楊尚霄，劉家材，曹曉斌

0 引言

近年來，軌道交通以其舒適、便捷、運(yùn)量大等優(yōu)勢，在我國得到了快速發(fā)展。目前，我國鐵路網(wǎng)對人口20萬以上城市的覆蓋率已接近100%，鐵路運(yùn)輸方式在我國客運(yùn)和貨運(yùn)方面發(fā)揮著越來越重要的作用，確保鐵路系統(tǒng)的安全穩(wěn)定意義重大。

鋼軌與轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板之間的絕緣墊擊穿事故是北方運(yùn)煤專線上比較常見的故障，發(fā)生該故障后，轉(zhuǎn)轍機(jī)表面會帶電，危及鐵路巡檢人員安全。除此之外，大電流泄漏到鋼軌之外會造成牽引回流異常，可能引發(fā)其他不確定的連環(huán)事故。鋼軌與轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板之間的絕緣墊擊穿故障對鐵路系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅。本文擬對此類故障進(jìn)行分析，通過實(shí)驗(yàn)測量結(jié)合理論分析探尋故障發(fā)生的原因，并對此類故障提出針對性的防治措施。

1 絕緣墊擊穿故障概況

經(jīng)鐵路巡檢人員反映，轄區(qū)線路上觀察到一起漏電事故，漏電點(diǎn)位于鋼軌與轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板之間。事故發(fā)生時，供電段內(nèi)有一輛列車通過，故障點(diǎn)處的絕緣墊出現(xiàn)強(qiáng)烈的電弧擊穿現(xiàn)象，持續(xù)時間約1 min。

在電氣化鐵路中，鋼軌兼具電流導(dǎo)體的作用，當(dāng)列車從接觸網(wǎng)取流時，會有大電流通過鋼軌流回牽引變電所[1]。為了保證鐵路工作人員及沿線設(shè)備的安全，在敷設(shè)軌道時會用絕緣墊將鋼軌與大地及鐵路沿線設(shè)備隔離[3]。

轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝于鐵路道岔處，用于轉(zhuǎn)換列車行駛的軌道，其動作由信號樓控制，與信號樓之間通過埋地電纜連接。本文所述絕緣墊安裝于轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板與鋼軌之間，在鐵路系統(tǒng)正常運(yùn)行時，由于該絕緣墊的存在，轉(zhuǎn)轍機(jī)與鋼軌之間處于絕緣狀態(tài)。絕緣墊在鐵路系統(tǒng)中的位置如圖1所示。

圖1 絕緣墊位置示意

2 現(xiàn)場實(shí)測及分析

根據(jù)描述，故障發(fā)生時有大電流流過故障絕緣墊，而牽引回流的流通路徑主要受回流阻抗影響，在故障點(diǎn)處，牽引回流阻抗由絕緣墊阻抗和轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板的接地阻抗兩部分組成。對于運(yùn)煤線路，絕緣墊長時間安裝后，表面積污較嚴(yán)重，且列車經(jīng)過絕緣墊附近時產(chǎn)生的震動會使絕緣墊板之間出現(xiàn)晃動，弱化了絕緣墊板的絕緣性能，在鋼軌側(cè)流經(jīng)大電流的情況下，絕緣墊處很容易產(chǎn)生導(dǎo)電通道。絕緣墊導(dǎo)通后，轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板的接地電阻則成為漏電能否持續(xù)的關(guān)鍵，為此設(shè)計了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)對轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板的接地電阻進(jìn)行測量。

2.1 測量原理

測量接地電阻通常采用三極法，但轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板面積較大且未埋入土壤，三極法測量會產(chǎn)生較大的誤差[2，4]。本文利用串聯(lián)分壓原理結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計了轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板接地電阻的測量方法。

用Z1表示鋼軌與轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板之間的阻抗，Z2表示轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板接地電阻，則牽引電流經(jīng)絕緣墊回流的電路如圖2所示。

圖2 牽引電流經(jīng)絕緣墊回流電路

圖2 中，節(jié)點(diǎn)1與鋼軌相連，U表示鋼軌電位，以U1、U2分別表示阻抗Z1、Z2上承受的電壓，由串聯(lián)分壓原理可得

可以看出，測得Z1、U、U1值即可計算出轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板的接地電阻值Z2。

2.2 現(xiàn)場布線

如前所述，絕緣墊的阻抗值在列車行駛過程中將發(fā)生較大變化，本方案旨在測量Z2，為排除故障絕緣墊阻抗值變化對測量結(jié)果的影響，測量前將擊穿燒毀的絕緣墊取出，并將鋼軌與轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板之間的間隙清掃干凈，用一個阻值為200 Ω的大功率電阻連接鋼軌側(cè)與轉(zhuǎn)轍機(jī)側(cè)。經(jīng)處理后，鋼軌與轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板之間的阻抗Z1= 200 Ω。

鋼軌電位U為故障點(diǎn)處鋼軌與牽引變電所接地網(wǎng)的電勢差，從牽引所地網(wǎng)引出一根導(dǎo)線測量并不可行，可在離鋼軌足夠遠(yuǎn)（水平距離大于30 m為宜）處打入一個接地極，以故障處鋼軌與接地極間的電勢差來近似表示鋼軌電位。

本實(shí)驗(yàn)測量的電壓隨列車運(yùn)行而連續(xù)變化，因此采用示波器作為電壓測量設(shè)備。測試現(xiàn)場按圖3所示布線。

圖3 現(xiàn)場布線示意圖

2.3 測量方案及數(shù)據(jù)分析

2.3.1 故障點(diǎn)處轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板接地電阻測量

在故障點(diǎn)處按圖3所示布線，調(diào)試好設(shè)備后開始記錄U和U1波形，每通過一次列車，讀一次電壓數(shù)據(jù)，讀數(shù)取電壓波形的峰值。為使所記錄的樣本數(shù)據(jù)更具多樣性，在現(xiàn)場分別記錄了4趟上行列車和下行列車經(jīng)過時的數(shù)據(jù)，如表1、表2所示。

表1 上行列車通過時的實(shí)測數(shù)據(jù)

表2 下行列車通過時的實(shí)測數(shù)據(jù)

對比上、下行列車通過時的測量數(shù)據(jù)可以得出：上行列車通過時鋼軌電位高于下行列車通過時，轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板的接地電阻約為7 Ω。上行列車一般為滿負(fù)荷載煤重車，牽引回流較大，通過時鋼軌電位更高，而轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板在安裝時是對地絕緣安裝，約7 Ω的接地電阻值明顯過小。分析轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板的接地電阻過小可能是導(dǎo)致絕緣墊擊穿的原因。

2.3.2 非故障點(diǎn)處轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板接地電阻測量

為驗(yàn)證上述分析的正確性，在附近另外4處未發(fā)生絕緣墊擊穿事故的轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板處按同樣方式進(jìn)行測量，結(jié)果如表3、表4所示。

表3 上行列車通過時的實(shí)測數(shù)據(jù)

表4 下行列車通過時的實(shí)測數(shù)據(jù)

由表3、表4可知，正常情況下，轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板的接地電阻都在300 Ω以上，由此可見，故障點(diǎn)處絕緣墊擊穿與轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板的接地電阻過小有關(guān)。

3 故障的后續(xù)處理及防范措施

3.1 故障的后續(xù)處理

確定故障原因后，對轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板的接地路徑進(jìn)行了開挖排查。排查發(fā)現(xiàn)，由于電纜長期埋于地下，在埋地電纜與轉(zhuǎn)轍機(jī)接線盒連接處，電纜接頭腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致電纜的鎧裝層與接線盒的外殼直接相連，而接線盒外殼與轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板又是電氣連通的，即相當(dāng)于轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板與電纜的鎧裝層直接連通，加之轉(zhuǎn)轍機(jī)埋地電纜的鎧裝層采用單端接地的方式，一端與信號樓的接地網(wǎng)相連，由此導(dǎo)致了轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板接地電阻值過小。

將更換接頭的電纜重新埋入地下，測量轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板的接地阻抗值約為363 Ω，恢復(fù)到正常值范圍，故障排除。

3.2 絕緣墊擊穿隱患的防范措施

本次發(fā)生絕緣墊擊穿事故主要由兩方面的原因造成：一是絕緣墊安裝后受周邊自然條件影響和使用年限增長導(dǎo)致絕緣性能下降；二是因?yàn)殡娎|鎧裝層與接線盒外殼誤搭接導(dǎo)致轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板接地電阻過小。

發(fā)生絕緣墊老化是不可避免的自然現(xiàn)象，可采取定期清潔等措施延長絕緣墊使用壽命，定期檢查出現(xiàn)損毀的絕緣墊并及時更換。轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板的接地電阻過小是絕緣墊擊穿電流能夠持續(xù)的主要原因，對于這方面的防治，除使電纜的接頭盡量遠(yuǎn)離接線盒外殼外，在安裝轉(zhuǎn)轍機(jī)時，建議將轉(zhuǎn)轍機(jī)與固定鋼板絕緣安裝。

3.3 防范措施的使用效果

選取轄區(qū)鐵路內(nèi)經(jīng)常發(fā)生絕緣墊擊穿事故的供電段對上述措施的使用效果進(jìn)行嘗試性試驗(yàn)。使用改進(jìn)的轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝方式后，供電段內(nèi)鐵路系統(tǒng)運(yùn)行正常。上述措施應(yīng)用一年后，區(qū)間內(nèi)鋼軌與轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板間的絕緣墊擊穿事故相比前一年下降了70%，防治效果良好。

4 結(jié)語

本文基于串聯(lián)分壓原理設(shè)計了測量方案，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板接地電阻的測量。通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，得出轉(zhuǎn)轍機(jī)固定鋼板接地電阻過小是導(dǎo)致絕緣墊擊穿的主要原因，并由此排查出電纜鎧裝層與接線盒外殼誤搭接。同時，還針對性地提出了絕緣墊擊穿隱患的防范措施。