高速铁路电弧灼伤钢轨和绝缘节问题研究 "

高速铁路电弧灼伤钢轨和绝缘节问题研究

杨?航1，2 刘志明1，2

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京?100070；

2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京?100070)

摘要：现场采集切断点处（“一头堵”）绝缘节两端的电压、电流和电弧录像，对电弧的特征和机理进行研究，详细分析影响电弧的四个要素、五个地面场景因素。发现降低动车组牵引电流和切断点绝缘节两端电压、切断点连通、低牵引等级、绝缘节厚度大于轮轨接触踏面横向长度能减弱电弧对钢轨及绝缘节的灼伤。

关键词：电弧；切断点；第三轨；绝缘节

DOI:?10.3969/j.issn.1673-4440.2017.05.026

1?概述

我国国情、路情复杂，尤其高速铁路牵引回流大、站场股道多，为了避免轨道电路形成“第三轨”，站内某些绝缘节处扼流变压器中心板不连通，这样牵引电流只能从单侧回流，另一侧形成回流切断点，该种情况俗称“一头堵”[1，2]。某高铁站六股道车站的平面图，在其侧线股道设置了四个“一头堵”，如图1所示。

高速铁路动车组速度高，牵引功率大，在轮对通过切断点位置，牵引电流的切断会带来电弧，如图2所示。钢轨被电弧灼伤会直接影响接头部位钢轨机械性能，钢轨使用寿命缩短，同时造成动车组通过时有安全风险。绝缘节是隔离相邻区段轨道电路的一种绝缘材质，可以使相邻区段的轨道电路信息隔离，保证列车的行车安全。绝缘节被烧破损或者炭化将导致轨道电路连通，造成串码、恶化分路等，形成红光带。

2?电弧灼伤过程

交流电弧产生和维持的物理过程比较复杂，电弧模型的建立涉及电弧能量散出的方式、等离子特性等因素。目前，较为完善的是Cassie电弧模型和Mayr电弧模型，以下根据电弧机理和现场测试，对电弧灼伤钢轨及绝缘节的过程进行说明。

电弧在空气中维持电弧燃烧的电压值很低，1?cm长的电弧弧柱电压仅为15?V左右[3]。轮对切断牵引电流的过程中，电弧被迅速拉长，电弧电压逐渐升高。这种轮对运动过程会产生高速的气流，高速的气流使弧柱热量很快向外传递，现场高速摄像机采集到的电弧往往是球状形态，如图2所示。

放电瞬间电弧是牵引电流的主要通道，电流产生的焦耳热使得电弧等离子体瞬间达到非常高的温度，电弧弧柱的中心温度可以达到6?000?℃。炽热的电弧通过传导、对流、辐射的方式向机械绝缘节以及钢轨传递热量，钢轨轨头以金属蒸气的形式挥发。电弧中存在金属蒸气，气体更容易游离，从而导致电弧更加剧烈，巨大的热量导致绝缘节炭化灼伤。

3?与电弧强度相关物理量分析

电弧强度与牵引回流的大小、切断点绝缘节两侧电压、切断的时刻和轮对通过绝缘节的速度等4个要素有关。

3.1?电弧与牵引电流、绝缘节两侧电压分析

现场测试采集了单侧回流条件下，侧线发车动车泄放的牵引电流、切断点处绝缘节两端电压和高速摄像机拍摄的电弧照片。按照球状电弧的直径大小，对电弧强度归纳为4个等级，如图3所示。

图3中4种电弧等级分别对应不同工况的动车泄放电流和切断点绝缘节两端电压。为描述方便，在无电弧出现时，电弧等级为0级。5种牵引电流等级条件下，对应的绝缘节两端电压，及瞬态电弧出现的最高等级如表1所示。

现场记录的动车组泄放电流最高在240?A以上时，此时绝缘节两端电压为60?V以上，电弧强度达到4级。该情况通常出现在切断点设置在发车进路侧，此时电弧对钢轨及绝缘节灼伤最严重。

在动车组泄放的牵引电流小于80?A时，绝缘节两端形成的电压在20?V以下，此时高速摄像机观测不到明显电弧，现场钢轨及绝缘节无明显灼伤。

3.2?电弧与切断时刻分析

在现场测试，观测不同轮对过绝缘节时，每次观察到的电弧等级不完全相同，与交流电弧在不同时刻被切断有关。如图4所示，描述绝缘节两端电压波形在不同时刻切断对电弧的影响。下面对于半个周期（0.01?s）的波形，按照5种不同的切断时刻进行分析。

1）0～0.001?s之间在过零点周围，由于电压较小，在间隙之间形成电场的强度较低，导致轮轨接触表面在强电场作用下逸出的自由电子很少，碰撞游离过程程度较轻，难以产生自持放电，出现的电弧概率很低。

2）0.001～0.004?s时间内易出现拉弧，拉弧持续时间长且强度大，实际电弧电压波形如图5所示。

拉弧前电压波形为正弦电压，当轮对压过绝缘节连通绝缘节两端钢轨时，瞬时短路两端钢轨，此时绝缘节两端电压为0。轮对前行断开通路，造成拉弧，此时绝缘节电压随着轮对拉开与离去侧钢轨的距离而增大。当一定距离时，达到去游离复合，绝缘节两端电压不足以维持住电弧燃烧，电弧熄灭。电弧从起弧、剧烈燃烧到熄灭持续了7.5?ms。

3）在中间时刻附近最易拉弧，电弧强度大，持续时间较长，如图6所示。

电流切断过程同2）中类似，在瞬态电压最高的时刻被切断，间隙间形成的电场强度最大。强电场发射作用明显，产生自由电子更多，碰撞游离过程更剧烈，使自持放电更强烈，最容易起弧，需要指出的是这种情况电弧持续时间较2）中要短一些，在5?ms左右。

4）0.006～0.008?s时间出现了电弧，但电弧强度和持续时间相比于3）和2）减小，如图7所示。

这种情况下，间隙之间形成的电场强度较小。强电场发射作用不明显，产生自由电子较少，碰撞游离过程不明显，所以电弧电压幅值减小，电弧持续的时间也明显减小。

5）0.008～0.01?s时间和0～0.001?s时间类似，在过零点附近，此时间内绝缘节两端电压较小，难以产生自持放电，出现的电弧概率很低。

3.3?电弧与轮对通过绝缘节速度分析

轮对通过的速度增大，电弧持续的时间缩短，电弧所释放的能量降低，从而降低对钢轨及绝缘节的灼伤。但是在现场此类过程难以通过实验进行验证，因为当动车组增大速度时，同时会提高动车组牵引档位，引起泄放的牵引电流增大，会导致电弧增大。电力断路器的原理是通过快速弹簧快速拉断动静触头，缩短电弧持续的时间。轮对通过绝缘节的速度与电力断路器拉断的原理类似。

综合以上4个要素对电弧的影响分析，归纳如下：

1）电弧强度与切断的电流大小有直接关系，轮对切断的电流越大，电弧强度越高；

2）绝缘节两端电压是维持电弧燃烧的必要条件，电压越大，电弧弧柱维持长度越长；

3）电弧的产生和强度与绝缘节两端电压切断时刻有关，在电压过零点附近被切断时产生电弧的概率低，在电压波峰附近被切断时产生电弧概率大；

4）电弧的持续时间与轮对通过绝缘节的速度有关，速度越快，电弧持续时间越短。

根据实际情况，切断时刻和轮对通过绝缘节速度并不可控。因此，减弱电弧强度的方法如下：

1）减小切断点绝缘节两端的电压；

2）减小轮对与钢轨的切断电流。

4?地面场景因素对电弧的影响分析

基于第2节中的分析结论，对地面若干场景因素对电弧强度影响进行分析。

4.1?回流点连通和断开对电弧影响

根据现场测试分析，电弧主要发生在设置了回流切断点绝缘节处，以下对回流切断点连通和断开的情况影响分析。

1）扼流变压器中心板连通

如图8所示，绝缘节两端的阻抗非常小，绝缘节两端的电压取决于流过扼流变压器的回路电流和扼流变压器阻抗的乘积，该电压在理想情况下为0，不能维持电弧。当扼流变压器中心板连通时，轮对过绝缘节时不会出现电弧。

2）扼流变压器中心板未连通

如图9所示，电流只能单向找到一条通路，列车泄放的牵引电流流经钢轨回到牵引变电所，在绝缘节两端形成电压，从而产生电弧。

4.2?牵引档位对电弧的影响

通过现场测试，统计侧线发车的两批车辆，第一批以10级牵引等级共计8列车，第二批以5级牵引等级9列车。列出在两种牵引等级下，拉弧动车占侧线发车总数的比例如表2所示。

从表2中可以发现侧线发车，5级和10级都会出现拉弧，且拉弧概率基本相同。

对10级和5级条件下的电弧强度做对比，如图10所示。当牵引等级为10级时，拉弧火花直径d≥50?mm的数量较多，占总量的39%；而当牵引等级为5级及以下时，仅为20%。

调查发现，10级牵引时电流约为350?A，5级牵引时约为150～200?A，而根据U=I×Z，5级牵引等级发车启动相对10级发车启动，大大降低切断电流，也降低牵引回流引起的绝缘节两端电压，可以有效减轻电弧强度。

4.3?泄流与非泄流轮对电弧的影响

泄流轮对是指为满足工作接地的要求，通过牵引变压器一次侧直接与接地装置连接，再通过接地装置连接到轮对。非泄流轮对是指转向架没有接入工作接地的接地端子，而是和车体绝缘处理，从而不会有纵向牵引电流通过的轮对。

现场对泄流轮对和非泄流轮对各自出现拉弧的比例进行统计，如图11所示。

从图11中可以看出，拉弧现象在泄流轮对和非泄流轮对中均出现。

泄流和非泄轮对通过切断点过程示意如图12所示。

对于泄流轮对，有纵向泄放的牵引电流被切断，且绝缘节两端存在电压，泄流轮对易拉弧。

非泄流轮对本身没有纵向电流，牵引电流通过泄流轮对和钢轨返回变电所。当非泄流轮对短路切断点的绝缘节两端时，通过非泄流轮对，建立一条新的横向电流回路。当非泄流轮对离开绝缘节时，绝缘节两端有电压，且此时切断了横向电流，满足电弧维持的必要条件，所以非泄流轮对过切断点时也产生拉弧。

4.4?绝缘节错位对电弧影响

根据现场前期调查发现，有切断点的机械绝缘节远端灼伤比较严重，近端比较轻，经分析与绝缘节错位有关。

1）轮对过绝缘节之前

如图13所示，钢轨1和2因有轮对占用等电位（钢轨标灰色），轮对按箭头方向前行。

2）轮对过近端绝缘节

如图14所示，在车轮a通过近端绝缘节A时，车轮a的纵向电流通过车轮b从钢轨1泄放，横向电流存在切断。但是钢轨1和钢轨4通过轮对短接，钢轨1和钢轨2通过其他轮对短接，绝缘节A两端钢轨2和钢轨4相当于短接，此时不论车轮a是否存在纵向或横向电流切断，都难以出现电弧。

3）轮对过远端绝缘节

如图15所示，车轮b通过远端绝缘节B的过程和上述情况类似，纵向电流通过车轮a泄放，横向电流切断，且不存在旁路，能产生电弧。

综上所述：车轮过近端绝缘节时，难以产生拉弧；车轮过远端绝缘节时，车轮能产生电弧。

4.5?绝缘节厚度对电弧影响

轮对压在钢轨上，轮轨间会形成接触踏面。实际上根据现场情况，接触踏面的横向长度可以达到10?mm，绝缘节的厚度为6?mm，正常情况下会形成跨压，如图16所示。

轮轨接触踏面横向长度大于绝缘节厚度，轮对能和绝缘节两端钢轨形成跨压，泄流轮对和非泄流轮对离开绝缘节时都电流切断，且在离开前后绝缘节两端有电压，即轮轨接触踏面横向长度大于绝缘节厚度时，泄流和非泄流轮对都有可能拉弧。

如果存在轮轨接触踏面横向长度小于绝缘节厚度，如图17所示。

轮轨接触踏面横向长度小于绝缘节厚度，轮对能够形成悬浮，泄流轮对因为有纵向电流切断可能出现拉弧。非泄流轮则没有建立新的电流通路，没有电流横向电流被切断过程，即非泄流轮对不会拉弧。

综上所述：轮轨接触踏面横向长度大于绝缘节厚度，泄流和非泄流轮对都可能拉弧；轮轨接触踏面横向长度小于绝缘节厚度，只有泄流轮对拉弧。

5?结束语

通过上述分析发现，在存在回流切断点（“一头堵”）的高速铁路站内，可以通过下述方法减弱电弧对钢轨和绝缘节的灼伤。

1）减小绝缘节两端的电压；减小轮对与钢轨的切断电流。

2）切断点连通、低牵引等级、绝缘节厚度大于轮轨接触踏面横向长能减弱电弧对钢轨及绝缘节的灼伤。

参考文献

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（收稿日期：2015-12-25）

原文转载自《铁路通信信号工程技术》期刊