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电气化铁路轨道烧蚀解决方案

来源:万方期刊网  时间:2017-08-09 09:45:52  点击:

作者:张亚宾

  摘要:随着电气化铁路的运营速度、线路坡度和电力机车牵引定数的不断提高,相应大功率机车、动车组也陆续投入运行,列车牵引负荷逐渐增大,牵引回流也不断增加,从而引起较高的钢轨电位,当钢轨电位达到一定数值时,可能会烧蚀铁路设施设备,甚至威胁工作人员的人身安全。基于此,文章主要分析了电气化铁路轨道烧蚀现象及其原因,并提出了相应的解决方法。
  关键词:电气化铁路;轨道烧蚀;原因;解决方法
  引言
  “十三五”规划指出,建设客运专线1.2万公里以上,客车速度目标值达到每小时200公里及以上;完善路网布局和西部开发性新线,规划建设新线约1.6万公里,规划既有线增建二线1.3万公里,既有线电气化1.6万公里。由此可以看出,国家在未来经济发展过程中,比较重视交通事业的发展,尤其是铁路路网的建设。但是,在铁路运行过程中,电气化铁路轨道烧蚀已成为当前影响铁路运输水平的关键因素。这就需要铁路企业深入分析电气化铁路轨道烧蚀现象发生的原因,并提出相应的解决方案,从而提高铁路运输服务水平。
  1电气化铁路概述
  1.1电气化铁路定义
  电气化铁道是由电力机车和牵引供电装置组成的,牵引供电装置一般分成牵引变电所和接触网两部分,所以人们又称电力机车、牵引变电所和接触网为电气化铁道的“三大元件”。电气化铁路的牵引供电装置是电气化铁路运行的主要动力,因此,在电气化铁路列车运行过程中,列车自身是并没有动力来源,其主要是依靠牵引供电系统来运行的。因此,牵引供电系统的稳定运行是保证电气化铁路运行的关键因素。而牵引供电系统可以分为两部分组成,一部分是牵引变电所,另一部分是接触网。
  1.1.1直接供电方式
  直接供电方式(T—R供电)是指牵引变电所通过接触网直接向电力机车供电,及回流经钢轨及大地直接返回牵引变电所的供电方式。这种供电方式的电路构成及结构简单,设备少,施工及运营维修都较方便,因此造价也低。但由于接触网在空中产生的强大磁场得不到平衡,对邻近的广播、通信干扰较大,所以一般不采用。
 
  图1直流供电系统图
  1.1.2BT供电方式
  BT供电方式作为牵引供电的一种,其主要是在牵引供电系统中加装吸流变压器和回流线,以此来为铁路运行提高动力,其中,吸流变压器的安装需要遵循每3-4KM安装一台,保证牵引供电系统的电压稳定。BT供电方式的应用优势较高,不仅可以降低接触网对周围通信线路的干扰,同时,其也可以保证回流电流与接触网电流运行的安全性,能够有效避免短路现象的发展。
  BT供电的电路是由牵引变电所、接触悬挂、回流线、轨道以及吸上线等组成。由图可知,牵引变电所作为电源向接触网供电;电力机车(EL)运行于接触网与轨道之间;吸流变压器的原边串接在接触网中,副边串接在回流线中。吸流变压器是变比为1:1的特殊变压器。它使流过原、副边线圈的电流相等,即接触网上的电流和回流线上的电流相等。因此可以说是吸流变压器把经钢轨、大地回路返回变电所的电流吸引到回流线上,经回流线返回牵引变电所。这样,回流线上的电流与接触网上的电流大小基本相等,方向却相反,故能抵消接触网产生的电磁场,从而起到防干扰作用。
  1.2电气化铁路轨道运行特点
  1.2.1能源有保障
  通过对电气化铁路的定义进行分析,可以了解到,电气化铁路是由两个装置组成的:机车和牵引供电。电气化铁路在运行过程中,其使用的是二次能源,即电能,该牵引系统都是与国家电网相互连接的,在运行过程中,其能源有一定的保障,不会出现因供电不足而引发的运行故障。因此,电气化铁路在运行过程中,能源有保障。
  1.2.2环保效果好
  电气化铁路在运行过程中,其消耗的能源是电能,且电能主要是有国家电网供应的,铁路运输不会出现其他的环境污染问题。在国家倡导新能源的开发与应用时,电气化铁路的出现,落实了新能源的应用,为我国交通事业的绿色发展提供了可能。
  1.2.3运输安全性高
  电力机车具有功率大、效率高、速度快、运载能力强和运行可靠等优点,目前电力牵引的列车速度已达200km/h以上,因此电力机车是铁路现代化发展的方向。
  1.2.4一次性投资较大
  电气化铁路的电能不是机车本身携带,而是由包括牵引变电所、接触网和继电保护装臵等组成的牵引供电系统供电。这对电气化铁路的建设提出了新的要求。为了满足电气化铁路的运行要求,在电气化铁路建设过程中,无论是轨道建设还是牵引系统的设计等等,都需要消耗较多的资金。因此,电气化铁路的一次性投资较大。
  2电气化铁路轨道烧蚀分析
  2.1电气化铁路轨道烧蚀背景介绍
  为了充分了解电气化铁路轨道烧蚀的现象及发生原因,就需要通过一个具体实例来证明,通过对某一实例的分析与研究,找到电气化铁路轨道烧蚀的规律,然后有针对性的制定其防治措施,以此来保证电气化铁路轨道的运行,降低其烧蚀现象的发生,提高电气化铁路的运行效率。所以,文章主要对某煤运的重载电气化铁路轨道进行了分析,通过对轨道烧蚀现象的调研,发现了能够引发电气化铁路轨道烧蚀的重要原因是钢轨电位的移动。另外,在充分了解电气化铁路轨道烧蚀的原因,结合了电气化铁路轨道钢轨电位的理论分析,并通过其计算推导,提出了铁路轨道烧蚀的解决方案,通过增加接触网跟钢轨之间的相互阻抗、降低铁路钢轨的泄露电阻等等,最大限度的降低钢轨电位,避免轨道温度升高。此外,在电气化铁路轨道施工过程中,也可以通过增设横向的电气连接等措施,不断优化牵引系统的回流,降低列车运行对钢轨电位的影响,从而解决现场轨道烧蚀的问题。
  2.1电气化铁路轨道烧蚀现象
  在电气化铁路轨道烧蚀现象的研究过程中,某煤运重载铁路的技术标准为:复线半自闭、双机SS4机车牵引10000t、重车上坡。在重载铁路运行过程中,容易出现轨道烧蚀现象的主要集中于现场车站信号闭塞区段轨道和道岔扣板烧蚀。下面是具体烧蚀现场情况简介:
  第一,现场车站信号闭塞区段轨道的烧蚀,该段轨道烧蚀现象主要发生在车站进站端的上下行岔道之间。据铁路运营部门反应:该段轨道的绝缘处在夜间经常出现弧光,近距离查看时才发现是钢轨电弧烧蚀,相关人员在更换轨道的绝缘片后,轨道烧蚀问题依然没有解决,使得电气化铁路信号设备异常现象频发,严重影响了铁路运输的安全性。
  第二,道岔扣板的烧蚀,该段的轨道烧蚀主要发生在扣板上、下行渡线之间,铁路维护部门对其进行多次打磨或者增加扣板之间的距离等等,同样也是无法很好的解决轨道烧蚀问题,轨道烧蚀现象的发生依然比较频繁。
  3钢轨电位分析研究
  通过对电气化钢轨烧蚀现象的分析,我们可以发现,在电气化铁路轨道烧蚀过程中,其电流烧蚀是轨道烧蚀最为严重的一项问题。因此,要想解决轨道烧蚀问题,就需要对轨道的电流烧蚀进行深入分析,然后有针对性的提出相应防护措施,降低电流烧蚀现象的发生,为铁路运行的安全提供保障。
  3.1牵引回流数学模型
  在对轨道电流烧蚀现象分析时,为了保证电流烧蚀分析的可靠性,需要建立相应的数学模型,依据数学模型对钢轨电位变化进行定性与定量分析。牵引回流模型如图2所示:
 
  图2牵引回流模型
  通过对牵引回流模型的确立,我们可以将该模型的电路简化为相应的数学模型,得到相应的钢轨电位:
 
  3.2钢轨电位的分布
  在电流烧蚀分析过程中,除了建立相应的数学模型外,还需要明确电流烧蚀的钢轨电位分布,通过钢轨电位的分布,和接触网的电流回路边界等条件,求出、和的值,然后得到钢轨的电压、电流分布,明确钢轨电位的位置:
 
  3.3钢轨电位核算
  3.3.1现场列车负荷情况
  现场重载铁路双机牵引单边重载持续上坡,列车牵引电流可达690A,按照供电臂一趟列车运行,一趟列车车站起动估算,车站附近区段的牵引回流可达1380A。
  3.3.2钢轨回流设置情况
  现场铁路采用带回流线的直接供电方式,线路区间钢轨经扼流变压器通过吸上线与回流线电气连接,车站信号机扼流变压器未与回流线电气连接,上、下行钢轨间无横向电气连接,车站上、下行渡线处设置轨道绝缘片。
  3.3.3钢轨电位核算
  现场烧蚀轨道绝缘及道岔扣板的车站处变电所供电臂末端,通过大地的牵引回流较大、钢轨电位较高。根据钢轨电位的理论推导,推算得到车站附近区段钢轨电位最大值为145.5V,明显高于标准规定的130V,数值已经超过标准允许值。需要研究应对解决方案,采取工程措施降低钢轨电位。
  3.4降低钢轨电位的策略分析
  3.4.1降低钢轨电位分析
  通过上述对钢轨电位进行的理论研究和计算推导可知,钢轨电位的大小主要由机车负荷电流、列车与变电所距离L、接触网钢轨间互阻抗、钢轨自阻抗以及钢轨-地泄漏导纳Y等因素决定。因此,在解决铁路轨道烧蚀现象时,可以通过改变铁路运行的相应参数,在铁路设计或运行维护过程中,合理设计铁路的接触网系统及牵引负荷等等,从而保证接触网与钢轨之间的阻抗,降低钢轨电位,避免轨道烧蚀现象的发生。
  3.4.2降低钢轨电位的主要方法
  通过对钢轨电位的理论分析,钢轨电位的计算等等,可以发现要想避免轨道烧蚀现象的发生,就需要控制钢轨电位,技术人员可以通过增加接触网与钢轨之间的阻抗,降低钢轨的泄漏阻抗等等,来降低轨道烧蚀现象的发生频次,提高轨道的稳定性。但是,需要注意的是,对于既有铁路的钢轨电位控制工作,相关部门要本着工程简单、资金投入力度小、钢轨电位明显降低的原则来进行,下面就着重从以上两个方面来介绍一下降低钢轨电位的措施:
  首先,增加接触网与钢轨间互阻抗,煤运重载铁路已采用带回流线的直接供电方式,可将上、下行线路进站信号机扼流变压器中性点与回流线电气连接,进一步增加接触网与钢轨间互阻抗。
  其次,降低泄漏电阻,通过降低泄漏电阻来降低钢轨电位,具体可采取的工程措施较多,核心是尽量将钢轨通过扼流变压器中性点与接地体电气相连以达到降低泄漏电阻的目的。
  3.4.3轨道烧蚀的工程施工
  在电气化铁路轨道施工过程中,要想解决现象烧蚀的现象,就需要做好施工设计方案。如,在现场施工过程中,施工人员可以利用以疏代堵的方式,将上、下行线路进站信号机扼流变中性点与回流线电气连接,保证上、下行线路两端钢轨电位的平衡与稳定,以此来降低上、下行线路的钢轨电位,避免电位过高出现的轨道烧蚀。此外,在现场施工过程中,也需要注意上、下行线路与回流线路电气连接的电缆选取,尽量选取15米长,截面为185mm2的电缆;在将上、下行线路进站信号机扼流变中性点电气连接过程中,选取10米长,截面为90mm2铜缆电线进行连接,通过工程施工,彻底解决轨道烧蚀问题,保证铁路运行的稳定。
  结束语
  总而言之,电气化铁路的建设与推广,推动了铁路事业的可持续发展,降低了铁路运行的能源损坏问题,实现了绿色交通事业的建设,对国民经济发展意义重大。但是,需要注意的是,电气化铁路在运行过程中,由于铁路轨道的钢轨电位过高,使得铁路系统在运行过程中出现轨道烧蚀现象,不仅影响铁路轨道的使用,同时,也会降低铁路客车的运行服务水平,影响铁路事业的长远发展。对此,铁路部门应重视轨道烧蚀现象,分析轨道烧蚀产生的原因,及时解决轨道钢轨电位过高问题,避免轨道烧蚀现象的发生。
  参考文献
  [1]彭伟.重载电气化铁路轨道烧蚀解决方案[J].电气应用,2015,11:110-112+127.
  [2]彭伟.重载电气化铁路轨道烧灼解决方案钢轨电位是引起轨道电弧烧蚀的重要因素[J].电气应用,2015,12:17.