綜合接地系統在山區電氣化鐵路應用的探討

程彩紅,程廣仁

(1.中鐵電氣化局集團有限公司,北京 100036;2.上海天佑工程咨詢有限公司,上海 200092)

綜合接地系統在山區電氣化鐵路應用的探討

程彩紅,程廣仁

(1.中鐵電氣化局集團有限公司,北京 100036;2.上海天佑工程咨詢有限公司,上海 200092)

電氣化鐵道牽引電流是機車受電弓通過接觸導線取流并向機車供電的電流,牽引電流必須具備回流路徑。由于考慮了電流路徑要構成閉合回路,按照能量守恒定律,總的回流應等于流經接觸線的電流。為最大限度地減少十分有害的大地回流,迅速消除短路故障狀態下鋼軌和大地之間的電位差,保障人身安全和電氣化鐵道系統設備安全,應該采用綜合接地系統,沿電氣化鐵道敷設貫通地線,這是完善供電方式的一項重要舉措,也是適應當前我國大規模建設大功率、高密度、高速鐵路以及地質條件復雜的山區鐵路建設形勢的迫切需要。

宜萬鐵路;電氣化鐵道;牽引電流;接地系統

1 電氣化鐵道牽引電流的大地回流不容忽視

(1)牽引電流的一般回流過程及主要路徑

如圖1所示,牽引電流是由牽引變電所饋出,沿接觸導線送給電力機車,然后經軌道和大地流回牽引變電所。

圖1 牽引電流一般回流示意

(2)一般情況下,經大地流回牽引變電所的電流比例還相當大

走行軌可作為回流的導體,但由于鋼軌敷設在地面上,其長度遠遠大于寬度,其縱向電阻的存在以及交流牽引網在其周圍空間存在電場和產生交變磁場,接觸網與地回路、軌道與地回路存在感性耦合,必然導致部分回流流入大地,再經大地流回牽引變電所的接地系統。實際電路參數的分析與測定基本上是按該回路構成進行的,即牽引網架空線路與地形成一個回路,軌道與地形成另一個回路,基于這種情況可以對地中電流的值作近似計算。

單線區段:一般單線區段接觸網等效電路如圖2所示。

圖2 一般單線區段接觸網等效電路示意

圖2中,Z1與Z2分別表示接觸網與地回路和軌道與地回路的自阻抗,Z12表示兩回路的互阻抗,I為流經接觸網的總電流,其中一路Ig流經鋼軌,另一路為地中電流Id,其電流分配系數為

鋼軌電流分配系數 Kg=Ig/I=Z12/Z2

地中電流分配系數 Kd=Id/I=(Z2-Z12)/Z2

根據電路原理,代入接觸網一般單鏈形懸掛實際數據,經過計算可求得

因此可得Kg=Z12/Z2=(0.05+j0.315)/(0.198+ j0.560)=0.536∠10.5°

Kd=(Z2-Z12)/Z2=(0.148+j0.245)/(0.198+ j0.560)=0.481∠-11.6°

說明在一般單線情況下,軌道電流約為牽引網電流的53.6%,地中電流約為牽引網電流的48.1%,將近有50%牽引電流入地。

復線區段:實際有3個感應回路①上行接觸網與地回路;②下行接觸網與地回路;③軌道與地回路。①和②同時在③中感應電流。如圖3所示。

圖3 復線區段接觸網感應回路示意

圖3中,Z1、Z2、Z3均表示其自阻抗,Z13、Z23、Z12均表示其互阻抗,I1為上行接觸網電流,I2為下行接觸網電流,設I為總電流,因此

對鋼軌—地回路可有平衡方程式

(1)式與(2)式合并求得

軌道電流分配系數 Kg=Z13/Z3

地中電流分配系數 Kd=(Z3-Z13)/Z3

根據電路原理,代入接觸網復線鏈形懸掛有關實際數據,經過計算可求得

因此可得軌道電流分配系數

地中電流分配系數

由此可知,一般復線情況下,軌道電流約為上、下行牽引網總電流的67.3%;地中電流約為34%,即在復線情況下,約有1/3的牽引電流入地。

(3)地中電流危害嚴重

大地包含了組成大地外殼的所有類型的土壤和巖石,它能傳導電流,像金屬一樣土壤也有電阻。人們習慣認為,大地任一點的電位都等于零,但實際由于大地并不是一個均勻介質,土壤導電率的值處處隨土質而異。特別是當地下設有金屬管道或金屬表皮電纜時,地中電流將很大程度地集中沿金屬管道流通,隨之使金屬溫度升高。另外,由于電流在其中產生電壓降而使金屬物出現對地電壓,與鐵路并行的金屬導體包括電纜、管道,愈靠近鐵路,上述現象就愈加顯著,溫度升高將加速金屬腐蝕,對地電壓超過規定值時還將危及操作人員的安全。

(4)走行軌對地電位升高危及行人及周圍鐵路系統設備使用安全

鋼軌無論是釘固在軌枕上還是敷設在混凝土整體道床上,部分回流經過走行軌漏泄到大地中,使軌道產生對地電位,在正常運行過程中,高達上千安培。走行軌和列車的導電部分產生可接近電壓,但該電壓存在潛在的危險,因為流經大地的電流愈強,危險性就愈大,如錯車時鋼軌對大地的電壓出現疊加,使軌電位增加1倍,萬一發生接觸網斷線,發生短路,更使軌電位驟升,短路電流即可達數十千安,惡劣的氣候及嚴重的環境污染都可能造成漏泄電流的增加,從而引起軌電位升高,產生危險接觸電壓,造成人員傷害。所以電氣化鐵道要求有特殊的防護措施,以消除電位差來保障人身安全和系統設備使用安全,尤其是建設大功率、高密度的高速鐵路以及像宜萬鐵路這種地質條件極其復雜的山區鐵路更應該注意。

2 減少大地回流及相關影響的主要措施

我國電氣化鐵道自1968年第二次開工建設以來,一直注重開發和研究應用各種不同供電方式,以減少經大地流回變電所的電流及其相關影響。

(1)BT(吸流變壓器)供電方式

20世紀70年代我國首先在寶成線馬綿段試驗成功。隨后在陽安線、石太線等多條長大干線廣泛采用,收效顯著。

如圖4所示,這種在接觸網中安裝吸流變壓器,原邊串接在接觸導線上,副邊串接在與接觸線平行等高架設的田野側回流線上,變比為1∶1。當牽引電流流經吸流變原邊時,副邊在回流線產生很大的互感電勢,極大地削弱了周圍磁場,顯著地降低了電磁干擾的影響,在兩個吸流變壓器中間位置,使用吸上線連接走行軌與回流線,其電位大致等于軌電位,迫使由鋼軌—大地流回牽引變電所的電流,大部分改由回流線流回變電所。

圖4 BT供電示意

這種供電方式的缺陷:

每隔2～4km,大量安裝吸流變、開關等設備;尤其是在多線鐵路系統中投資大,運行費用高等;

使用該裝置牽引網阻抗加大約50%,從而加大了電壓降和功率損失;

高速、大功率機車通過吸流變分段時,在接觸網分段絕緣器上產生的電弧加速了接觸線和集電弓的磨損;

當電力機車在2個吸流變壓器間運行并取用牽引電流時,根據距離和線路參數不同,仍將有牽引電流流過部分區段的鋼軌和大地。

(2)AT(自耦變壓器)供電方式

1984年,我國從日本引進這種供電方式,首先在京秦線吸收消化總結提高,安裝成功,隨后在大秦、隴海、鄭武等長大干線廣泛采用,收效顯著。

如圖5所示,AT變壓器,變比為2∶1,其一端接入接觸網,中點接入鋼軌,另一端接入正饋線。理論分析認為,原邊的激磁電流貫穿在n1、n2兩個線圈之中,副邊線圈n2在電源看來也是原邊線圈的一部分,在負載下,兩個線圈中的負載電流總是大小相等,方向相反,兩個線圈中的負載電流的勵磁作用相互抵消。電流由變電所沿接觸網送給電力機車,然后沿正饋線流回,軌道中電流為零,實際是用正饋線代替了回流線。這種供電方式大大降低了牽引網中的電壓損失,從而擴大了牽引變電所間隔,同時,也消除了在接觸網中安裝吸流變必須安裝絕緣分段的突出問題。

圖5 AT供電示意

這種供電方式的缺陷:

牽引網投資顯著增加;鋼軌電流和地電流雖然很小,但依然存在于所有的AT區段中;

在牽引供電網絡短路時,自耦變壓器的短路電流增加。

(3)直供加回流

這種供電方式,現在在我國被廣泛采用。如圖6所示。

圖6 直供+回流供電示意

從BT到AT,有一個共同的特點,就是在牽引網中增加了回流線(AT正饋線代替了BT中的回流線),通過吸上線與鋼軌連接(在自動閉塞區段與扼流變壓器中點接線端子連接),為牽引電流回歸牽引變電所提供主通道。同時在接觸懸掛處與雙重絕緣的接地跳線連接,即使由于某種原因,支持正饋線F的絕緣子和支持接觸懸掛T的絕緣子一旦發生閃絡時,將會迅速通過閃絡直接構成故障電流的金屬回路,使變電所等處的距離保護迅速、可靠動作,起到保護作用,由于站場和大橋地段安裝了架空地線,一旦發生絕緣子擊穿短路,故障電流也會立即經架空地線轉移到車站、大橋兩端接地,避免產生跨步電壓。正是由于安裝了回流線,在很大程度上減少了流經軌道和大地的回流,有資料表明,架設回流線后至少將流經大地的電流可減少到15%～20%;軌電位顯著降低,有資料表明,軌電位可減少50%～55%;與鐵路并行安裝的導線中產生的感應縱向電壓,也減少了將近一半;鐵路附近的磁場也得到很大削弱;牽引網單位長度阻抗也減小了,提高了回流的導通性。

這種供電方式的缺陷:鋼軌電流和地電流雖然很小了,依然存在于電氣化區段中;無論是在運行狀態還是在故障狀態下,軌電位都會在走行軌和與之相連的導體上產生,尤其是接觸網斷線接地短路后,更為嚴重,極易造成電擊傷害和對周圍系統設備的嚴重破壞。

3 安裝綜合接地系統完善供電方式

為最大限度地減少電氣化鐵道的大地回流,消除十分有害的漏泄電流對鐵道沿線金屬導體的腐蝕,尤其是隨著大功率、高密度的高速鐵路,地質條件復雜的山區鐵路大規模建成,當運行電流或短路電流流經電氣化鐵道鋼軌時,發生接觸網斷線時,迅速消除鋼軌和大地之間電位差,保護人體不遭受電擊、相關系統設備不遭受破壞,確保牽引電流、再生制動電流、故障短路電流在低阻抗下迅速回流,距離保護快速可靠動作,筆者認為:在“直供加回流”供電方式下,安裝完善的綜合接地系統非常必要。如圖7所示。

圖7 改進型“直供+回流”供電方式示意

圖7是“直供+回流”供電方式的改進和優化。主要是增加了綜合接地系統。圖中①、②、③、④、……代表了綜合接地系統各子系統接地。

3.1 綜合接地系統的組成

綜合接地系統由貫通地線、接地裝置及引接線構成。綜合接地系統以沿線敷設的貫通地線為主干,充分利用沿線橋梁、隧道、路基地段構筑物設施內的接地裝置作為接地體,形成低阻抗等電位綜合接地平臺。主要有:(1)橋梁綜合接地;(2)隧道綜合接地;(3)路基綜合接地;(4)車站范圍綜合接地;(5)無砟軌道綜合接地;(6)接觸網接地系統;(7)通信信號綜合接地等。各分系統接地通過設置接地端子,連接引接線與貫通主干線可靠連接。距接觸網帶電體5m范圍內的金屬構件和需要接地的設施設備應接入綜合接地系統;距線路兩側20m范圍內鐵路設備房屋的接地裝置應接入綜合接地系統;不便與鐵路綜合接地系統等電位連接的第三方設施(路外公共建筑物、公共電力系統、金屬管線等設施)必須采取可靠的隔離或絕緣等措施。

3.2 各專業接入綜合接地系統的主要地線種類

(1)信號:沿線信號設備(所有相關金屬設備外殼)的安全接地和屏蔽接地以及工作接地。

(2)通信:沿線漏泄電纜懸吊鋼索、通信電纜金屬外皮等的屏蔽地線、通信設備接地、避雷器的安全接地。通信站、微波站、無線基站在滿足綜合接地總體接入原則時,可接入綜合接地系統。

(3)電力:電力電纜的金屬外皮屏蔽地線,電力變壓器中性點接地及設備外殼接地。

(4)電氣化:接觸網PW接地保護線的接地,沿線接觸網支柱基礎及隧道懸掛裝置基礎接地。

(5)車輛:紅外軸溫探測站、復示站的接地。

(6)給排水:新興客車上水栓的工作地線和外殼安全接地。

(7)獨立避雷針和架空避雷線(網)的接地應設獨立接地裝置,接地裝置與被保護建筑物或變、配電所接地網中的地中距離不應小于3m;當有困難時,可與綜合接地系統相連,但其地下連接點至建筑物內的電氣、電子設備或變、配電所35kV及以下設備與接地網的地下連接點之間,沿接地體的地中長度不應小于15m。

(8)站臺上金屬構筑物的安全接地。

(9)車站信號樓、行車室、區間中繼站等的綜合接地網在條件許可時可就近接入綜合接地系統。

(10)其他:沿線信息化系統設備的安全地線和屏蔽地線、工作地線;無砟軌道板、隧道內、橋墩內非預應力鋼筋接地;沿線距接觸網帶電體5m范圍內金屬構件(如橋欄桿、雨棚、聲屏障等)的防感應接地。

3.3 宜萬鐵路電氣化等專業接地子系統簡介

圖8 隧道接觸網綜合接地系統(單位:m)

(1)電氣化專業針對隧道內高電阻率,單獨接地接地電阻極難達標的特點,采用貫通地線的方式設置接觸網的接地系統。如圖8所示。起點每隔500m由接地扁鋼處向上在距軌面高度5m處引出φ12mm的接地鋼筋2處,接地引上線埋設在隧道襯砌內,外露長度不小于300mm,接地鋼筋均應作鍍鋅處理。每500m增加垂直接地體(實際為50mm×50mm×5mm)5根,間距約5m,垂直接地體直接焊接在貫通的50×5的扁鋼上。貫通的接地扁鋼兩頭引出隧外,并作接地引上,外露長度不小于200mm,兩端接地扁鋼與接地極連接。搭接工藝:不同段的扁鋼、角鋼、鋼筋間采用可靠焊接,中間不允許有虛焊,搭接焊縫面積不小于200mm2,焊縫長度不小于100mm。

加強措施:若接地電阻不滿足要求,可采取以下措施直至接地電阻滿足要求:①增加水平接地極,增加的水平接地極(50mm×5mm的扁鋼)與貫通接地扁鋼每隔1.5m焊接1次;②在接地體周圍埋置長效固化型

全線長度大于500m的隧道和設有隔離開關洞室和自動過分相洞室的隧道在水溝底(電力電纜槽一側的水溝內,一般為隧道左側)預埋鍍鋅接地扁鋼,接地扁鋼敷設處的混凝土覆蓋層不小于100mm,鍍鋅接地扁鋼截面應不小于120mm2(實際為50mm×5mm鍍鋅扁鋼),鍍鋅層不小于70μm。

長度大于500m的隧道內,以宜昌端進口為測量降阻劑。

隧道內采用架空地線集中接地的方式,每個隧道貫通1根架空地線。當架空地線長度大于500m時,需每500m設接地1處,與隧道壁外露的接地引上線連接。

隔離開關、避雷器等電氣設備需設可靠的接地極。

距接觸網帶電體5m以內的金屬構件,包括沿線的防護網柵、下錨墜砣限制架等均設可靠接地極。

(2)信號專業采取了貫通地線防護措施。貫通地線采用截面積為35mm2銅纜,引出線采用35mm2銅絞線,接地體采用50mm×50mm×5mm型鍍鋅角鋼,垂直埋設在路基面下不小于0.5m深處,一般路段按不大于1000m設置1處,困難地段(橋梁、隧道及硬質巖石地段)按不大于500m(200m)設置1處,一般1處設3～5根,并通過引接線引出至信號電纜槽,與信號電纜槽內的貫通地線進行熱熔接,并刷清漆進行防腐處理,貫通地線綜合接地電阻不大于1Ω。橋梁上貫通地線通過梁體及墩臺內的專用接地鋼筋與接地極連接,專用接地鋼筋與橋墩基礎同步實施。

3.4 重點注意事項

(1)綜合接地系統的設計施工要達到保護人身安全和設備安全的要求,遵循以人為本、系統優化、綜合防護的原則,加強總體協調、全面規劃、統籌考慮。在施工前,早期階段就要做出完善設計,以便施工階段全面實施。

(2)流經大地的回流取決于回流導線的設計和截面的大小,否則,極易出現供電故障(圖9),因此貫通接地線截面的選擇應能同時滿足正常牽引負荷的長期載流量和短路故障下的短路電流的要求,應特別注意貫通地線的選用應耐腐蝕并符合環保要求,環保性能應能滿足國家有關規定,同時要特別注意機械強度。

(3)為確保等電位連接,減少不同系統、不同設備之間存在的電位差,實現低阻抗,結構物內的接地鋼筋之間均要可靠焊接,保證電氣連接。考慮信息化電子設備工作需要,各項接地系統在貫通線接入處的接地電阻不應大于1Ω,變電所接地網接地電阻不應大于0.5Ω。

(4)回流線上的回流不應再經過貫通地線回歸牽引變電所。

(5)接地端子、接地連接線均應采用不銹鋼,貫通地線可用銅排或用熱鍍鋅扁鋼埋地敷設。貫通地線要求盡可能順直,禁止形成環狀。

有資料表明:正是由于安裝了綜合接地系統:架空接觸線阻抗的絕對值減少了約2%～3%;位于距線路中心線3.5m,且高于軌面0.1m處導電部分中的感應縱向電壓(感應縱電動勢)減少了大約7%。鋼軌對大地電壓減少了大約53%,大幅降低了系統軌電位,促進了回流的導通。

該方式在馬德里——塞利維亞高鐵和德國柏林——漢諾威高鐵上均已采用。

4 結論

通過對電氣化鐵道供電原理和牽引電流回流徑路的分析,筆者認為,為最大限度地減少十分有害的大地回流,迅速消除短路故障狀態下鋼軌和大地之間的電位差,保障人身安全、四電設備安全和鐵路運營安全,應該采用綜合接地系統,這既是完善供電方式的一項重要舉措,也是適應當前我國大規模建設大功率、高密度、高速鐵路以及像宜萬鐵路這種地質條件極其復雜的山區鐵路建設形勢的迫切需要。

[1] 曹建猷.電氣化鐵道供電系統[M].北京:中國鐵道出版社,1983.

[2] 中鐵電氣化局集團有限公司譯.電氣化鐵道接觸網[M].北京:中國電力出版社,2004.

[3] 張華志.客運專線牽引變電所接地設計·工程實施及測量技術研究[J].鐵道標準設計,2008(5).

[4] 鄧云川.綜合接地系統鋼軌電位及電流分布的分析[J].鐵道標準設計,2009(S1).

U22

A

1004 -2954(2010)08 -0190 -05

2010 -05 -10;

2010 -06 -17

程彩紅(1971—),女,高級工程師,1993年畢業于河北科技大學自動化專業,E-mail:EEBCGR@163.com。