基于EVB仿真技术的接触网软横跨零部件烧损问题研究
2021-08-28胡晓磊孙兆银张之明
胡晓磊，孙兆银，张之明
0 引言
2020年，中国铁路北京局集团公司管内普速线路连续发生5起软横跨定位器定位钩烧蚀脱落故障，分析故障现象特点均为定位钩与支座耳环处发生烧蚀，表明经常存在大电流通过软横跨横向线索（横承、上下部固定绳）至定位器底座和定位器。笔者查阅现行接触网设计规范、标准施工图等技术资料，并未发现现场设计存在明显违反规范、标准之处，但该类实际问题的出现反映了在通用设计规范基础上针对不同工况下软横跨周边主导电回路结构优化、细化补强的必要性。为此，本文将针对该类问题抽象建模进行仿真分析研究，供接触网设计、运维技术人员参考。
1 典型故障分析
本文选取5起故障中的2起进行具体分析。
1.1 邯长线什里店站下行16-19#软横跨机待线定位器脱落故障
邯长线什里店站接触网设备由新固镇变电所供电，故障发生处距离新固镇变电所约7.5 km，如图1所示。
图1 什里店站接触网供电示意图
什里店站接触网主导电回路如图2所示。什里店站16-19#软横跨为来电方向悬挂Ⅰ道接触网与 机待线接触网的第一组软横跨，在站内40-43#、54-57#两组软横跨分别设置了两组股道电连接，距离16-19#软横跨最近为510 m；16-19#软横跨处距离机待线最近的电连接设置在7号线岔处，距离16-19#软横跨125 m。由此可知机待线正常的主导电回路为：Ⅰ道正线→5号线岔→7号线岔→机待线，如图2所示。
图2 什里店站接触网主导电回路示意图
什里店站接触网设备于2015年投运，机待线19#定位安装形式为软横跨节点5形式，采用钢制非限位定位器、钢制定位环线夹，定位器与定位环线夹间无电气连接线。现场检查发现定位钩与定位环存在严重电腐蚀现象，定位环出现缺口损坏，定位钩几乎断裂。
现场设备运行情况表明：16-19#软横跨横向线索至定位钩、定位环间长期存在大电流，形成了分流导电回路，如图3所示。
图3 软横跨分流情况示意图
1.2 唐呼线丰润西站17-18#软横跨京哈唐呼联定位器烧损脱落故障
唐呼线丰润西站接触网设备由四里庄变电所供电，故障发生处距离四里庄变电所约13.69 km，如图4所示。
图4 丰润西站接触网供电示意图
丰润西站17-18#软横跨为来电反向悬挂唐呼线上行正线和京哈唐呼联上行线的第一组软横跨，唐呼线上行正线与京哈唐呼联上行线间无节点8，站内在64#支柱处设置了一组股道电连接，距离17-18#软横跨约713 m。距离17-18#软横跨处最近的电连接设置在1-3号线岔处，距17-18#软横跨约157 m。由此可知京哈唐呼联上行线正常的主导电回路为：唐呼线上行正线→3号线岔→1号线岔→京哈唐呼联上行线，如图5所示。
图5 丰润西站京哈唐呼联上行接触网主导电回路示意图
丰润西站17-18#软横跨为2015年唐呼线开通时安装，定位安装形式为软横跨节点5形式，采用钢制非限位定位器、钢制定位环线夹，京哈唐呼联上行线定位器与定位环线夹间无电气连接线，唐呼线正线定位器与定位环间设有电气连接线。现场检查发现定位钩与定位环均出现严重电腐蚀现象，定位钩烧蚀损坏。
现场设备运行情况表明：17-18#软横跨横向线索至定位钩、定位环间长期存在大电流，形成了分流导电回路，如图6所示。
图6 软横跨分流情况示意图
1.3 故障主要特征分析
通过梳理5起典型故障，总结软横跨非正常分流的主要特征：
（1）分流现象全部发生在来电或远离来电方向的第一组软横跨。
（2）分流处的软横跨均未安装电连接。
（3）分流现象的发生与定位装置设置于正线或侧线无关，同一组软横跨下的定位装置均可能发生分流现象。
（4）分流现象的发生与软横跨是否设置于来电方向无关，来电反向设置的软横跨也会发生分流现象。
2 模型仿真分析
2.1 仿真模型建立及参数设计
仿真模型建立：利用Electronics Workbench电路仿真软件建立工频交流单向供电电路模型，使用电阻和电抗混合电路模拟线路阻抗、电连接、软横跨横向线索和电力机车，参考文献[1]及有关铁道行业标准进行参数设置，模拟不同工况下软横跨载流情况。
根据目前电连接在软横跨中的设置情况，模拟4种主要工况：软横跨中部设置电连接；软横跨靠近电源侧设置电连接；软横跨远离电源侧设置电连接；软横跨两端各设置1组电连接。另外将软横跨中未设置电连接作为对比工况优先分析。仿真模型如图7所示。
图7 仿真模型
2.2 仿真结果
2.2.1 软横跨中无电连接
（1）电力机车在软横跨外远离电源侧运行，正线为主导电回路，侧线通过软横跨进行分流，首端和末端软横跨电流远大于中间软横跨的电流，最大可达10 A。
（2）电力机车在软横跨外靠近电源侧运行，软横跨正线、侧线及横向线索基本不参与导流。
（3）电力机车在软横跨内正线运行，正线为主导电回路，侧线通过软横跨进行分流，靠近电源的第一组软横跨分流最大，可达10 A。
（4）电力机车在软横跨内侧线运行，各组软横跨均向侧线分流，形成了正线、侧线、软横跨共同组成的主导电回路，靠近电源侧的软横跨分流最大，可达50 A。
2.2.2 软横跨中部设置1组电连接
（1）电力机车在软横跨外远离电源侧运行，正线为主导电回路，侧线通过软横跨分流，两端软横跨通过的电流大于中间软横跨通过的电流，最大可达10 A，电连接则基本无电流通过。
（2）电力机车在软横跨外靠近电源侧运行，软横跨正线、侧线及横向线索基本不参与导流。
（3）电力机车在软横跨内正线运行，正线为主导电回路，侧线通过电连接及软横跨分流，当机车越接近电连接时，电连接的通过电流越大，但靠近电源侧的软横跨分流一直较大，最大可达10 A。
（4）电力机车在软横跨内侧线运行，主导电回路为正线→电连接→机车所在侧线，靠近电源侧的各组软横跨向侧线分流，远离电源侧的各组软横跨向正线分流，靠近电源侧的软横跨分流最大，最大可达20 A。
2.2.3 靠近电源侧第一组软横跨处设置1组电连接
（1）电力机车在软横跨外远离电源侧运行，正线为主导电回路，侧线通过软横跨分流，电连接附近的软横跨分流较小，距离电连接越远的软横跨分流越大，最大可达17 A。
（2）电力机车在软横跨外靠近电源侧运行，软横跨正线、侧线及横向线索基本不参与导流。
（3）电力机车在软横跨内正线运行，正线为主导电回路，侧线通过软横跨分流，电连接附近的软横跨分流较小，机车所在的软横跨分流较大，最大可达17 A，其他位置的软横跨分流逐渐减小。
（4）电力机车在软横跨内侧线运行，侧线为主导电回路，电流回路为电连接→机车所在侧线、正线→软横跨→机车所在侧线，机车所在的软横跨分流较大，最大可达17 A，远离电连接的软横跨分流较小。
2.2.4 远离电源侧最后一组软横跨处设置1组电连接
（1）电力机车在软横跨外远离电源侧运行，正线为主导电回路，侧线通过软横跨分流，电连接附近的软横跨分流较小，距离电连接越远的软横跨分流越大，最大可达17 A。
（2）电力机车在软横跨外靠近电源侧运行，软横跨正线、侧线及横向线索基本不参与导流。
（3）电力机车在软横跨内正线运行，正线为主导电回路，侧线通过软横跨分流，电连接附近的软横跨分流较小，机车所在的软横跨分流较大，最大可达15 A，其他位置的软横跨分流逐渐减小。
（4）电力机车在软横跨内侧线运行，主导电回路为正线→电连接→机车所在侧线，各组软横跨均有分流，且分流较大，其中靠近电源侧的软横跨分流最大，最大可达35 A。
2.2.5 靠近电源和远离电源的第一组和最后一组软横跨处分别设置1组电连接
（1）电力机车在软横跨外远离电源侧运行，正线和侧线通过两端电连接形成并联电路向机车供电，正线和侧线均为主导电回路，软横跨分流较小，距离电连接越远的软横跨分流越大，但分流数值较小，最大仅为0.2 A。
（2）电力机车在软横跨外靠近电源侧运行，软横跨正线、侧线及横向线索基本不参与导流。
（3）电力机车在软横跨内正线运行，正线和侧线通过两端电连接形成并联电路向机车供电，机车距离电源越近，正线通过的电流越大，侧线通过的电流越小，各组软横跨分流较小，机车所在软横跨分流最大，但分流数值较小，最大仅为5 A。
（4）电力机车在软横跨内侧线运行，正线和侧线通过两端电连接形成并联电路向机车供电，机车距离电源越近，侧线通过的电流越大，正线通过的电流越小，各组软横跨分流较小，机车所在软横跨分流最大，但分流数值较小，最大仅为5 A。
2.3 仿真结论
通过模拟不同工况下的软横跨分流情况，得出以下结论：
（1）无论是否在软横跨中设置电连接，软横跨横向线索均作为导电回路参与向机车供电。引入电连接后，电连接不同程度地参与了导流，各组软横跨横向线索中依然存在不同程度的分流，分流大小与电连接的数量和设置位置有关。
（2）当软横跨未设置电连接或仅设置1组电连接时，由于电连接设置及机车运行工况的不同，个别软横跨（尤其是首端或末端）横向线索通过电流较大，存在较为严重的分流现象。
（3）当软横跨两端各设置1组电连接时（即用电连接将软横跨包围起来），各种运行工况下的通过电流均明显减小，软横跨横向线索分流问题得到显著改善。
3 结语
基于以上分析结果，由于软横跨固有电气属性，在实际运营中会不同程度参与分流，可采取在其两端加装电连接、选用带电气连接线的定位器等方式改善电连接的分流情况，同时建议设计部门针对首末端软横跨电连接安装标准进行进一步细化设计，以从源头上改善软横跨分流问题。
