重載電氣化鐵路軌道燒蝕解決方案

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安,710043）

重載電氣化鐵路軌道燒蝕解決方案

彭 偉

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安,710043）

本文通過(guò)對(duì)某重載電氣化鐵路軌道燒蝕現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研，結(jié)合該重載鐵路牽引負(fù)荷的分布、牽引供電回流系統(tǒng)設(shè)置情況，分析并得出了鋼軌電位是引起電氣化鐵路軌道燒蝕的重要原因。同時(shí)對(duì)鋼軌電位進(jìn)行了的理論分析和計(jì)算推導(dǎo)，并研究提出了降低鋼軌電位的技術(shù)思路和工程措施，解決了現(xiàn)場(chǎng)鋼軌電位過(guò)高引起軌道燒蝕的問(wèn)題。研究結(jié)果表明：電氣化鐵道尤其是重載鐵路，可采取增加接觸網(wǎng)與鋼軌間互阻抗、降低鋼軌泄漏電阻等工程措施改善牽引回流分布、降低鋼軌電位，以避免軌道燒蝕等設(shè)備損害及對(duì)人體安全的威脅。

電氣化鐵路；軌道燒蝕；鋼軌電位；解決方案

0 前言

隨著電氣化鐵路的運(yùn)營(yíng)速度、線路坡度、電力機(jī)車(chē)牽引定數(shù)的不斷提高，相應(yīng)大功率機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)組也陸續(xù)投入運(yùn)行，列車(chē)牽引負(fù)荷逐漸增大，牽引回流也不斷增加，從而引起較高的鋼軌電位，當(dāng)鋼軌電位達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，可能會(huì)燒蝕鐵路設(shè)施設(shè)備，甚至威脅工作人員的人身安全。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)電氣化鐵路尤其是高速鐵路牽引回流及鋼軌電位特性等問(wèn)題研究較多，研究側(cè)重于理論分析、仿真計(jì)算、模擬測(cè)試，相關(guān)文獻(xiàn)中，關(guān)于鋼軌電位對(duì)設(shè)備的損害研究較少，工程實(shí)踐甚少，鮮有解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題的案例。

作者通過(guò)對(duì)某煤運(yùn)重載鐵路軌道燒蝕現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查，研究了引起軌道電弧燒蝕的重要因素鋼軌電位，結(jié)合電氣化鐵路鋼軌電位的理論分析及計(jì)算推導(dǎo)，提出通過(guò)增加接觸網(wǎng)與鋼軌間互阻抗、降低鋼軌的泄漏電阻等降低鋼軌電位的解決方案，采取增設(shè)橫向電聯(lián)接、增設(shè)吸上線等工程措施，優(yōu)化牽引回流、降低鋼軌電位，解決了現(xiàn)場(chǎng)軌道燒蝕的問(wèn)題。研究結(jié)果及解決方案，可供電氣化鐵路設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)參考應(yīng)用。

1 軌道燒蝕

1.1 軌道燒蝕的現(xiàn)象

某煤運(yùn)重載鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：復(fù)線半自閉、雙機(jī)SS4機(jī)車(chē)牽引10000t、重車(chē)上坡，鐵路運(yùn)營(yíng)現(xiàn)場(chǎng)車(chē)站信號(hào)閉塞區(qū)段軌道以及道岔扣板燒蝕，具體燒蝕現(xiàn)場(chǎng)情況如下：

（1）軌道的燒蝕

現(xiàn)場(chǎng)拍照比對(duì)正常的軌道（圖1）與燒蝕后的軌道（圖2），圖2軌道燒蝕發(fā)生在車(chē)站的進(jìn)站端上下行岔道間，運(yùn)營(yíng)部門(mén)反應(yīng)軌道絕緣處夜間經(jīng)常出現(xiàn)弧光，近距離查看為鋼軌電弧燒蝕，更換軌道絕緣片后未能解決燒蝕問(wèn)題，信號(hào)設(shè)備頻繁異常工作，嚴(yán)重影響列車(chē)運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

圖1 正常的軌道絕緣

圖2 燒蝕的軌道絕緣

（2）道岔扣板的燒蝕

1.2 軌道燒蝕原因分析

對(duì)煤運(yùn)重載鐵路軌道絕緣燒蝕現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查及研究表明，與高速鐵路動(dòng)車(chē)通過(guò)并燒蝕軌道絕緣不同，本鐵路不僅僅有軌道絕緣燒蝕，還有道岔扣板燒蝕，可以肯定軌道燒蝕的主要原因是鋼軌電位電壓過(guò)高引起。由于現(xiàn)場(chǎng)列車(chē)牽引定數(shù)增大、運(yùn)力加強(qiáng)后，鋼軌電流及鋼軌入地電流增大，鋼軌間鋼軌電位升高，較大的電流、電壓作用導(dǎo)致軌道燒蝕。

為此，需對(duì)引起軌道燒蝕的主要因素鋼軌電位進(jìn)行研究，并根據(jù)研究結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)牽引負(fù)荷的分布、牽引供電回流系統(tǒng)設(shè)置情況，提出降低鋼軌電位的解決方案及工程措施，避免軌道燒蝕等危害的發(fā)生。

2 鋼軌電位分析研究

交流電氣化鐵路鋼軌電位的危害中，電流燒蝕現(xiàn)象最為明顯、直觀，本文將通過(guò)對(duì)引起軌道電弧燒蝕主要因素鋼軌電位進(jìn)行研究，提出降低鋼軌電位的工程措施，以避免軌道燒蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生，減小對(duì)鐵路運(yùn)輸安全的影響。

2.1 牽引回流數(shù)學(xué)模型

通過(guò)建立電氣化鐵路牽引回流數(shù)學(xué)模型，對(duì)鋼軌電位的進(jìn)行理論研究。

圖3 牽引回流模型

如圖3牽引回流模型所示，分布參數(shù)電路簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型如下：

E——牽引網(wǎng)電流在鋼軌上引起的感應(yīng)電壓；

Y——鋼軌地泄漏導(dǎo)納。

2.2 鋼軌電位的分布

對(duì)于目前應(yīng)用廣泛的帶回流線的直接供電方式，結(jié)合接觸網(wǎng)的電流回路的確定邊界條件，求出A、B和E的值，可得鋼軌電壓電流分布為：

L——為列車(chē)與牽引變電所距離。

2.3 降低鋼軌電位的分析

通過(guò)上述對(duì)鋼軌電位進(jìn)行的理論研究和計(jì)算推導(dǎo)可知，鋼軌電位的大小主要由機(jī)車(chē)負(fù)荷電流、列車(chē)與變電所距離L、接觸網(wǎng)鋼軌間互阻抗、鋼軌自阻抗以及鋼軌-地泄漏導(dǎo)納Y等因素決定，為此可以通過(guò)改變上述參數(shù)，降低鋼軌電位的影響。

實(shí)際在鐵路設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)及維護(hù)過(guò)程中，列車(chē)牽引負(fù)荷、接觸網(wǎng)系統(tǒng)、鋼軌、是由鐵路運(yùn)輸要求的實(shí)際情況決定，調(diào)整的可行性較小，而通過(guò)改變接觸網(wǎng)與鋼軌間互阻抗及鋼軌-地泄漏導(dǎo)納降低鋼軌電位比較可行。

2.4 降低鋼軌電位的主要方法

通過(guò)降低鋼軌電位的分析可知，具體可采取以下措施降低鋼軌電位：

（1）增加接觸網(wǎng)與鋼軌間互阻抗

1）增加回流線設(shè)置，可改造直接供電方式為帶回流線的直接供電方式。

2）增加扼流變及吸上線數(shù)量，加大鋼軌與回流線電氣連接的密度。

（2）降低泄漏電阻

1）采取降阻措施，降低鋼軌泄漏電阻。

2）設(shè)置橫向電聯(lián)接，將上下行鋼軌充分電氣聯(lián)接。

3）沿線路增設(shè)綜合地線，與上下行的鋼軌、保護(hù)線等電氣聯(lián)接。

4）利用線路本身和線路旁邊的各種建筑、結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)作自然接地極。

5）設(shè)集中接地極，將有關(guān)設(shè)施設(shè)備接地。

3 軌道燒蝕解決方案

3.1 鋼軌電位的核算

（1）現(xiàn)場(chǎng)列車(chē)負(fù)荷情況

現(xiàn)場(chǎng)重載鐵路雙機(jī)牽引單邊重載持續(xù)上坡，列車(chē)牽引電流可達(dá)690A，按照供電臂1趟列車(chē)運(yùn)行，1趟列車(chē)車(chē)站啟動(dòng)估算，車(chē)站附近區(qū)段的牽引回流可達(dá)1380A。

（2）鋼軌回流設(shè)置情況

現(xiàn)場(chǎng)鐵路采用帶回流線的直接供電方式，線路區(qū)間鋼軌經(jīng)扼流變通過(guò)吸上線與回流線電氣連接，車(chē)站信號(hào)機(jī)扼流變未與回流線電氣連接，上、下行鋼軌間無(wú)橫向電氣連接，車(chē)站上、下行渡線處設(shè)置軌道絕緣片。

3.2 解決軌道燒蝕的工程措施

通過(guò)對(duì)鋼軌電位的理論分析可知，降低鋼軌電位可以通過(guò)增加接觸網(wǎng)與鋼軌間互阻抗、降低鋼軌的泄漏阻抗予以實(shí)現(xiàn)，針對(duì)既有運(yùn)營(yíng)鐵路，需要盡量采取工程簡(jiǎn)單、投資較省、降低鋼軌電位明顯、對(duì)運(yùn)營(yíng)干擾少的解決方案，可著重從以下兩個(gè)方面分析研究。

（1）增加接觸網(wǎng)與鋼軌間互阻抗

煤運(yùn)重載鐵路已采用帶回流線的直接供電方式，可將上、下行線路進(jìn)站信號(hào)機(jī)扼流變中性點(diǎn)與回流線電氣連接，進(jìn)一步增加接觸網(wǎng)與鋼軌間互阻抗。

（2）降低泄漏電阻

通過(guò)降低泄漏電阻來(lái)降低鋼軌電位，具體可采取的工程措施較多，核心是盡量將鋼軌通過(guò)扼流變中性點(diǎn)與接地體電氣相連以達(dá)到降低泄漏電阻的目的。

3.3 解決軌道燒蝕的工程措施

現(xiàn)場(chǎng)提出以疏代堵的方式，將進(jìn)站信號(hào)機(jī)扼流變中性點(diǎn)與回流線電氣連接，同時(shí)將上、下行線路進(jìn)站信號(hào)機(jī)扼流變中性點(diǎn)電氣連接，使上、下行線路鋼軌等電位，同時(shí)降低了鋼軌的泄漏電阻，解決了鋼軌電位過(guò)高的問(wèn)題。

現(xiàn)場(chǎng)采取工程措施為：通過(guò)約15米截面185 mm2電纜，將進(jìn)站端上、下行扼流變中性點(diǎn)與回流線分別電氣連接，通過(guò)10米截面90mm2銅纜將上、下行線路進(jìn)站信號(hào)機(jī)扼流變中性點(diǎn)電氣連接，工程實(shí)施后徹底解決軌道燒蝕問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)未再次發(fā)生軌道燒蝕。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合鐵路軌道燒蝕工程實(shí)例，通過(guò)對(duì)軌道燒蝕主要因素鋼軌電位進(jìn)行分析，研究了降低鋼軌電位的解決方案，提出工程措施解決了軌道燒蝕的問(wèn)題。

對(duì)牽引定數(shù)、線路單邊坡度、線路通過(guò)能力均較大及運(yùn)營(yíng)速度較高的電氣化鐵路，建議在不影響信號(hào)設(shè)備安全工作的前提下，根據(jù)鐵路牽引供電負(fù)荷實(shí)際情況，可增加鋼軌與回流線電氣連接的吸上線設(shè)置密度，將進(jìn)站端上、下行扼流變中性點(diǎn)電氣連接，以降低鋼軌泄漏電阻，減小軌道和大地的牽引回流引起的鋼軌電位，可以避免鋼軌電位過(guò)高對(duì)人體的威脅和對(duì)軌道燒蝕等設(shè)備的損害。

[1] 鐵道部工程設(shè)計(jì)鑒定中心.鐵路綜合接地和信號(hào)設(shè)備防雷系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)指南[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2009

[2] 雷棟.高速鐵路牽引回流及鋼軌電位特性研究[D].西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

[3] 劉明光 李 娜 屈志堅(jiān).鋼軌電位分布模型及仿真[J]北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，2（34）：137-141.

Solution of rail sparkwear on heavy electrified railway

Peng Wei
（China Railway First Survey & Institute Group,Xi’an,710043,China）

Adopting from theoretical analysis of rail potential,focusing on the examples rail insulation ablation caused by higher rail potential,it has put forward measures to solve the effect of rail potential on the equipment.The results show that:The electrified railway especially heavy rail,can take to increase the mutual impedance and leakage resistance,to ameliorate return current distribution,reduce the rail potential,and avoid the damage to the equipment and threats to the human body.

Electrified railway;rail sparkwear;Rail potential; Solutions

U228.7

B

彭偉（1982—）,男，工程師，2005年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)，工學(xué)學(xué)士。