直流牵引回流实时断轨检测方法研究

王语园

0 引言

钢轨是轨道交通运输系统的重要组成部件。城市轨道交通线路上如果出现钢轨断裂就有可能造成列车出轨、倾覆等重大行车安全事故，造成人员伤亡和巨额财产损失[1，2]。

采取预防措施是避免断轨发生并引发事故的重要途径。要预防发生断轨，就要研究如何及时发现断轨。目前，国内主要使用手推式探伤小车进行人工巡检、大型钢轨探伤车进行定期巡检和采用轨道电路对钢轨进行实时监测等方法进行断轨检 测[3，4]。前2 种方法不能及时发现断轨，只有轨道电路可以完成实时断轨检测。

然而，随着包括使用全球定位技术、卫星通信和其他通信技术的列控技术的出现，彻底摆脱了依赖钢轨完成列车占用检查和传输机车信号的问题，取消了轨道电路，依靠轨道电路的断轨检测功能也 随之消失[5，6]。因此，需要采用其他断轨检测方法，以确保钢轨的完好。

1 直流牵引回流断轨检测原理

城市轨道交通采用直流牵引供电系统，通过第三轨或架空接触网供电，用钢轨作为牵引回流电路的组成部分。如果钢轨断裂，牵引回流在该段钢轨中的流动会被阻断，不正常的电流通过轨道之间的横连线达到平衡。如果可以检测到断轨引起的不平衡电流，并且利用该不平衡电流可以判断钢轨情况，该断轨监测系统就是可行的。牵引回流断轨检测原理图如图1所示。

图1 牵引回流断轨检测原理图

由图1可以看出，上下行线路间及钢轨间的横连线将钢轨并联，并将钢轨分成若干个区间。电流传感器安装在2 条钢轨之间的横连线处，测量2 条轨之间流过的电流。当钢轨完好时，2 条轨之间横连线上电流传感器检测到的电流较小。如果其中一条钢轨发生断裂，电阻大大增加，该轨中的牵引回流被阻断，2 条轨之间电流不平衡，横连线上电流传感器检测到的电流较大，大于某个预设的阀值，从而实现断轨的检测。

2 直流牵引回流断轨检测方法

2.1 直流牵引回流断轨检测系统建模

采用MATLAB/Simulink 仿真工具建立模型仿真分析。以地铁3.6 km 轨道为例进行系统建模。假定2 个牵引变电所的距离是3.6 km。将供电区间分成6 等份，每段0.6 km，钢轨各段通过钢轨接续线和轨道横向连接线连接，上下行之间也用横连线连接。变电所采用750 V 直流电源，机车牵引电流假定为600 A，采用接触轨供电。变电所、接触轨（第三轨）的一段和机车分别用“Substation”、“Third rail”和“Train”标示。接触轨每段由2 个电阻组成，每个电阻0.008 Ω，代表0.3 km 的接触轨电阻。用“Track”标示的一段钢轨，由4 个电阻组成，每个电阻0.02 Ω，代表0.3 km 钢轨电阻。3#、4#、5#和6#端子用于和左右两边模块连接；7#、8#端子用于模拟断轨，连接时表示轨道完整，不连接时表示断轨；1#和2#端子用于测量2 条钢轨之间的不平衡电流。每个分段上下行轨道之间的横连线电阻为0.005 Ω，钢轨对地的泄漏电阻取1 Ω。直流牵引回流断轨检测模型如图2所示，是变电所在两边有一个断轨的模型图。

图2 直流牵引回流断轨检测模型图

2..2 系统仿真

实际运营的直流牵引供电系统大多采用双边供电，即2 个变电所在供电区间两端向同一区间供电。图2是变电所在两端有一个断轨的模型，图中“Track7”的7#和8#端子没有连接表示断轨，C1/1—C2/6 表示轨间横连线上电流传感器读数。牵引变电所采用一个简单的直流电源代替，输出电压为750 V，因为该项研究目的是确定钢轨不平衡回流在各种负载下的情况，所以没有采用真实的带电压调整的整流变电所。“Train”代表机车，其牵引电流是变化的。为了模拟实际运行时的各种情况，下面分别进行仿真。仿真结果中小于1 mA 的电流以0 表示。

在不同情况下，仿真结果如下：

（1）牵引变电所在两端，一列火车，没有断轨。列车牵引电流取600 A，牵引变电所位于供电区间的两端，列车从左端行驶到右端，在仿真图中列车位置在距左端0 km 到3.6 km 变化，C1/1—C2/6 读数都为0，说明在该模型中没有断轨。

（2）牵引变电所在两端，一列火车，一处断轨。牵引变电所分别位于距左端0 km 和3.6 km 位置，牵引电流取600 A，断轨用“Track7”表示。列车从左端行驶到右端，C1/1—C1/6 读数见表1。

从表1可以看出，机车在轨道上运行，可以得到不断变化的不平衡电流值，由于区段两端都有变电所，断轨必定位于机车和变电所之间，可以测得明显的不平衡电流，从而检测出断轨。

表1 列车经过时检测到的电流值表

（3）机车取流的影响。牵引变电所位于左端0 km 处，机车位于右端3.6 km 处，改变机车牵引电流，C1/1—C1/6 读数见表2。

从表2可以看出，在机车正常运行时，不论是空载还是满载，牵引电流值都满足检测断轨的需要，都可以检测出断轨。

表2 机车牵引电流变化时检测到的电流值表

（4）用电阻代替机车。利用列车经过时产生的牵引回流进行断轨检测，没有实现实时监测功能。在该基础上，以4 Ω的小电阻代替机车沟通牵引回路，可以在没有列车经过时进行断轨检测。牵引变电所位于两端，断轨用图中“Track7”表示。电阻在轨道上变化，C1/1—C1/6 读数见表3。

从表3可以看出，电阻不能位于变电所附近，在其他位置都可以测出由于断轨引起的不平衡电流，所以用电阻代替机车进行断轨检测是可行的。在列车到来前，让电阻沟通牵引回路进行断轨检测，电阻在线时间由列车运行图决定。

表3 利用电阻代替机车时检测到的电流值表

3 结论

通过直流牵引回流断轨检测系统的仿真分析，可以得出以下结论：

（1）牵引回流断轨检测技术提供了一种低成本的长距离断轨检测方案，可以利用现有的轨道横连线的连接方式，只需在横连线上加装电流传感器，在长距离钢轨的检测方面具有明显优势。

（2）当断轨位于负载和牵引变电所之间时，可以检测到较大的不平衡电流，从而快速检测出断轨。而断轨位于负载和变电所之外时，不平衡电流较小，需经过反复试验后得出一个电流阀值，检测出的电流大于该电流值时报警，表示检测出断轨。

（3）为了提高牵引回流断轨检测系统的优势，在检测区段的末端设置转换电阻负载，在列车到来前可采用电阻负载在线监测，在线时间应根据列车运行实际情况确定。

[1]田铭兴，陈云峰，赵斌，等.实时断轨检测方法综述[J].兰州交通大学学报，2011，30（1）：122-126.

[2]田铭兴，陈云峰，赵斌，等.中央发送两端电流接受式无绝缘轨道电路断轨态分析[J].中国铁道科学，2010，31（6）：103-108.

[3]史宏章，任远，张友鹏，等.国内外断轨检测技术发展的现状与研究[J].铁道运营技术，2010，10（4）：1-7.

[4]黄德胜，张巍.地下铁道供电[M].北京：中国电力出版社，2010.

[5]杜求茂.断轨检测方法研究[D].兰州：兰州交通大学，2009.

[6]任远.基于超声导波的实时断轨检测方法研究[D].兰州：兰州交通大学，2010.