钢轨现场胶接绝缘接头绝缘性能测量分析

2019-05-23朱长浩中国铁路上海局集团有限公司科研所

上海铁道增刊 2019年1期

朱长浩中国铁路上海局集团有限公司科研所

近年来，随着国内铁路的不断发展，对钢轨胶接绝缘接头的使用需求量不断增长，各施工和维护单位对该产品的使用量不断增大；于此同时也暴露出安装使用中的一些问题，尤其对于绝缘夹板的验收方面，无论对生产制作方还是现场安装使用方，都提出了更严格的要求。电务工务部门在对每块绝缘夹板进行安装前，须逐块检验夹板的绝缘性能，以保证胶接后的绝缘质量。因此，注重检验的方式，对检验的标准、检测的工具和检测的方式进一步规范，才能保证检验结果与实际情况相符，从而在验收产品时能够做到更高效更准确；对此，本文着重对绝缘夹板绝缘电阻测量的部分要点进行分析。

1 检验标准

根据新版TB/T2975-2018的标准要求，胶接绝缘接头在干燥状态下的电阻值应大于10MΩ，潮湿状态下则大于1000Ω。绝缘夹板在制作成接头安装于轨道上时，其关系类似两个电阻的并联，因此单块夹板的电阻值在干燥状态下应大于20MΩ，潮湿状态应大于2 000 Ω（标准中要求为1 000 Ω）。标准中还提出，在上道铺设前，对厂制胶接绝缘接头的绝缘测试应搁置在干燥的绝缘体上进行，电阻值应大于1 000 Ω。

1.1 胶接绝缘接头绝缘性能原理

接头安装各关键部分的示意图见图1。

图1 胶接绝缘接头组装图

其中，绝缘层、绝缘套管和绝缘端片是保证接头绝缘的主要部分，接头安装后，由于螺栓为导体，两侧夹板相互接通，但与钢轨之间保持绝缘。

组装后的接头实际等效电路见图2。

图2 胶接绝缘接头电路图

在这些部件中，绝缘端片的厚度达到6 mm～8 mm，在这个厚度下，可视作完全绝缘，即电路断开；另一方面，螺栓孔与螺栓之间留有较大的间隙，因此套管部分同样可以视作断路，可将线路简化视作图3。

图3 胶接绝缘接头等效电路图

而未安装的绝缘夹板同样可以视作电路如图4。

图4 绝缘夹板等效电路图

根据上述等效电路图可以看出，安装后的绝缘接头对比未安装的绝缘夹板，相当于电阻并联的关系，在假设绝缘层的绝缘性能固定且稳定的情况下，假设绝缘层的电阻值为RZ，按照图4，绝缘夹板两槽板之间的电阻值RJ=2RZ；安装后的绝缘接头可以视作绝缘层之间成并联关系，接头的电阻值可以计算出可见，当胶接绝缘接头安装之后，其电阻值仅未安装的绝缘夹板的一半。也正因此，铁标中对绝缘夹板的绝缘性能要求是绝缘接头的两倍。

1.2 测量标准的对应状况

铁标对胶接绝缘接头的绝缘性能提出了相当高的要求，尤其是在干燥状态下电阻值大于10 MΩ的要求，不仅在制作工艺上要求高，同时对测量的工具和环境也有相当高的要求；结合现场的安装和贮藏环境，对绝缘接头电阻值进行测量时，往往会无法达到这个标准，实际上这是由于运输、贮藏的方式和环境对胶接绝缘接头的状态有非常大的影响。对于干燥状态的电阻值测量标准，必须在测量时保证环境湿度低，并且产品表面不能沾上各类导电液体，为此，铁标还规定了在生产制造环境下的湿度不能大于60%的要求。对于附带槽型钢板的夹板而言，根据绝缘胶层的性质，为了保证绝缘层的力学性能，其绝缘层厚度一般相对较薄，这种情况下如果湿度过大或者在贮藏运输过程中表面积水，就有极大的可能使槽板和鱼尾板由于锈蚀、潮湿、积水等原因联通，致使绝缘层的电阻值下降。

在现场安装时，往往没有测量干燥状态电阻的环境条件，尤其在南方潮湿地区，安装在线路上的绝缘接头往往是潮湿的，故测量时应当根据现场情况判断绝缘接头的状态，选择相符的测量标准。

2 检验工具

鉴于绝缘夹板的电阻值要求相当高，干燥状态下达到20 MΩ以上，按照铁标要求应当使用500V兆欧表进行测量。

潮湿状态下，接头的电阻值会急剧下降，此时如果使用500 V兆欧表进行测量，由于加载电压过高，无法测量出该状态下的电阻值，测量结果趋向于0 Ω。且有击穿绝缘层的风险。

因此应使用不低于10 V的万用表进行测量。

而在现场环境下，电务部门对于已经安装的线上绝缘接头，已经接通了轨道信号电路，则使用相应的在线电阻测试仪。

对于已经安装在轨道上，接通轨道信号电路的胶接绝缘接头，利用在线电阻测试仪进行测量，根据其原理不同，在线电阻测试仪有两种方式。

2.1 利用反向放大器设计的在线电阻测试仪

此类电阻测试仪原理上使用反向放大器“虚短”的特性来排除电路中待测电阻以外电器件的影响，其原理图见图5。

图5 反向放大器测量原理图

如图5所示，将复杂的线上回路等效为虚线框中的三个电阻，RX为待测电阻；该测试方法中，关键在于利用反向放大器的特性，c点接地的情况下，由于a与c“虚短”，可知a点“虚地”，因此Va=Vc=0，因此R1两端电势差为0，R1“虚断”，故不分流。R2可视作为运算放大器的负载电阻，亦不分流。由此可以根据反向放大器的性质得到Ux：E=Rx：R0，因此只要测量出Ux的值，就可以计算出Rx的阻值。

2.2 分析轨道信号电路的有源式在线电阻测试仪

该类型的测试仪采用无源感应+接触式的方式接受轨道电路的输入信号，通过读取分析出通过绝缘节的电路信号信息，随后将分析得到的信息传入DSP处理器，处理器会按照预设的运算方法对读取的电路信号进行计算数字化，随后将数据引入滤波器中，利用滤波器将原轨道信号的影响滤除；同时测试仪本身在绝缘节两端加载一个高频测量信号，为了避免干扰轨道信号，该频率远大于轨道信号；在滤波器滤除的轨道信号本身的干扰后，测试仪加载的测量用信号的有效电压已知，通过接触式表笔测试读取电流值，再传入DSP处理器分析得到有效电流，随后可以计算出绝缘节的电阻值。

DSP对采集到的信号信息分析计算一般采用以下方法。

根据等效电压的原理，交流电压加载于负载电阻上产生的热量，与等效直流电压在负载电阻上产生的热量相等。

据此等效电压的值可以通过下式计算得出：

在DSP的计算中，将积分的运算近似成平均值的计算，以便于运用接收器采样的多个等间隔信息数据，因此DSP中对电压的计算公式如下：

同理，运用等效电流的原理，通过负载电阻的交流电流所产生的焦耳热量，与等效直流电流通过负载电阻产生的热量相等。

电流的有效值计算式整理后可得：

同样在DSP中将积分运算转换成平均值计算得到：

最终确定电阻值：

不难看出，由于DSP中进行运算的有效值，实际上是从积分式近似出来的平均值，故在设置测试仪对信号进行采样工作时，有必要控制采样间隔与被采样信号频率之间的关系，以避免造成采样数据不全面而造成误差偏大；例如当采样间隔与信号的波长成整数倍的关系时，可能会得到每一个采样数据都相同的情况，此类情况将极大得影响测量结果的准确性。

2.3 分析轨道信号电路的无源式在线电阻测试仪

该类型的测试仪与有源式的在线电阻测试仪区别在于，测试仪本身不产生电信号，而是利用轨道既有信号来进行分析计算，在测量时，首先利用无源感应+接触式的方式采集轨道信号，读取分析通过绝缘节的信号信息，包括传入信号的频率，电压值和电流值，然后将信息分量引入DSP处理器来计算出有效电压和有效电流，从而获得绝缘节的电阻值。因此该类型绝缘测试仪需要接受来自轨道电路的输入。

由此可见，各类在线电阻测试仪，由于原理各异，使用测量时所必须关注的方式也不同，在测量过程中要注意使用正确的量程、方式和接线法，从而保证测量结果的准确性。

3 检验方式

3.1 500 V兆欧表

500 V兆欧表用于测量未安装的绝缘夹板和已经安装但是未接通轨道电路的绝缘接头，方法是用两表笔分别连接待测电阻两端（即绝缘夹板的两槽型钢板和绝缘接头的两端钢轨），按一定速率手摇兆欧表摇杆形成测量电压，控制好摇杆的转速保证电压达到一定水准（一般为每分钟六十转左右），然后即可从表头读出二者之间的电阻值，由于兆欧表的测量范围很大（0 MΩ～500 MΩ），所以不适合测量过小的电阻，其精度等级也比较低。

3.2 万用电表

万用电表用于测量潮湿状态下未安装的绝缘夹板和已安装但未接通轨道电路的绝缘接头，表笔的接法和兆欧表相同，测量前应先将量程调节至需要的测量范围；由于潮湿状态的绝缘夹板的电阻值要求大于2 000 MΩ，故将量程调制“×100”档即可，对于绝缘性能较好的夹板，可以选用“×1k”档；随后将双表笔对碰校准零位，然后再将表笔和待测绝缘电阻并接，即可从表头读出电阻值。

3.3 在线电阻测试仪（反向放大器原理）

利用反向放大器原理的在线电阻测试仪，用于测量在线电阻，在测试时不仅要注意将表笔并接至两端，还必须将方向放大器接地，达到原理中“虚地”位置电势为零的状况。随后读出显示的电阻值。

3.4 在线电阻测试仪（轨道电路分析原理）

无论是有源式的在线电阻测试仪还是无源式的在线电阻测试仪，都必须对轨道电路进行读取和分析，因此该类型的在线电阻测试仪不适合离线使用。

4 测量过程中的问题

由于在线路上情况复杂，需要测量的对象各不相同，种类繁多的测量工具也有其在测量过程中的问题，在实际操作时往往会有使用方式不当的情况发生，本文仅对胶接绝缘接头的测量中遇到的一些问题进行分析。

4.1 量程选择不正确

在工作中量程选择不正确往往不是对测量工具的使用理解不到位造成的，而是对测量对象的要求标准不明确造成的。正如铁标中对胶接绝缘接头的要求，干燥状态与潮湿状态的电阻值要求分别是10 MΩ和1 000 Ω，可见其差距非常之大，如果利用万用电表测量干燥状态的电阻值，其值趋于无穷大，却因为量程不够远无法测量其电阻值是否达标；若使用兆欧表测量潮湿状态的电阻值，由于量程过大，表头的读数无法精读，并趋于0，甚至有可能因为电压过大产生击穿现象。

量程选择不正确还出现在在线电阻的测量中，一部分手持式的有源式在线电阻测试仪工作电压仅7 V～9.5 V，量程仅100 Ω，该类型的测试仪不适用于测量绝缘接头。

4.2 测量过程中未接地

在使用反向放大器原理的在线电阻测试仪时，按照要求需要接地，上文中分析了反向放大器的测量原理，可见，由反向放大器“虚短”的特性带来的“虚地”是计算公式中非常重要的一环；保证a点与c的电势为零是测量结论成立的重要依据。如果测量时不进行接地，Va=Vc≠0，算式结论则变成Ux=Vb-Vc；Ux：（E-Va）=Rx：R0；由于Va与Vc的值未知，测量结果将不准确。

4.3 测量工具与待测电阻的状态不匹配

电阻测量工具除了量程不同外，还有测量在线与线下电阻的区别，常见的电阻测量工具例如万用电表，在测量电阻时就必须离线测试；因为测量电阻的原理大多运用电压与电流的比值来计算电阻，需要将待测电阻保持于一个独立的状态，于其两端附加已知的电压，测算电流来获得电阻值；此过程中如果电阻在线，处于通电状态，不仅电流值得叠加会让测量结果不准确，附加的电压也可能会影响原本电路的正常运作。

使用在线电阻测试仪对独立电阻进行测量也可能带来问题，这与测量工具所使用的测量原理相关；在反向放大器原理中，是利用“虚短”的方式将等效电路中除待测电阻外的部分“虚断”，因此测量独立电阻时反向放大器的应用原理依然成立，故此原理的测试仪可以用于测量独立电阻，且误差会变小。

而利用铁路信号的测试仪在使用时就不适用于测量独立电阻了，在无源式的测试仪中我们不难发现，要点在于利用轨道电路中的既有信号，根据铁标，轨道电路发送器空载时的输出电压可达172V～180V，此电压的强度足够测量10MΩ的绝缘接头；由于测试仪本身不产生信号，如果使用此类在线电阻测试仪对未安装的绝缘夹板进行测量，显然会由于没有输入信号致使DSP处理器缺少必要的信息来测算电压电阻的有效值，从而无法测量出电阻值。

另一类有源式的测试仪，其优势主要在于加载的信号为测试仪内设的信号，由于其本身测算不依赖于轨道电路；通过滤波处理后，轨道电路对测试结果的影响非常小。而同时此类电阻测试仪--尤其手持式的电阻测试仪，往往还存在电压输出值不足的问题，部分手持式的测试仪电阻量程仅0 Ω～100 Ω，显然不适合用于测量绝缘接头这一类阻抗较大的电阻测量工作；同时由于信号接收端直接影响滤波器的工作，如果接受不准确或者不完全，滤波器反而会影响正常的测量过程，故不推荐将此类测试仪用于离线电阻的测量。