牽引供電系統(tǒng)故障對(duì)軌道電路影響的研究

宋東海

（中鐵電氣化局京滬高鐵維管公司，北京 100055）

1 鐵路牽引供電系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)介紹

鐵路牽引供電系統(tǒng)為機(jī)車(chē)提供穩(wěn)定、可靠的能源，包括牽引變電所和接觸網(wǎng)兩部分，前者主要起到電源的變換和分配作用，后者隨軌道架設(shè)，實(shí)際是為機(jī)車(chē)提供電能的一種特殊供電架空線(xiàn)路[1]。圖1為牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，此種方式為全并聯(lián)自耦變壓器（Auto Transformer，AT） 供電模式。

圖1 牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

鐵路信號(hào)系統(tǒng)的主要功能是指揮機(jī)車(chē)安全可靠地在軌道線(xiàn)路上運(yùn)行，一般包括車(chē)站聯(lián)鎖部分、行車(chē)調(diào)度控制部分（Centralized Traffic Control，CTC）、列車(chē)運(yùn)行控制部分（China Train Control System，CTCS） 和區(qū)間閉塞部分。前3 項(xiàng)一般在室內(nèi)布置，區(qū)間閉塞部分的大量采集端隨軌道在室外布置，此部分是為了確保行車(chē)安全而將列車(chē)正在運(yùn)行的線(xiàn)路區(qū)段進(jìn)行信號(hào)封閉，以實(shí)時(shí)顯示某一軌道信號(hào)區(qū)間的機(jī)車(chē)占用狀態(tài)，保證機(jī)車(chē)不會(huì)出現(xiàn)追尾或正面沖突情況[2]。圖2 為軌道電路電氣原理圖。

圖2 軌道電路電氣原理圖

2 牽引供電系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)的電流分布

從圖1 和圖2 可以看出，牽引供電系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)的共用設(shè)備部分為軌道和扼流變壓器。

牽引供電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)車(chē)通過(guò)接觸網(wǎng)取得電能，通過(guò)鋼軌和扼流變壓器，經(jīng)保護(hù)線(xiàn)（Protection Wire，PW） 流回牽引變電所。從圖2軌道電路電氣原理圖可知，牽引供電回流為I1，I2，I3和I4，為工頻或工頻的整數(shù)倍。在理想情況下，兩鋼軌中的牽引電流分別經(jīng)扼流變壓器、牽引線(xiàn)圈，再經(jīng)PW 線(xiàn)流回牽引變電所[3]。當(dāng)左、右鋼軌的牽引線(xiàn)圈匝數(shù)相等時(shí)，牽引電流在扼流變壓器左、右軌的牽引線(xiàn)圈中產(chǎn)生的磁通量相等，方向相反，所以牽引電流在扼流變壓器中造成的總磁通量為零，信號(hào)線(xiàn)圈上感應(yīng)電勢(shì)為零，信號(hào)線(xiàn)圈處不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)。但是在實(shí)際運(yùn)行中，左、右鋼軌的電流是不平衡的，因此信號(hào)線(xiàn)圈上會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)，此種情況客觀(guān)存在，可以通過(guò)各種手段進(jìn)行消除或屏蔽。

信號(hào)系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)是通過(guò)信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)接收器、扼流變壓器和鋼軌形成一個(gè)完整的信號(hào)回路。信號(hào)發(fā)生器實(shí)時(shí)不間斷發(fā)出異頻25 Hz 的電源信號(hào)，通過(guò)鋼軌和扼流變壓器進(jìn)行信號(hào)傳導(dǎo)。若有機(jī)車(chē)占用軌道則使得信號(hào)接收器被旁路，從而無(wú)法正常接收到此信號(hào)，此種狀態(tài)顯示為軌道占用的紅光狀態(tài)；若沒(méi)有機(jī)車(chē)占用軌道則信號(hào)接收器正常接收此信號(hào)，狀態(tài)顯示為軌道未被占用的白光狀態(tài)，圖3 為軌道電路紅光和白光狀態(tài)的電路示意圖。

圖3 軌道電路紅光和白光狀態(tài)的電路示意圖

3 故障情況和分析

在鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)在某一區(qū)段出現(xiàn)雷擊跳閘故障的情況，同時(shí)此區(qū)段的信號(hào)系統(tǒng)顯示軌道狀態(tài)為紅光狀態(tài)，但在運(yùn)行圖上確認(rèn)此區(qū)段此時(shí)間無(wú)任何機(jī)車(chē)存在，所以此軌道的紅光狀態(tài)信號(hào)應(yīng)為誤報(bào)、故障或出現(xiàn)了干擾。表1 為某高鐵某局管內(nèi)2012—2020 年?duì)恳╇娎讚籼l和信號(hào)異常紅光統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出，雷擊導(dǎo)致的牽引供電跳閘數(shù)與信號(hào)異常紅光數(shù)呈現(xiàn)出一定的正比例的關(guān)聯(lián)性。受采樣時(shí)間和樣本數(shù)量的限制，數(shù)據(jù)時(shí)高時(shí)低，但總體來(lái)看，信號(hào)異常紅光數(shù)占牽引供電跳閘數(shù)的比例在12%左右。

表1 2012—2020 年雷擊致?tīng)恳╇娞l和異常紅光情況

雷電的本質(zhì)為大量同種電荷的集合體，稱(chēng)之為雷電云，在它覆蓋地表附近的各類(lèi)物體尤其是導(dǎo)體時(shí)會(huì)感應(yīng)形成大量的與雷電云相反的電荷集合，且這種感應(yīng)電荷的積聚能力隨著與雷電云的距離減小而急劇提升[4]。當(dāng)雷電云距離地面越來(lái)越近即將放電的一瞬間，導(dǎo)體上的感應(yīng)電壓也達(dá)到最大值[5]，電壓和電荷數(shù)值的計(jì)算公式如下。

式中：Vc為雷擊發(fā)生后高電壓地區(qū)與大地之間的瞬時(shí)電壓，V；Ve為發(fā)生閃擊的一瞬間局部高電壓地區(qū)與大地之間的電壓，V；R為局部高電壓地區(qū)對(duì)地等效電阻，Ω；C為局部高電壓地區(qū)對(duì)地等效電容，F(xiàn)；t為雷擊延續(xù)的時(shí)間，s；Q為局部高電壓地區(qū)積累的電荷量，C。

由公式（1） 計(jì)算得知，高速鐵路高架結(jié)構(gòu)處形成的局部地區(qū)的感應(yīng)高電壓、接觸網(wǎng)對(duì)地電壓的最高極限可達(dá)100~200 kV，鋼軌線(xiàn)路對(duì)地電壓最高限可達(dá)40~60 kV[6]。

式中：W為放電能量，W；C為總電容量，F(xiàn)；U為雷擊時(shí)雷擊影響的導(dǎo)體對(duì)地的最大電位差，V；C1和C2為雷擊時(shí)鋼軌對(duì)地絕緣擊穿時(shí)的等效電容量，F(xiàn)。

由公式（2） 計(jì)算得知，雷擊時(shí)，若鋼軌對(duì)地絕緣擊穿，對(duì)地等效電容電阻比較大，這樣形成的局部高電壓會(huì)釋放電能量，局部可達(dá)108~1010J，此數(shù)量級(jí)的能量足以維持并有可能破壞絕緣，從而形成穩(wěn)定的接地通道[7]。

正常運(yùn)行時(shí)鋼軌對(duì)地絕緣電阻值≥100 MΩ，正常牽引供電回流和信號(hào)電量都不足以達(dá)到鋼軌的對(duì)地絕緣的最低限值，但雷擊時(shí)鋼軌對(duì)地電壓較高，有可能擊穿鋼軌，從而造成鋼軌信號(hào)回路錯(cuò)誤地顯示紅光，第117頁(yè)圖4 為信號(hào)系統(tǒng)鋼軌擊穿導(dǎo)致紅光電路圖。此外，雷擊時(shí)間段內(nèi)，接觸網(wǎng)對(duì)地電壓也較高，也有可能造成接觸網(wǎng)絕緣擊穿引發(fā)跳閘故障[8]。

圖4 信號(hào)系統(tǒng)鋼軌擊穿導(dǎo)致紅光電路圖

綜上所述，接觸網(wǎng)雷擊跳閘的同時(shí)信號(hào)系統(tǒng)顯示紅光，這兩個(gè)事件只具有時(shí)間上的偶合，并無(wú)直接的因果關(guān)系，只是由雷電這個(gè)公共的原因所導(dǎo)致。此外，牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)由于更靠近雷電云以及絕緣裕度遠(yuǎn)低于等高的供電線(xiàn)水平，因此發(fā)生故障的概率遠(yuǎn)高于信號(hào)系統(tǒng)的鋼軌對(duì)地絕緣擊穿故障。二者同時(shí)發(fā)生的機(jī)率雖然較低，但是存在。

4 應(yīng)對(duì)措施和建議

信號(hào)系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)實(shí)際上主要集中于信號(hào)樓以及連接各部件的信號(hào)電纜上，各個(gè)終端和鋼軌由于大小和所處位置不易受到直擊雷的侵?jǐn)_，因此針對(duì)其的防護(hù)是極其薄弱的。針對(duì)偶發(fā)性的感應(yīng)雷影響，由于概率極低，因此綜合考慮后沒(méi)有進(jìn)行防護(hù)，從而造成了這種偶發(fā)的紅光現(xiàn)象。

針對(duì)上述結(jié)論，可以采取以下措施來(lái)降低信號(hào)系統(tǒng)因感應(yīng)雷造成瞬時(shí)紅光的影響。

1） 提高鋼軌對(duì)地的絕緣強(qiáng)度。由公式（1） 可知，感應(yīng)雷對(duì)鋼軌造成的感應(yīng)電壓為40~60 kV，而正常的絕緣強(qiáng)度在均勻電場(chǎng)強(qiáng)度下空氣擊穿數(shù)值為30 kV/cm，因此提高鋼軌的絕緣強(qiáng)度較容易實(shí)現(xiàn)。

2） 在鋼軌信號(hào)區(qū)間裝設(shè)防雷模塊。防雷模塊具有高電壓導(dǎo)通、低電壓高阻的性能，因此可以有效地限制雷擊感應(yīng)電壓對(duì)鋼軌主絕緣的破壞，實(shí)踐中可以與措施1 配合使用，以提高可靠性。

3） 對(duì)于紅光信號(hào)增設(shè)一個(gè)延時(shí)判據(jù)。由于自然界的雷擊發(fā)生時(shí)限都是微秒級(jí)，因此感應(yīng)雷的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于此時(shí)間。若鋼軌發(fā)生感應(yīng)雷絕緣擊穿，那么信號(hào)接收器被旁路的時(shí)間，即紅光的時(shí)間也是微秒級(jí)，而正常機(jī)車(chē)占用導(dǎo)致鋼軌紅光的時(shí)間是大于秒級(jí)的，因此可以在信號(hào)系統(tǒng)中加一個(gè)毫秒判據(jù)。大于毫秒判據(jù)為正常紅光，正常顯示；小于毫秒判據(jù)為感應(yīng)雷影響，屏蔽此紅光不顯示。

5 結(jié)束語(yǔ)

鐵路牽引供電系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)屬于兩個(gè)不同的專(zhuān)業(yè)，兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員分別在自己的領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究和探索，但對(duì)于二者結(jié)合部的管理存在明顯的疏漏。當(dāng)結(jié)合部出現(xiàn)故障時(shí)，若己方設(shè)備檢查運(yùn)行工況正常，都側(cè)重于相信是對(duì)方設(shè)備對(duì)自己的設(shè)備造成了影響，那么無(wú)法得到故障的真正原因。鑒于此，針對(duì)任何專(zhuān)業(yè)涉及結(jié)合部的故障還需要不同專(zhuān)業(yè)的人聯(lián)合共同分析，并需要技術(shù)人員在日常工作中進(jìn)行創(chuàng)新性的研究。