扼流变中性点相连的绝缘节过电压拉弧的机理研究

(神华包神铁路集团有限责任公司，内蒙 鄂尔多斯 017000)

0 引言

绝缘节在电气化铁路中发挥着重要作用，但是绝缘节过电压拉弧烧毁的现象时有发生。国内绝缘节过电压拉弧一般发生在高速铁路站场中的回流切断点处[1-4]，在扼流变相连的绝缘节处也存在过电压拉弧现象[5]。在重载铁路站场预告信号机处，还存在着一类绝缘节，该绝缘节仅一端钢轨有扼流变，本文称之为单扼流变绝缘节，其另一端钢轨是通过等阻线连接至扼流变中性点，沟通牵引电流。2017年11月份，在内蒙某重载铁路站场发生一起列车经过单扼流变绝缘节时发生电弧并灼伤绝缘节及钢轨的事故，而且本侧的吸上线还被烧毁。

国内外的学者在绝缘节过电压拉弧方面开展了很多的研究工作，文献[6]提出了牵引电流切断是损伤机械绝缘节的直接原因，验证了列车以低牵引档位启动过绝缘节时可以有效的减小电弧的强度缓解烧损程度；文献[7-8]研究了绝缘节两端的工频电压及影响因素；文献[9-10]从理论上研究了列车稳态运行时绝缘节两端电压计算公式，并且提出了绝缘节烧毁的解决方案；文献[11]通过现场试验研究了京沪高铁线路上绝缘节拉弧烧熔的问题。

上述研究工作主要是针对回流切断点处的绝缘节，文献[5]中用现场测试的方法检测到正线上第二类绝缘节处也存在着绝缘节拉弧现象，但也并没有分析研究其产生机理。因此本文以内蒙某站场事故为依托，此站场事故与高铁站场两端钢轨相连的绝缘节电弧产生机理类似，但目前尚没有学者研究。因此本文研究单扼流变绝缘节过电压产生机理，具有代表性，将根据现场调研资料建立仿真模型，仿真分析其产生机理。然后进行现场实地测量，验证仿真结果，比较相关差异性。单扼流变绝缘节见图1。

图1 单扼流变绝缘节Fig.1 Single chock insulation section

1 列车过绝缘节的仿真模型研究

1.1 绝缘节仿真模型

下面就将建立单扼流变绝缘节站场模型，探讨在此种条件下绝缘节过电压产生的机理。某单扼流变绝缘节站场的牵引回流等效电路图见图2。

图2 列车经过单扼流变绝缘节的站场仿真模型Fig.2 Station simulation model of the locomotive through the single-choke rheological insulation section

图2中AB段为绝缘节，扼流变安装在绝缘节左侧，通过3、4号等阻线连接至钢轨，右侧从扼流变中性点引出1、2号等阻线至钢轨，忽略同一股道两根钢轨之间的不平衡电流。列车是通过轮对将牵引电流泄流到钢轨上，因此本文将列车的牵引电流等效成两个幅值、相位均相同电源，并且只考虑一根钢轨上的绝缘节两端电压即可。轨道的钢轨采用LCC模型，初始长度为1 km，根据文献[9]中钢轨参数，建模仿真选用P60型钢轨，其中钢轨等效半径设置为1.285 cm,电阻为0.135 Ω·km-1，两根钢轨之间的距离设置为标准的1.435 m，水平高度设置为0.2 m，土壤电阻率为100 Ω·m。回流线与等阻线采用电缆模型[12]，R=0.099 Ω/km,L=7.691 H /km,C=0.519 F/km。模型中电源AC用于模型列车的牵引回流，频率为50 HZ，两个电流源的峰值均为50 A，初始相位为0°。考虑到列车的车载变压器电感远大于轨道电感，而列车通过绝缘节的时间远小于工频电流的波长，因此假设列车通过绝缘节时，总牵引电流不会发生突变。

为了模拟区间轨道，消除末端折反射的干扰，本模型在两端增加了末端电阻Z，通过前期研究，发现轨道的波阻抗为235.5 Ω,因此Z的取值为235.5 Ω。牵引变电所的接地网接地电阻Z0为0.1 Ω。图中R表示钢轨对地的泄漏电阻，初始设定为每百公里10 Ω。

1.2 列车过绝缘节仿真方法

列车通过绝缘节分为几个阶段，本模型通过开关K1、K2和K3的切换模拟列车轮对通过绝缘节的过程：

1)列车在图2中绝缘节左侧线路运行；仿真时首先将开关K1闭合，仿真时间前置2 s以消除过渡过程，使电路达到稳态。

2)列车轮对到达A点时，并将绝缘节短接，此时模型中开关K2闭合，左侧轨道的牵引电流通过开关K2续流。

3)列车轮对脱离B点，根据文献[9]的研究结果，设定列车经过绝缘节的时间为0.5 ms，因此K2闭合0.5 ms后，列车轮对离开B点，开关K3闭合，开关K2断开，完成了牵引电流回流从绝缘节左侧到绝缘节右侧的转换。

1.3 绝缘节过电压机理仿真分析

模拟列车经过绝缘节时，两端等阻线上的电流变化，仿真结果见图3。1号电缆与2号电缆电流波形相同，3号电缆与4号电缆电流波形相同，这是因为通过设置相同的参数，消除了不平衡电流的影响。同时发现列车经过绝缘节之前，有部分牵引电流通过扼流变中性点流通至另一侧钢轨，但是在列车驶离绝缘节的瞬间，3、4号等阻线上的电流由于泄流轮对行驶到绝缘节另一侧钢轨而迅速减小。而1、2号等阻线则由于回流路径的切换而换向，大部分牵引电流通过钢轨继续向前传播，少部分通过等阻线流至回流线。

图3 两端等阻线电流仿真波形Fig.3 Cable current simulation waveform at both ends

列车经过绝缘节时，其两端钢轨对地电位的波形见图4。由图4可看出，在列车泄流轮对驶离绝缘节的瞬间，其两侧的钢轨对地电位均产生了尖脉冲。其中A点产生正脉冲是由于牵引电流在绝缘节左侧突然截断，而由于有等阻线感抗及扼流变感抗的存在会阻止牵引电流的突变，因此会有大量电子延续原来的电流方向，以至于在A点产生大量正电荷，形成正脉冲。而B点产生负脉冲是由于列车牵引电流路径的切换，1、2号等阻线上的牵引电流被强制换向，而其本身的感抗会阻止电流突变，因此会有大量电子延续等阻线原来的牵引电流，在B点积累大量负电荷，形成负脉冲。因此由于两侧钢轨对地电位的突变，会在绝缘节两端形成过电压，从图4也可以看出，即使绝缘节两端只有一个扼流变，其两端钢轨通过等阻线连接至扼流变中性点，在列车泄流轮对驶离绝缘节的瞬间，仍然会产生极高的暂态过电压，其幅值达到87.4 V。

图4 绝缘节两端钢轨对地电位Fig.4 The potentialof steel rail at both ends of the insulated joint

通过上面分析可知，车轮离开绝缘节的过程类似于开关分闸过程，因此绝缘节的烧损不能仅仅看作绝缘击穿，而是在大电流下开关分闸拉弧。该情况满足电弧的出现条件[8]，当截断的牵引电流很大时，将产生明显的电弧，烧损绝缘节。绝缘节两端电压波形见图5。

图5 绝缘节两端电压波形Fig.5 Voltage waveform at both ends of the insulation section

2 现场实验

因为高铁站场中只存在两种类型的绝缘节，而且高铁站场在运行时间段不允许进站测量。为了验证仿真结果，课题组选择内蒙某重载线路站场进行现场测试。为了降低列车经过此处时钢轨上电流的大小，在此扼流变的中性点上用电缆设置成吸上线，并连接至架空回流线。某站场示意图见图6。

图6 某站场示意图Fig.6 A station sketch

课题组在内蒙某重载铁路站场预告信号机处做了现场测量，测量之前已经将烧毁的绝缘节及电缆更换，所以本次测量旨在测量当列车正常行驶经过绝缘节时，牵引电流的分配规律及绝缘节两端的电压大小，由此来反推本站绝缘节过电压拉弧事故是如何发生的以及验证仿真结果。

2.1 测量方案

本次测量录波仪器采用四川拓普测控科技有限公司开发的虚拟仪器软件，TOPVIEW000软件，它集控制采集、读取数据、显示波形、数据处理、存盘、打印及通讯等功能于一体，操作直观、便捷。它主要是用来录制列车经过此绝缘节时各处的电流及绝缘节两端的电压。另有电流互感器及测量探头若干，测量示意图见图7。

图7 测量示意图Fig.7 Measurement diagram

每一条连接至扼流变触头的电缆上均装设电流互感器，并用探头连接至数据采集器上，另外用电压衰减探头连接至绝缘节两侧，测量绝缘节两端电压，将采集器与电脑相连接，在列车经过预告信号机时，开启录波软件。现场测试接线图见图8。

图8 现场接线图Fig.8 Field wiring diagram

2.2 测量结果

两端等阻线电流实测波形见图9。

图9 两端等阻线电流实测波形Fig.9 Current measured waveform of the resistance wire at both ends

根据实验测量数据，发现当列车经过绝缘节时，牵引电流的流通路径确实发生了变化。在列车经过扼流变中性点相连的绝缘节的时候，1号、2号电缆的电流有明显的升高，3号、4号电缆的电流明显降低，进一步说明了列车经过绝缘节时，牵引电流的流通路径发生变化，并且存在着牵引电流的切断，这样就给产生电弧创造了条件。绝缘节两端电压测量波形见图10。

从图10可看到绝缘节两端电压波形在列车列车与车辆经过绝缘节的时候不仅有明显的过电压脉冲，还存在振荡过渡过程，上述波形受采集卡量程限制，脉冲的顶部被削平，但按照放大后波形推测，在列车经过绝缘节时，其最大电压值在90 V左右。因此可以推测出在列车带负载经过此类绝缘节时，依然会产生过电压，以至引起拉弧现象[1]。

图10 绝缘节两端电压测量波形Fig.10 Voltage measurement waveform at both ends of the insulation section

2.3 结果分析

从测量结果可看出，在列车经过绝缘节时，信号轨等阻线的电流会急剧下降，同时走行轨等阻线的电流会急剧上升，虽然牵引电流可以通过绝缘节两侧的等阻线及扼流变流通，但是在绝缘节两端依然出现了尖端过电压脉冲。因此可以判断，即使绝缘节两端通过扼流变及等阻线相连，在重载列车经过绝缘节的时候依然会有牵引电流的切断，以至于产生过电压现象。

3 结论

根据仿真结果与现场测试结果，可以得出以下结论：

在重载铁路站场，即使绝缘节两端的钢轨通过扼流变及等阻线相连，在重载列车经过绝缘节时，绝缘节两端依然会出现过电压，该过电压受列车牵引电流的影响，当牵引电流较大时，绝缘节两端过电压将达到90 V左右，将引起绝缘节处拉弧。

列车轮对通过绝缘节的瞬间，部分牵引电流将从绝缘节一侧钢轨转换到另一侧钢轨，导致两侧电流发生突变是造成绝缘节两端过电压的主要原因。

最后，对某站场的绝缘节两侧电流与电压进行了实测，实测数据证实列车经过绝缘节的瞬间，绝缘节两侧牵引电流发生突变，并产生了暂态过电压。