做，它對支持我國高鐵的快速穩(wěn)步發(fā)展，解決工程中的實際問題十分重要。