nbhkdz.com冰点文库

减少电气化铁道的大地回流降低轨道电位

时间:2011-06-22


减少电气化铁道的大地回流降低轨道电位 ——安装综合接地系统
摘要: 摘要: 本文从电气化铁道牵引供电电流的一般回流过程及主要路 径,分析了大地回流及轨道电位产生的原因及危害,并从各种供 电方式原理分析对比中提出了安装综合接地系统, 用以减少大地 回流、降低轨道电位、完善供电方式的迫切必要性,同时对综合 接地系统作了简要介绍。

引言: 引言: 电气化铁道牵引电流是机车受电弓通过接触导线取流并向 机车供电的电流,牵引电流必须具备回流路径。由于考虑了电流 路径要构成闭合回路,按照能量守恒,总的回流应等于流经接触 线的电流。为最大限度地减少十分有害的大地回流,迅速消除短 路故障状态下钢轨和大地之间的电位差, 保障人身安全和电气化 铁道系统设备安全,应该采用综合接地系统,沿电气化铁道敷设 贯通地线,这是完善供电方式的一项重要举措,也是适应当前我 国大规模建设大功率、高密度、高速铁路以及地质条件复杂的山 区铁路形势的迫切需要。 1.电气化铁道牵引电流的大地回流不容忽视 电气化铁道牵引电流的大地回流不容忽视 1.1 牵引电流的一般回流过程及主要路径。 牵引电流的一般回流过程及主要路径。

牵引变电所

接触线

轨道

大地

图 1 牵引电流一般回流示意图

如图所示,牵引电流是由牵引变电所馈出,沿接触导线送给 电力机车,然后经轨道和大地流回牵引变电所。 1.2 一般情况下,经大地流入牵引变电所的电流比例还相当 一般情况下,经大地流入牵引变电所的电流比例还 电流比例 大。 走行轨可作为回流的导体,但由于钢轨敷设在地面上,其长 度远远大于宽度, 其纵向电阻的存在以及交流牵引网在其周围空 间存在电场和产生交变磁场,接触网与地回路,轨道与地回路存 在感性耦合,必然导致部分回流流入大地,再经大地流回牵引变 电所的接地系统。在实际中,电路参数的分析与测定基本上是按 该回路构成进行的,即牵引网架空线路与地形成一个回路,轨道 与地形成另一个回路, 基于这种情况可以对地中电流的值作近似 计算。 单线区段: 单线区段:一般单线区段接触网等效电路如下图所示:

-2-

Z12 I Id Z1 Z2 Jg

Z1-Z12

Z2-Z12

Z12 Id Ig

图 2 一般单线区段接触网等效电路示意图

图中 Z1 与 Z2 分别表示接触网与地回路和轨道与地回路的自 阻抗,Z12 表示两回路的互阻抗,I 为流经接触网的总电流,其中 一路 Ig 流经钢轨,另一路为地中电流 Id,其电流分配系数为: 钢轨电流分配系数:Kg= Ig/I= Z12/Z2 地中电流分配系数: Kd= Id/I=(Z2 -Z12)/Z2 根据电路原理,代入接触网一般单链形悬挂实际数据,经过 计算(计算过程从略) ,可求得: Z1=0.228+j0.686 Z2=0.198+j0.560 Z12=0.05+j0.315 因此可得 Kg= Z12/Z2= (0.05+j 0.315)/(0.198+j0.560)=0.536∠10.50 Kd=( Z2-Z12)/ Z2= (0.148+j0.245)/(0.198+j0.560)=0.481∠-11.60 说明在一般单线情况下,轨道电流约为牵引网电流的 53.6%,地中电流约为牵引网电流的 48.1%,将近有 50%牵引电 流入地。 复线区段: 复线区段:实际有 3 个感应回路:①上行接触网与地回路; ②下行接触网与地回路;③轨道与地回路。①和②同时在③中感
-3-

应电流。

I1 u1 Z1

Z13

Z12 I2 u2 Z2

Z3 Ig

Z23

图 3 复线区段接触网感应回路示意图

图中 Z1、Z2、Z3 均表示其自阻抗,Z13、Z23、Z12 均表示其互 阻抗,I1 为上行接触网电流,I2 为下行接触网电流,设 I 为总电 流,因此,I=I1+I2 (1)

对钢轨—地回路可有平衡方程式: Z13I1+Z23I2+Z3Ig=0 且 Z12=Z13 (1)式与(2)式合并 求得轨道电流分配系数 Kg=Z13/Z3 地中电流分配系数 Kd=(Z3-Z13)/Z3 根据电路原理, 代入接触网复线链形悬挂有关实际数据经过 计算(计算过程略) ,可求得 Z3=0.124+j0.445 Z13=0.05+j0.307 因此可得 Kg=(0.05+j0.307)/(0.124+j0.445)=0.673∠6.30
-4-

(2)

Kd=(0.074+j0.138)/(0.124+j0.445)=0.340∠-12.60 由此可知,一般复线情况下,轨道电流约为上、下行牵引网 总电流的 67.3%; 地中电流约为 34%, 即在复线情况下, 约有 1/3 的牵引电流入地。 1.3 地中电流危害严重。 地中电流危害严重。 大地包含了组成大地外壳的所有类型的土壤和岩石, 它能传 导电流,像金属一样土壤也有电阻。人们习惯认为,大地任一点 的电位都等于零,但实际由于大地并不是一个均匀介质,土壤导 电率的值处处随土质而异。 特别是当地下设有金属管道或金属表 皮电缆时,地中电流将很大程度地集中沿金属管道流通,随之使 金属温度升高,另外,由于电流在其中产生电压降而使金属物出 现对地电压,与铁路并行的金属导体包括电缆、管道,愈靠近铁 路,上述现象就愈加显著,温度升高将加速金属腐蚀,对地电压 超过规定值时还将危及操作人员的安全。 1.4 走行轨对地电位升高危及行人及周围铁路系统设备使用 走行轨对地电位升高危及行人及周围铁路系统设备使用 安全。 安全。 钢轨无论是钉固在轨枕上还是敷设在混凝土整体道床上, 部 分回流经过走行轨漏泄到大地中,使轨道产生对地电位,在正常 运行过程中,高达上千安培,走行轨和列车的导电部分产生可接 近电压,但该电压存在潜在的危险,因为流经大地的电流愈强, 危险性就愈大,如错车时钢轨对大地的电压出现叠加,使轨电位 增加一倍,万一发生接触网断线,发生短路,更使轨电位骤升,
-5-

短路电流即可达数十千安, 恶劣的气候及严重的环境污染都可能 造成漏泄电流的增加, 从而引起轨电位升高, 产生危险接触电压, 造成人员跨接。 所以电气化铁道要求有特殊的防护措施以消除电 位差来保障人身安全和系统设备使用安全,尤其是建设大功率、 高密度、高速铁路以及地质条件复杂的山区铁路更应该注意。 2.减少大地回流及相关影响的主要措施: 减少大地回 及相关影响的主要措施: 减少大地 我国电气化铁道自 1968 年第二次开工建设以来,一直注重 开发和研究应用各种不同供电方式以减少经大地流回变电所的 电流及其相关影响。 2.1 BT(吸流变压器)供电方式。上个世纪 70 年代我国首 (吸流变压器)供电方式。 先在宝成线马绵段试验成功。随后在阳安线、石太线等多条长大 干线广泛采用,收效显著。

牵引变电所 吸流变 吸流变 回流线 接触线

钢轨

图 4 BT 供电示意图

如上图所示,这种在接触网中安装吸流变压器,原边串接在 接触导线上, 副边串接在与接触线平行等高架设的田野侧回流线 上,变比为 1:1。当牵引电流流经吸流变原边时,副边在回流 线产生很大的互感电势,极大地削弱了周围磁场,显著地降低了
-6-

电磁干扰的影响,在两个吸流变压器中间位置,使用吸上线连接 走行轨与回流线,其电位大致等于轨电位,迫使由钢轨—大地流 回牵引变电所的电流,大部分改由回流线流回变电所。 这种供电方式的缺陷: ——每隔 2—4km,大量安装吸流变、开关等设备;尤其是 在多线铁路系统中投资大,运行费用高等。 ——使用该装置牵引网阻抗加大约 50%, 从而加大了电压降 和功率损失。 ——高速、大功率机车通过吸流变分段时,在接触网分段绝 缘器上产生的电弧加速了接触线和集电弓的磨损。 ——当电力机车在两个吸流变压器间运行并取用牵引电流 时,根据距离和线路参数不同,仍将有牵引电流流过部分区段的 钢轨和大地。 2.2AT(自耦变压器)供电方式: ( 变压器)供电方式: 1984 年,我国从日本引进这种供电方式,首先在京秦线吸 收消化总结提高,安装成功,随后在大秦、陇海、郑武等长大干 线广泛采用,收效显著。

-7-

牵引变电所 接触线

u

n2

n2 钢轨

u

n1
AT1

n1 AT2

正馈线

图 5 AT 供电示意图

如上图所示,AT 变压器,变比为 2:1,其一端接入接触网, 中点接入钢轨,另一端接入正馈线。理论分析认为,原边的激磁 电流贯穿在 n1、n2 两个线圈之中,副边线圈 n2 在电源看来也是 原边线圈的一部分,在负载下,两个线圈中的负载电流总是大小 相等,方向相反,两个线圈中的负载电流的励磁作用相互抵消。 电流由变电所沿接触网送给电力机车,然后沿正馈线流回,轨道 中电流为零,实际是用正馈线代替了回流线。这种供电方式大大 降低了牵引网中的电压损失, 从而扩大了牵引变电所间隔, 同时, 也消除了在接触网中安装吸流变必须安装绝缘分段的突出问题。 这种供电方式的缺陷: ——牵引网投资显著增加。 ——钢轨电流和地电流虽然很小,但依然存在于所有的 AT 区段中。 ——在牵引供电网络短路时,自耦变压器的短路电流增加。 2.3 直供加回流。 直供加回流。
-8-

这种供电方式,现在在我国被广泛采用。
牵引变电所 回流线

接触线

钢轨

图 6 直供+回流供电示意图

从 BT 到 AT,有一个共同的特点,就是在牵引网中增加了 回流线(AT 正馈线代替了 BT 中的回流线) ,通过吸上线与钢轨 连接(在自动闭塞区段与扼流变压器中点接线端子连接) ,为牵 引电流回归牵引变电所提供主通道。 同时在接触悬挂处与双重绝 缘的接地跳线连接,即使由于某种原因,支持正馈线 F 的绝缘子 和支持接触悬挂 T 的绝缘子一旦发生闪络时, 将会迅速通过闪络 直接构成故障电流的金属回路,使变电所等处的距离保护迅速、 可靠动作, 起到保护作用, 由于站场和大桥地段安装了架空地线, 一旦发生绝缘子击穿短路, 故障电流也会立即经架空地线转移到 车站、大桥两端接地,避免产生跨步电压。正是由于安装了回流 线, ——在很大程度上减少了流经轨道和大地的回流, 有资料表 明,架设回流线后至少将流经大地的电流可减少到 15%—20%; ——轨电位显著降低,有资料表明,轨电位可减少 50%—
-9-

55%; ——与铁路并行安装的导线中产生的感应纵向电压, 也减少 了将近一半; ——铁路附近的磁场也得到很大削弱; ——牵引网单位长度阻抗也减小了,提高了回流的导通性。 这种供电方式的缺陷; ——钢轨电流和地电流虽然很小了, 依然存在于电气化区段 中; ——无论是在运行状态还是在故障状态下, 轨电位都会在走 行轨和与之相连的导体上产生,尤其是接触网断线接地短路后, 更为严重,极易造成电击伤害和对周围系统设备的严重破坏。 3.安装综合接地系统完善供电方式。 安装综合接地系统完善供电方式。 安装综合接地系统完善供电方式 为最大限度地减少电气化铁道的大地回流, 消除十分有害的 漏泄电流对铁道沿线金属导体的腐蚀,尤其是随着大功率、高密 度、高速铁路、地质条件复杂的山区铁路大规模建成,当运行电 流或短路电流流经电气化铁道钢轨时,发生接触网断线时,迅速 消除钢轨和大地之间电位差,保护人体不遭受电击、相关系统设 备不遭受破坏,确保牵引电流、再生制动电流、故障短路电流在 低阻抗下迅速回流,距离保护快速可靠动作,笔者认为:在“直 供加回流”供电方式下,安装完善的综合接地系统,非常必要。 如下图所示:

- 10 -

牵引变电所 回流线

接触线

钢轨 1 2 3 4 ……… 贯通地线

图 7 改进型“直供+回流”供电方式示意图

上图是“直供加回流”供电方式的改进和优化。主要是增加 了综合接地系统。 3.1 综合接地系统的组成 综合接地系统由贯通地线、接地装置及引接线构成。综合接 地系统以沿线敷设的贯通地线为主干, 充分利用沿线桥梁、 隧道、 路基地段构筑物设施内的接地装置作为接地体, 形成低阻抗等电 位综合接地平台。主要有:①桥梁综合接地;②隧道综合接地; ③路基综合接地;④车站范围综合接地;⑤无砟轨道综合接地; ⑥接触网支柱基础等构筑物接地等, 各分系统接地通过设置接地 端子,连接引接线与贯通主干线可靠连接。距接触网带电体 5m 范围内的金属构件和需要接地的设施设备应接入综合接地系统; 距线路两侧 20m 范围内铁路设备房屋的接地装置应接入综合接 地系统;不便与铁路综合接地系统等电位连接的第三方设施(路 外公共建筑物、公共电力系统、金属管线等设施)必须采取可靠
- 11 -

的隔离或绝缘等措施。 3.2 各专业接入综合接地系统的主要地线种类 各专业接入综合接地系统的主要地线种类 ①信号:沿线信号设备(所有相关金属设备外壳)的安全接 地和屏蔽接地以及工作接地。 ②通信:沿线漏泄电缆悬吊钢索、通信电缆金属外皮等的屏 蔽地线、通信设备接地、避雷器的安全接地。通信站、微波站、 无线基站在满足综合接地总体接入原则时,可接入综合接地系 统。 ③电力:电力电缆的金属外皮屏蔽地线,电力变压器中性点 接地及设备外壳接地。 ④电气化:接触网 PW 接地保护线的接地,沿线接触网支柱 基础及隧道悬挂装置基础接地。 ⑤车辆:红外轴温探测站、复示站的接地。 ⑥给排水:新兴客车上水栓的工作地线和外壳安全接地。 ⑦独立避雷针和架空避雷线 (网) 的接地应设独立接地装置, 接地装置与被保护建筑物或变、 配电所接地网中的地中距离不应 小于 3m;当有困难时,可与综合接地系统相连,但其地下连接 点至建筑物内的电气、电子设备或变、配电所 35kv 及以下设备 与接地网的地下连接点之间,沿接地体的地中长度不应小于 15m。 ⑧站台上金属构筑物的安全接地。 ⑨车站信号楼、行车室、区间中继站等的综合接地网在条件
- 12 -

许可时可就近接入综合接地系统。 ⑩其他:沿线信息化系统设备的安全地线和屏蔽地线、工作 地线;无碴轨道板、隧道内、桥墩内非预应力钢筋接地;沿线距 接触网带电体 5m 范围内金属构件(如桥栏杆、雨棚、声屏障等) 的防感应接地。 3.3 重点注意事项 ①综合接地系统的设计施工要达到保护人身安全和设备安 全的要求,遵循以人为本、系统优化、综合防护的原则,加强总 体协调、全面规划、统筹考虑。在施工前,早期阶段就要做出完 善设计,以便施工阶段全面实施。 ②流经大地的回流取决于回流导线的设计和截面的大小, 否 则,极易出现供电故障(详见附图 1、2、3) ,因此贯通接地线 截面的选择应能同时满足正常牵引负荷的长期载流量和短路故 障下的短路电流的要求, 应特别注意贯通地线的选用应耐腐蚀并 符合环保要求,环保性能应能满足国家有关规定,同时要特别注 意机械强度。 ③为确保等电位连接,减少不同系统、不同设备之间存在的 电位差,实现低阻抗,结构物内的接地钢筋之间均要可靠焊接, 保证电气连接。考虑信息化电子设备工作需要,各项接地系统在 贯通线接入处的接地电阻不应大于 1 欧姆, 变电所接地网接地电 阻不应大于 0.5 欧姆。 ④回流线上的回流不应再经过贯通地线回归牵引变电所。
- 13 -

⑤接地端子、接地连接线均应采用不锈钢,贯通地线可用铜 排或用热镀锌扁钢埋地敷设。贯通地线要求尽可能顺直,禁止形 成环状。 有资料表明:正是由于安装了综合接地系统: ——架空接触线阻抗的绝对值减少了约 2%—3%; ——位于距线路中心线 3.5m,且高于轨面 0.1m 处导电部分 中的感应纵向电压(感应纵电动势)减少了大约 7%。 ——钢轨对大地电压减少了大约 53%, 大幅降低了系统轨电 位,促进了回流的导通。 该方式在马德里——塞利维亚高铁和德国柏林——汉诺威 高铁上均已采用。

附图 1:

- 14 -

附图 2:

附图 3:
- 15 -

主要参考文献 1.曹建猷著:电气化铁道供电系统 2. .. …….. 程广仁 高级工程师 国家注册咨询工程师、监理工程师、 设备监理师 北京 中国铁道出版社

- 16 -

- 17 -


赞助商链接