王語(yǔ)園

0 引言

鋼軌是軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部件。城市軌道交通線路上如果出現(xiàn)鋼軌斷裂就有可能造成列車出軌、傾覆等重大行車安全事故，造成人員傷亡和巨額財(cái)產(chǎn)損失[1，2]。

采取預(yù)防措施是避免斷軌發(fā)生并引發(fā)事故的重要途徑。要預(yù)防發(fā)生斷軌，就要研究如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷軌。目前，國(guó)內(nèi)主要使用手推式探傷小車進(jìn)行人工巡檢、大型鋼軌探傷車進(jìn)行定期巡檢和采用軌道電路對(duì)鋼軌進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等方法進(jìn)行斷軌檢 測(cè)[3，4]。前2 種方法不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷軌，只有軌道電路可以完成實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)。

然而，隨著包括使用全球定位技術(shù)、衛(wèi)星通信和其他通信技術(shù)的列控技術(shù)的出現(xiàn)，徹底擺脫了依賴鋼軌完成列車占用檢查和傳輸機(jī)車信號(hào)的問(wèn)題，取消了軌道電路，依靠軌道電路的斷軌檢測(cè)功能也 隨之消失[5，6]。因此，需要采用其他斷軌檢測(cè)方法，以確保鋼軌的完好。

1 直流牽引回流斷軌檢測(cè)原理

城市軌道交通采用直流牽引供電系統(tǒng)，通過(guò)第三軌或架空接觸網(wǎng)供電，用鋼軌作為牽引回流電路的組成部分。如果鋼軌斷裂，牽引回流在該段鋼軌中的流動(dòng)會(huì)被阻斷，不正常的電流通過(guò)軌道之間的橫連線達(dá)到平衡。如果可以檢測(cè)到斷軌引起的不平衡電流，并且利用該不平衡電流可以判斷鋼軌情況，該斷軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是可行的。牽引回流斷軌檢測(cè)原理圖如圖1所示。

圖1 牽引回流斷軌檢測(cè)原理圖

由圖1可以看出，上下行線路間及鋼軌間的橫連線將鋼軌并聯(lián)，并將鋼軌分成若干個(gè)區(qū)間。電流傳感器安裝在2 條鋼軌之間的橫連線處，測(cè)量2 條軌之間流過(guò)的電流。當(dāng)鋼軌完好時(shí)，2 條軌之間橫連線上電流傳感器檢測(cè)到的電流較小。如果其中一條鋼軌發(fā)生斷裂，電阻大大增加，該軌中的牽引回流被阻斷，2 條軌之間電流不平衡，橫連線上電流傳感器檢測(cè)到的電流較大，大于某個(gè)預(yù)設(shè)的閥值，從而實(shí)現(xiàn)斷軌的檢測(cè)。

2 直流牽引回流斷軌檢測(cè)方法

2.1 直流牽引回流斷軌檢測(cè)系統(tǒng)建模

采用MATLAB/Simulink 仿真工具建立模型仿真分析。以地鐵3.6 km 軌道為例進(jìn)行系統(tǒng)建模。假定2 個(gè)牽引變電所的距離是3.6 km。將供電區(qū)間分成6 等份，每段0.6 km，鋼軌各段通過(guò)鋼軌接續(xù)線和軌道橫向連接線連接，上下行之間也用橫連線連接。變電所采用750 V 直流電源，機(jī)車牽引電流假定為600 A，采用接觸軌供電。變電所、接觸軌（第三軌）的一段和機(jī)車分別用“Substation”、“Third rail”和“Train”標(biāo)示。接觸軌每段由2 個(gè)電阻組成，每個(gè)電阻0.008 Ω，代表0.3 km 的接觸軌電阻。用“Track”標(biāo)示的一段鋼軌，由4 個(gè)電阻組成，每個(gè)電阻0.02 Ω，代表0.3 km 鋼軌電阻。3#、4#、5#和6#端子用于和左右兩邊模塊連接；7#、8#端子用于模擬斷軌，連接時(shí)表示軌道完整，不連接時(shí)表示斷軌；1#和2#端子用于測(cè)量2 條鋼軌之間的不平衡電流。每個(gè)分段上下行軌道之間的橫連線電阻為0.005 Ω，鋼軌對(duì)地的泄漏電阻取1 Ω。直流牽引回流斷軌檢測(cè)模型如圖2所示，是變電所在兩邊有一個(gè)斷軌的模型圖。

圖2 直流牽引回流斷軌檢測(cè)模型圖

2..2 系統(tǒng)仿真

實(shí)際運(yùn)營(yíng)的直流牽引供電系統(tǒng)大多采用雙邊供電，即2 個(gè)變電所在供電區(qū)間兩端向同一區(qū)間供電。圖2是變電所在兩端有一個(gè)斷軌的模型，圖中“Track7”的7#和8#端子沒(méi)有連接表示斷軌，C1/1—C2/6 表示軌間橫連線上電流傳感器讀數(shù)。牽引變電所采用一個(gè)簡(jiǎn)單的直流電源代替，輸出電壓為750 V，因?yàn)樵擁?xiàng)研究目的是確定鋼軌不平衡回流在各種負(fù)載下的情況，所以沒(méi)有采用真實(shí)的帶電壓調(diào)整的整流變電所。“Train”代表機(jī)車，其牽引電流是變化的。為了模擬實(shí)際運(yùn)行時(shí)的各種情況，下面分別進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果中小于1 mA 的電流以0 表示。

在不同情況下，仿真結(jié)果如下：

（1）牽引變電所在兩端，一列火車，沒(méi)有斷軌。列車牽引電流取600 A，牽引變電所位于供電區(qū)間的兩端，列車從左端行駛到右端，在仿真圖中列車位置在距左端0 km 到3.6 km 變化，C1/1—C2/6 讀數(shù)都為0，說(shuō)明在該模型中沒(méi)有斷軌。

（2）牽引變電所在兩端，一列火車，一處斷軌。牽引變電所分別位于距左端0 km 和3.6 km 位置，牽引電流取600 A，斷軌用“Track7”表示。列車從左端行駛到右端，C1/1—C1/6 讀數(shù)見(jiàn)表1。

從表1可以看出，機(jī)車在軌道上運(yùn)行，可以得到不斷變化的不平衡電流值，由于區(qū)段兩端都有變電所，斷軌必定位于機(jī)車和變電所之間，可以測(cè)得明顯的不平衡電流，從而檢測(cè)出斷軌。

表1 列車經(jīng)過(guò)時(shí)檢測(cè)到的電流值表

（3）機(jī)車取流的影響。牽引變電所位于左端0 km 處，機(jī)車位于右端3.6 km 處，改變機(jī)車牽引電流，C1/1—C1/6 讀數(shù)見(jiàn)表2。

從表2可以看出，在機(jī)車正常運(yùn)行時(shí)，不論是空載還是滿載，牽引電流值都滿足檢測(cè)斷軌的需要，都可以檢測(cè)出斷軌。

表2 機(jī)車牽引電流變化時(shí)檢測(cè)到的電流值表

（4）用電阻代替機(jī)車。利用列車經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的牽引回流進(jìn)行斷軌檢測(cè)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。在該基礎(chǔ)上，以4 Ω的小電阻代替機(jī)車溝通牽引回路，可以在沒(méi)有列車經(jīng)過(guò)時(shí)進(jìn)行斷軌檢測(cè)。牽引變電所位于兩端，斷軌用圖中“Track7”表示。電阻在軌道上變化，C1/1—C1/6 讀數(shù)見(jiàn)表3。

從表3可以看出，電阻不能位于變電所附近，在其他位置都可以測(cè)出由于斷軌引起的不平衡電流，所以用電阻代替機(jī)車進(jìn)行斷軌檢測(cè)是可行的。在列車到來(lái)前，讓電阻溝通牽引回路進(jìn)行斷軌檢測(cè)，電阻在線時(shí)間由列車運(yùn)行圖決定。

表3 利用電阻代替機(jī)車時(shí)檢測(cè)到的電流值表

3 結(jié)論

通過(guò)直流牽引回流斷軌檢測(cè)系統(tǒng)的仿真分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）牽引回流斷軌檢測(cè)技術(shù)提供了一種低成本的長(zhǎng)距離斷軌檢測(cè)方案，可以利用現(xiàn)有的軌道橫連線的連接方式，只需在橫連線上加裝電流傳感器，在長(zhǎng)距離鋼軌的檢測(cè)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

（2）當(dāng)斷軌位于負(fù)載和牽引變電所之間時(shí)，可以檢測(cè)到較大的不平衡電流，從而快速檢測(cè)出斷軌。而斷軌位于負(fù)載和變電所之外時(shí)，不平衡電流較小，需經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)后得出一個(gè)電流閥值，檢測(cè)出的電流大于該電流值時(shí)報(bào)警，表示檢測(cè)出斷軌。

（3）為了提高牽引回流斷軌檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，在檢測(cè)區(qū)段的末端設(shè)置轉(zhuǎn)換電阻負(fù)載，在列車到來(lái)前可采用電阻負(fù)載在線監(jiān)測(cè)，在線時(shí)間應(yīng)根據(jù)列車運(yùn)行實(shí)際情況確定。

[1]田銘興，陳云峰，趙斌，等.實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法綜述[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（1）：122-126.

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[3]史宏章，任遠(yuǎn)，張友鵬，等.國(guó)內(nèi)外斷軌檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與研究[J].鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù)，2010，10（4）：1-7.

[4]黃德勝，張巍.地下鐵道供電[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

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