綜合接地對AT 牽引供電網絡參數影響的研究

蘇保衛，陳劍云

0 引言

國內高速客運專線采用了許多新技術，綜合接地技術就是其中之一。所謂綜合接地就是在高速電氣化鐵路的沿線敷設一條貫通地線，把沿線的電氣化牽引供電系統、10 kV 電力供電系統、信號系統、通信系統以及其他電氣電子設備的接地連接在一起，構成一個共用接地系統，這不僅可以較大幅度地降低各系統的接地電阻，其等電位連接也可更有效地確保人身安全和電子、電氣設備的可靠運行。國內在研究法、德、日鐵路接地技術的基礎上，經過京津城際、武廣、鄭西等客運專線工程實施中的消化、吸收、創新，形成了具有自主知識產權的中國客運專線綜合接地技術體系，并頒布了《客運專線綜合接地技術實施辦法（暫行）》規范[1，2]。

牽引供電系統是以鋼軌和大地作為回流的特殊供電系統，客運專線牽引供電系統都采用AT（自耦變壓器）供電方式，這種方式由于其牽引電壓高（2×27.5 kV），牽引網阻抗小，供電距離長，能較好地滿足高速客運專線機車對大功率大電流的需求[3，4]?？瓦\專線供電電流達到千安，而鋼軌對地泄漏阻抗又較大，因此鋼軌電位可能會比較大。采用綜合接地技術后，能較好地降低鋼軌電位，對整個牽引網的供電參數有影響，但影響多大，效果如何需要精確計算才能獲得。

本文在建立AT 牽引網絡的廣義四端網絡精確計算模型的基礎上，分析計算綜合接地對鋼軌電位、牽引網阻抗、鋼軌回流、地中回流的影響。

1 AT 牽引供電網絡的構成

AT 供電方式所構成的牽引網絡十分復雜，它由牽引網接觸線T（包括并聯的承力索）和正饋線F 接在自耦變壓器的原邊，構成55 kV 供電回路，而鋼軌與自耦變壓器AT（變比為1∶1）的中點連接，使接觸網與鋼軌間的電壓仍然保持為27.5 kV。實際運行系統還加有保護線PW，保護線和接觸網并行，約1.2 km 通過扼流變壓器與鋼軌連接，鋼軌對大地存在沿線均勻分布的泄漏電阻。高速軌道對地泄漏電阻一般較大，特別是高架區段，不能依靠鋼軌作為基本接地體。國內客運專線的電源一般采用V/X 接線，變壓器次邊中點接鋼軌，該接線方式的優點是可以省去變電所端的AT，節省投資。圖1 為AT 牽引供電示意圖，沒有考慮綜合接地的情形。

圖1 AT 供電系統示意圖

下面討論綜合接地的情形。綜合接地方式的要點是在橋梁地段，利用橋梁深達數十米的樁基礎結構鋼筋作為垂直地極或者利用幾十平米的擴大基礎中的結構鋼筋作為水平接地網；隧道地段，利用錨桿或結構鋼筋作為垂直或水平接地極；路基地段，利用國內首創的導電高分子護套貫通地線和深達數米的接觸網支柱基礎結構鋼筋分別作為水平和垂直接地極；通過全線敷設的導電高分子護套貫通地線（橋隧地段敷設于電力電纜槽中，路基地段必須敷設于電纜槽下）將每個接地極連接起來，并在橋梁等土建結構物中安裝不銹鋼接地端子，形成貫通客運專線全線的綜合接地公共接入平臺。綜合接地線也每隔1～2 km 和鋼軌、保護線通過扼流變壓器連接。因此，綜合接地系統可以看成一條縱向導線，它隔段埋設接地極，并和鋼軌分段連接的線路。圖2 為接入綜合接地系統的牽引網絡示意圖。

圖2 帶綜合接地的AT 供電網絡示意圖

圖2 中考慮了一條通訊線路。為了簡化，圖1和圖2 都只畫出了單線（上行）的供電系統圖，實際的客運專線都是復線（上行和下行），上行和下行并聯運行, 即上下行接觸線網、正饋線在首末端和AT 處并聯，上下行鋼軌、保護線通過扼流變壓器連接發揮網絡的供電能力，并且降低鋼軌的電位。

2 廣義四端網絡表征的AT 供電系統模型[5]

考慮上下行并聯運行，AT 供電網絡顯得非常復雜，簡化等值電路計算很難得出所需的數據和精度，采用并聯多導體系統數學模型是非常必要的。這里考慮建立一個16 根縱向導線的模型，這些導線（上行）包括：1 接觸線；2 承力索；3 正饋線；4 鋼軌；5 鋼軌；6 保護線；7 綜合地線；8 通信線。另外有對稱的下行8 根導線?？v向導線之間存在分布電感、互感、電容和泄漏電阻，縱向導線間還有橫向連接元件，包括牽引變壓器、AT 變壓器、電力機車、連接導線、接地電阻等。整個牽引供電系統可以表征成圖3 所示的廣義四端網絡[4]。

圖3 由廣義四端網絡表征的AT 系統等值電路圖

圖3 中ZK為各段支路16×16 階的阻抗矩陣，IK為16×1 階的支路電流矩陣，YK為各節點16×16 導納矩陣，GK為16×1 階外界注入的電流矩陣，VK是16×1 階的電壓矩陣。對于上面的鏈式電路，第K 個節點，有

由此得

把式（3）、式（4）代入式（2），并令

則有

圖3 整個網絡方程為

簡寫為

可求解得

將求解得到的導線節點電壓矩陣VK，代入式（3），可以求得導線各段的電流矩陣IK，整個網絡得以求解。

3 牽引網特性曲線計算與分析

以滬寧線無錫東變電所至蘇州工業園區分區所供電臂為算例。供電臂長 30.692 km，在15.802 km 處AT 所和末端分區所安裝AT 變壓器。各參數如下：牽引變壓器為V/X 接線，中性點N引出接地，額定電壓220 kV/(2×27.5) kV，中壓繞組容量為25+25 MV·A，2 對高中壓繞組的阻抗電壓為10.5%，并滿足阻抗Z21=Z31，（3Z21+Z31-Z23-1）/4=0.45 Ω；AT 變壓器容量32 MV·A，短路阻抗 0.1+j0.45 Ω；牽引網導線型號：接觸線MgCu-150，承力索THJ-120，正饋線LGJ-240，保護線LGJ-120，鋼軌P60，綜合地線TJ-95。大地導電率分區段不同，在（21～100）×10-3S/m 范圍內。實測變電所接地阻抗0.21 Ω、AT 所接地阻抗0.42 Ω、分區所接地阻抗0.24 Ω。鋼軌泄漏電阻100 Ω·km，綜合接地每1.2 km 和鋼軌并聯，接地阻抗為1 Ω。

3.1 鋼軌電位

為了考究綜合接地對鋼軌電位的影響，在供電臂22 km 處，分別計算正常機車取流1 000 A 時和短路故障時兩種情況，計算結果如圖4 和圖5 所示。觀察圖4，圖5，可以知道，鋼軌最高電壓出現在機車取流處，中間AT 處也有個小峰值。

圖4 正常取流鋼軌電位曲線圖

圖5 短路時鋼軌電位曲線圖

IEC479 規定：正常運行時接觸電勢≯60 V，短路時(0.1 s)≯852 V。表1 和表2 數值表明，帶綜合接地后，鋼軌電位有顯著的降低，完全滿足規定要求。

表1 在22 km 處機車取流1 000 A 時鋼軌電位極值表 單位：V

表2 在22 km 處發生短路時鋼軌電位極值表 單位：V

3.2 牽引網阻抗

牽引網阻抗特性曲線是保護動作的主要依據。只考慮2 種短路類型，一種是接觸網-鋼軌（T-R）短路，另一種是接觸網-正饋線（T-F）短路。圖6和圖7 分別為2 種類型的短路阻抗曲線。阻抗值的計算是取變電所饋出母線電壓除以饋出電流求得。

圖6 T-R 短路阻抗曲線圖

圖7 T-F 短路阻抗曲線圖

分析圖6，T-R 型短路曲線顯示大波浪中有小波浪狀，究其原因在于，上下行鋼軌、架空回流線和綜合接地在間隔1.2 km 左右會做一次連接，連接點之間區段短路阻抗再顯非線性化。加綜合接地后，阻抗略有減少。圖7 曲線表明有綜合接地時的阻抗曲線和無綜合接地時基本重疊，換句話說，綜合接地基本不影響T-F 型牽引網阻抗特性，曲線也沒有小波浪，這主要是短路電流基本不走鋼軌、通過綜合接地線以及架空回流線回流。

3.3 地中電流和鋼軌電流分布

考慮在22 km 處機車取流1 000 A 的情況，計算地中回流和鋼軌回流的電流分布。圖8 為地中電流分布曲線（包括了綜合接地線中的電流），圖9為鋼軌電流分布曲線。

圖8 地中電流分布曲線圖

圖9 鋼軌電流分布曲線圖

觀察圖8 可以發現，有綜合接地時，取流點到中間AT 區段地中電流很大，主要原因在于綜合接地線分流了大量的回流。圖9 也正好表明接入綜合接地后，由于綜合接地系統的分流，鋼軌電流在這一區段有顯著的減小，鋼軌電位大幅度的降低也正緣于此。

4 結論

通過對上下行并聯運行的AT 牽引供電系統進行建模和分析計算，可以得出以下結論：即綜合接地系統可以顯著降低鋼軌電壓；牽引網T-F 型短路阻抗特性曲線呈小波浪狀，接綜合接地系統后阻抗值影響不大；綜合接地系統在負荷電流很大時能夠顯著分流鋼軌回流。

[1] 張季良.中國鐵路客運專線的綜合接地技術[J].世界軌道交通，2009，（2）.

[2] 董文俊，等.京津高速鐵路接地方式研究[J].電瓷避雷器，2009，（2）.

[3] 李群湛，賀建閩.牽引供電系統分析[M].成都：西南交通大學出版社，2007.

[4] 曹建猷.電氣化鐵道供電系統[M].北京：中國鐵道出版社，1983.

[5] 吳得范，辛成山.電氣化鐵道自耦變壓器供電系統計算方法[J].中國鐵道科學，1980，（2）.