高速铁路牵引电流烧毁绝缘节解决方案

摘要：鐵路信号站内工程设计时为了防止轨道电路迂回回路的形成，对于侧线股道实施“一头堵”，但由于高速铁路牵引电流较大并造成回流不畅，对“一头堵”处的机械绝缘节造成拉弧、烧损现象，存在重大的安全隐患。现对高速铁路站内绝缘节烧损的原因进行分析，并提出解决方案。

关键词：高速铁路；牵引电流；迂回回路；绝缘节

1、轨道电路迂回回路的形成及对轨道电路的影响

电气化铁路都是由钢轨及轨道电路中的扼流变压器来沟通牵引电流并最终流向牵引变电所，当站内所有相邻轨道电路区段扼流变压器中心点都相连时，轨道电路将会形成迂回回路，轨道继电器在有车占用时不能可靠落下，从而失去分路检查，严重威胁行车安全。

侧线股道的迂回回路如图1所示，3G的送电端可以通过相邻两区段的扼流变压器的中心连接线、BDG、1G以及ADG回到受电端（如图中虚实线所示），即形成了“第三轨”。在3G的送受电端扼流变压器同侧双断线或断轨情况下，当迂回回路阻抗小于一定值时，轨道继电器能够保持在吸起状态。在该区段上任何一点分路将失去意义，在有车占用的情况下轨道继电器仍能保持吸起，这种潜在的隐患是非常致命的。

现有的高铁站内股道一般采用ZPW-2000一体化轨道电路，扼流变压器与发送/接受单元采用并联连接，扼流变压器只作为沟通牵引回流所用，因此不存在迂回回路问题。但与股道相邻的道岔区段采用25Hz相敏轨道电路存在此问题，沟通回路与图1类似，为分析简单，以股道迂回回路问题进行说明。

为平衡上下行的牵引电流，区间ZPW-2000轨道电路会接横向连接线，站内正线区段将通过相邻线路或吸上线及回流线构成迂回回路，如图2所示，同样存在扼流变压器同侧双断线后列车占用无法检车的安全隐患。

2、暂行的迂回回路解决方案及存在的问题

2.1 迂回回路解决方案

对于正线的25Hz相敏轨道电路、高压脉冲轨道电路的迂回回路问题，可以采用并接高阻电抗器的方式进行解决，连接方式如图3所示，在轨道电路的受电端并联高阻电抗器，作为沟通牵引电流所用，由于并联有适配器，可以抗更高的不平衡牵引电流。而对25Hz信号、高压脉冲信号呈现较高阻抗，不影响轨道电路的正常使用。

对于侧线的迂回回路问题，国内仍处于研究初级阶段，目前普遍采用的方式是设置回路间断点，即每条侧线股道有一处绝缘节两边的扼流变压器中心点必须处在断开状态，俗称“一头堵”。这样就保证了侧线股道及相邻的道岔区段都不会形成“第三轨”，避免了迂回回路造成的安全风险。

钢轨以及扼流变压器的中心连接线作为牵引电流的回流通路，将侧线股道绝缘节两边的扼流变压器中心点在断开后，将会造成回流不畅，升弓时绝缘节两端产生较大的电压差。由于通过的电流不恒定，在电压达到一定值时，断开处的绝缘节被击穿，产生电晕放点现象，随着电位差的增大，电晕放电会形成刷型放电，当外加电压比阈值电压高很多时，形成火花放电，当能量能够维持放电时，电弧放电形成，绝缘节被烧损，钢轨烧熔[1]。

3、牵引电流烧损绝缘节解决方案的提出及验证

3.1 解决方案的提出

牵引电流烧坏绝缘节是由于回流不畅造成的，因此考虑在绝缘节两端的扼流中心点之间串入绝缘防护单元后相连，既满足牵引电流通道的要求，又满足轨道电路迂回回路的阻抗条件，问题将得到解决。

绝缘防护单元的端子1、2分别与两相邻区段扼流变压器中心点连接，以沟通牵引电流，同时增加信号电流的阻抗，连接方式如图4所示：

ZPW-2000轨道电路只要确保第三轨迂回长度大于1500m，就能实现断轨检查[2]。站内轨道区段一般难以达到这样的迂回长度，参照此标准，若在迂回回路中串入一个阻抗装置，保证回路阻抗大于1500m的钢轨阻抗，则可实现断轨检查，如下图5所示：

迂回回路阻抗，式中，RJ为绝缘防护单元阻抗；RL为相邻股道的钢轨阻抗；R0道岔跳线及相邻道岔区段的钢轨阻抗。现有高铁站股道多设计为1050米，即L=1050米，由于为两根钢轨并联，相当于500米的钢轨阻抗，再加上R0，若保证绝缘防护单元的阻抗大于1km钢轨阻抗，就能保证轨道电路的迂回回路阻抗。UM71或ZPW2000钢轨在通移频1700Hz，2000Hz，2300Hz，2600Hz信号时所对应的1000m钢轨阻抗分别为14.08？，16.44 ？，18.708 ？，21.147？[3]，经测试，绝缘防护单元的阻抗如表1所示，由表可得绝缘防护单元在相同频率下阻抗远远大于1000米的钢轨阻抗。即迂回回路阻抗大于1500米轨道阻抗，可以保证在扼流变压器断线情况下有分路检查功能。

3.2 方案的可行性分析

当股道接发车时，牵引电流逐渐增大，绝缘防护单元的铁芯迅速达到饱和，呈现极低阻抗状态，牵引电流顺利导通。

当无牵引电流流过时，绝缘防护单元呈现高阻抗，25Hz阻抗实测可达2Ω，在轨道区段空闲时若出现扼流变压器的同侧双断线情况，相当于在迂回回路中串入了绝缘防护单元，且扼流变压器的牵引线圈只有一半接入轨道电路，信号线圈不变，则受端视入阻抗只有正常情况下的1/4；串入大阻抗的绝缘防护单元，无论是在空闲状态还是列车占用的情况下，都能够保证轨道继电器可靠落下。而扼流变压器与钢轨连接线在接发车瞬间断线的可能性几乎为零。这就保证了轨道电路的迂回回路阻抗，即在任何情况下都具有占用检查功能。增加了系统的安全性。

4、上道实验及测试数据

为验证假设的可行性，在宝鸡南站3G与26DG之间安装绝缘防护单元，站场图如图6所示。

4.1 测试内容

（a）安装绝缘防护单元之前，当有机车通过时，采集绝缘节两端的牵引电流数据和轨面电压；

（b）装上绝缘防护单元以后，当有机车通过时，采集流过其线圈的电流和绝缘节两侧轨面电压；

4.2 测试方法及数据

（1）测试地点：3G与26DG之间的绝缘节处（图6中右边圆圈标示位置）

（2）测试方法如图6所示：图a为未安装绝缘节之前的电路图；图b为安装绝缘节之后的电路图。

（a）

（b）

（3）测试数据：

通过测试数据进一步证明，在安装绝缘防护单元之后，牵引电流全部经由绝缘防护单元沟通回路，绝缘节两端不再有突变电压，从而从根源上解决了牵引电流烧坏绝缘节的问题。

5、结束语

“高速铁路牵引回流烧毁钢轨绝缘的解决方案”的提出，解决了高速铁路侧线 “一头堵”设计所引起的牵引电流回流不畅、烧损钢轨绝缘和钢轨头带来的安全隐患，同时提高了轨道电路的迂回回路阻抗，在任何状态下都有分路检查功能。

参考文献：

[1]张德权.关于沪宁高铁绝缘节邵蓉问题的分析研究[J]上海铁道科技，2011，2（2）：43-44.

[2]中国铁路总公司.ZPW-2000A型无绝缘移频自动闭塞系统.115-119.

[3]中国铁路总公司.TG/XH 101-2015《普速铁路信号维护规则》.

（作者单位：西安思源科创轨道交通技术开发有限公司）

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