单线铁路断轨监测设计方案与实践

徐红新，王 健

为实现铁路提速,我国铁路干线大力推广应用无缝线路。但随着提速和重载列车的增多,钢轨及接头焊缝受到的冲击也明显增大。如果钢轨接头焊接存在缺陷或轨道几何形位不良,加之轨温变化导致拉力过大,容易造成钢轨因应力集中而开裂甚至折断,危及行车安全。

钢轨断轨虽然是小概率事件,但直接关系到行车安全,必须高度重视。据了解,各铁路局几乎每年都有断轨故障发生。单线铁路区间一般都没有轨道电路,目前工务对钢轨检查主要采取定期探伤和巡道工巡视相结合的方法,探测周期长,特别是在山区铁路长大隧道中,能见度低,巡道工很难及时发现钢轨损伤和折断。因此,为能够全天候及时发现钢轨断轨,预防危及行车安全的事故发生,需要利用设备对钢轨断轨进行监测。

1 断轨监测系统的类型和发展现状

钢轨断轨分为全截面断裂型（钢轨折断截面积100%）和非全截面断裂型（钢轨折断截面积50%以上）［1］。目前国内依靠设备进行断轨检测,主要有电气电路型和超声波探测型2种方式。

超声波探测型分别对左右2根钢轨进行独立探测,其优势是不仅能发现全面断裂型,而且能发现非全面断裂型的断轨；缺点是设备功耗大,需配备大容量的电池和太阳能电池板,造价较高,遇到连续阴雨天时电池待机时间短。

电气电路型的断轨监测系统类似于轨道电路,利用左右2根钢轨作为电流传导线构成闭合回路,系统结构简单,设备可靠性高,但只能对全截面断裂型且断开的两部分完全没有电气连接时进行监测报警。目前全路应用较多且较稳定可靠的断轨监测系统,大都属于电气电路型［3-6］。

本文以衢州至宁德铁路（以下简称衢宁铁路）为例,结合新建山区单线自动站间闭塞的线路特点,有针对性地开展断轨监测系统设计。

2 衢宁铁路主要技术标准

衢宁铁路线路等级为Ⅰ级,单线自动站间闭塞,电力牵引,速度目标值160 km/h,站间距约10 km,客货混跑,并有动车组上线运行。进站信号机设双接近区段和接近信号机,接近区段采用97型25 Hz相敏轨道电路。除个别车站因站间距较短采用轨道电路直接贯通外,其余区间无轨道电路。根据中国铁路总公司运输局（运工线函［2015］209号）设置断轨监测系统有关规定：针对日通行5对旅客列车及以上的半自动闭塞区间、无缝线路地段,为解决半自动闭塞断轨预警问题,需安装成熟可靠的断轨监测系统,实时监测断轨［2］。

衢宁铁路为自动站间闭塞无缝线路,大部分车站之间的区间除进站信号机接近区段外,都没有轨道电路。近期（至2030年）衢州至查田段客车对数为11对,查田至宁德段客车对数为7对,按文件规定需设断轨监测系统。

3 断轨监测系统的设计方案

衢宁铁路浙江段和福建段分属2个建设单位,招标的2家断轨监测系统厂家均采用载波检测、公网无线传输方式的断轨监测设备,监测原理大同小异,均属于电气电路型,仅是采用的载波频率不同（浙江段载频中心频率21 kHz；福建段载频中心频率（13.5±0.5）kHz,频偏4.0 kHz）。衢宁铁路属于电气化铁路,采用载波检测方式能够有效抗电气化干扰［7-11］。

3.1 断轨监测系统的构成

断轨监测系统利用钢轨作为信号传输载体,采用基于载波通信的原理实现实时在线监测,通过现场不同里程收发器之间的信号传输,实现钢轨断轨实时监测。区分断轨地点的范围小于1 km,断轨报警时间≤1 min。同时该系统还能监测和判断列车运行方向,显示占用、出清区间各段线路的全过程,其系统原理见图1。断轨监测系统主要设备如下。

图1 电气化区段断轨监测系统原理

1）监测主机。为实现监测报警信息集中上传的关键设备,一般与集中器（管理器）放在一个变压器箱中,通过有线方式与集中器连接,二者之间通过公网无线方式通信。

2）集中器（或称管理器）。主要功能是将各收发器的信息通过钢轨载波集中采集打包,并将监测数据发送至监测主机,供主机做出判断。

3）收发器（或称定标器）。相邻收发器间的信息可实现接力传递,向上级收发器发送测试信号,并测量下级测试信号强度,同时把设备本身电池电压和测试数据发给监测主机。

4）虚拟定标器。实际上就是钢轨短接跳线,将监测区段末端吸上线处左右2根钢轨可靠短接,构成电气闭合回路。

5）系统服务器。设于工务段或路局信息中心机房内,汇聚断轨监测的数据,包括主机、存储等硬件设备和备份软件,为数字化提供数据的集中存储、备份、管理服务,并配置在线杀毒系统、入侵检测系统、日志记录系统和网络性能监控系统等。

6）报警客户终端。分为固定客户端和移动客户端,固定客户端指台式电脑或笔记本电脑,移动客户端指相关作业人员手机。这些终端设备一般无需单独购置,利用既有设备安装相应软件即可。

7）声光报警器。设于工务段调度室、维修工区等需要的场所,当收到系统发出的报警信息后,其红色指示灯闪烁,同时蜂鸣器鸣响,向值班人员示警,经值班人员确认后,按下红色按钮可停止报警。由于工作人员的手机每天都要收到大量不同来源的短信,有时可能会对断轨报警信息无法做出及时回应,并且手机在隧道或山区等无信号的地方也无法收到报警信息,因此该报警器可弥补短信报警的先天不足。

3.2 断轨监测系统的设计原则

设计断轨监测系统需要先搜集以下资料：①区间无轨道电路里程起终点一览表；②吸上线布置里程一览表；③桥、隧、路基地段表；④电力专业隧道照明配电箱位置分布表（含左右侧）；⑤曲线表、长短链表。

不同设备厂家的设备技术要求不太一样,设备招标后需按照厂家的布置要求,利用以上资料对现场断轨监测设备进行详细布点。设计原则如下。

1）将相邻吸上线之间作为一个断轨监测分段（大约2.5 km）,或者是区间轨道电路和无轨道电路区段分界点与无轨道电路区段吸上线之间作为一个断轨监测分段。如图2所示。

图2 断轨监测区段应用的2种场景

2）断轨监测收发器与收发器之间、收发器与主机之间一般按不超过1 km布置,但不一定要等间距,可结合现场情况合理布置。如曲线部分等重点监测地段,可减小监测设备间距；短隧道尽量把断轨监测设备放到隧道外,以便利用太阳能供电。

3）断轨监测系统的电源设计。分为室内供电和现场供电,其中室内断轨监测服务器及其他固定报警客户端设备应采用UPS供电,UPS应采用可靠的外电源,防止外电网停电,电池电量耗尽时报警信息丢失或漏报。现场供电则要注意：①路基地段和桥梁上断轨监测设备采用太阳能组件,包含太阳能电池板、立柱支架、电池等；②长大隧道里的断轨监测设备,应尽量靠近隧道照明配电箱（一般在隧道洞室口）,或沿隧道壁下方敷设短电缆,从隧道照明配电箱取电,若断轨监测单设一个小电源箱,则该电源箱应自带熔断器,以免断轨监测设备电源短路时,影响隧道照明供电；③无论是采用太阳能供电,还是从隧道照明配电箱取电,都必须配备大容量蓄电池,以保证连续阴雨天或隧道照明停电检修时断轨监测设备的正常工作,电池供电时间不小于15昼夜；④太阳能电池板应朝向南面,且不被树木或其他设施遮挡。

4）断轨监测系统的防雷接地设计：①长大隧道断轨监测设备从隧道照明电源箱取电时,应设浪涌保护器（SPD）,现场与钢轨连接的断轨监测集中器、收发器中均设有通道防雷单元；②室外的断轨监测设备应做好防雷单元接地和外壳安全接地连接,路基地段单独设置接地极,桥梁地段可与桥梁栏杆可靠连接,隧道地段可将接地引接线与站前专业预留的接地极,或挡墙里的纵向接地钢筋连接,接地电阻≤10Ω。

3.3 断轨监测系统设计需要的外部工程条件

1）全线必须已经实现了公网覆盖。断轨监测系统依靠公网GPRS信号把报警信息发到工务段和监测中心服务器,公网信号覆盖必不可少,目前三大运营商电信、移动、联通的信号基本都覆盖了铁路干线。

2）断轨监测区段的轨距杆必须要带绝缘,避免短路影响断轨监测设备报警。

3）断轨监测区段内若有夹板、桥梁温调器等,需要用信号钢轨接续线将夹板的两端连接,保证可靠电气贯通。

4）道床电阻应不小于1.0Ω·km,以防电流漏泄过大,影响断轨监测设备正常工作。

3.4 断轨监测系统施工及运营维护要求

1）断轨监测设备安装必须满足限界要求,设备必须安装牢固,满足抗风、防震动要求,太阳能电池板支架即使倾倒后,也不得侵入铁路限界。

2）电气化区段信号轨道电路引接线一般采用“一塞一焊”双根引接线,为防止并联2根引接线之间钢轨垂直方向断轨检测不到,断轨监测设备至钢轨的引接线（长短各1根）应采用单连接线。

3）钢轨引接线过水沟时,应套钢管防护,防止工务换轨时砸伤引接线。

4）桥梁外侧的栏杆由立柱和横栏杆组成,其中立柱与桥梁主体结构相连,非常稳固,横栏杆仅起防护作用。桥梁上的断轨监测设备必须固定在桥梁护栏立柱上,不能固定在横栏杆,以防晃动和脱落。

5）工务段应定期对断轨监测设备及钢轨引接线进行巡检,确保设备基础稳固、连接可靠。定期对太阳能电池板进行清洁养护,防止覆盖灰尘过多影响发电效率。

4 应用效果

衢宁铁路福建段73.825 km的区间断轨监测设备已于2020年9月底上道运营,浙江段100.1 km的区间正在安装。目前由于开通时间不长,系统尚没有发现断轨故障,但在工务换轨时（与断轨场景相同）监测中心和工务段都能收到断轨报警信息,证明设备工作正常。衢宁铁路为山区铁路,交通极为不便,钢轨断轨监测设备上道后,工务段、路局信息中心、有关工务人员手机上均可实时收到报警信息,减轻了劳动强度,提高了效率,确保了运营安全。

5 结束语

我国铁路目前还有不少半自动闭塞或自动站间闭塞线路,特别是交通不便、人迹罕至的山区和无人区铁路线路,依赖传统的人工巡道方式效率非常低,无法保证及时发现钢轨断轨。该断轨监测系统可以全天候连续监测钢轨状态,对于区间没有轨道电路的线路是一个较好的解决方案,具有较好的推广前景。