綜合接地對(duì)AT 牽引供電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)影響的研究

蘇保衛(wèi)，陳劍云

0 引言

國(guó)內(nèi)高速客運(yùn)專線采用了許多新技術(shù)，綜合接地技術(shù)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(shè)一條貫通地線，把沿線的電氣化牽引供電系統(tǒng)、10 kV 電力供電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及其他電氣電子設(shè)備的接地連接在一起，構(gòu)成一個(gè)共用接地系統(tǒng)，這不僅可以較大幅度地降低各系統(tǒng)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(shè)備的可靠運(yùn)行。國(guó)內(nèi)在研究法、德、日鐵路接地技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過京津城際、武廣、鄭西等客運(yùn)專線工程實(shí)施中的消化、吸收、創(chuàng)新，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國(guó)客運(yùn)專線綜合接地技術(shù)體系，并頒布了《客運(yùn)專線綜合接地技術(shù)實(shí)施辦法（暫行）》規(guī)范[1，2]。

牽引供電系統(tǒng)是以鋼軌和大地作為回流的特殊供電系統(tǒng)，客運(yùn)專線牽引供電系統(tǒng)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(wǎng)阻抗小，供電距離長(zhǎng)，能較好地滿足高速客運(yùn)專線機(jī)車對(duì)大功率大電流的需求[3，4]。客運(yùn)專線供電電流達(dá)到千安，而鋼軌對(duì)地泄漏阻抗又較大，因此鋼軌電位可能會(huì)比較大。采用綜合接地技術(shù)后，能較好地降低鋼軌電位，對(duì)整個(gè)牽引網(wǎng)的供電參數(shù)有影響，但影響多大，效果如何需要精確計(jì)算才能獲得。

本文在建立AT 牽引網(wǎng)絡(luò)的廣義四端網(wǎng)絡(luò)精確計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，分析計(jì)算綜合接地對(duì)鋼軌電位、牽引網(wǎng)阻抗、鋼軌回流、地中回流的影響。

1 AT 牽引供電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

AT 供電方式所構(gòu)成的牽引網(wǎng)絡(luò)十分復(fù)雜，它由牽引網(wǎng)接觸線T（包括并聯(lián)的承力索）和正饋線F 接在自耦變壓器的原邊，構(gòu)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(diǎn)連接，使接觸網(wǎng)與鋼軌間的電壓仍然保持為27.5 kV。實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)還加有保護(hù)線PW，保護(hù)線和接觸網(wǎng)并行，約1.2 km 通過扼流變壓器與鋼軌連接，鋼軌對(duì)大地存在沿線均勻分布的泄漏電阻。高速軌道對(duì)地泄漏電阻一般較大，特別是高架區(qū)段，不能依靠鋼軌作為基本接地體。國(guó)內(nèi)客運(yùn)專線的電源一般采用V/X 接線，變壓器次邊中點(diǎn)接鋼軌，該接線方式的優(yōu)點(diǎn)是可以省去變電所端的AT，節(jié)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(tǒng)示意圖

下面討論綜合接地的情形。綜合接地方式的要點(diǎn)是在橋梁地段，利用橋梁深達(dá)數(shù)十米的樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼筋作為垂直地極或者利用幾十平米的擴(kuò)大基礎(chǔ)中的結(jié)構(gòu)鋼筋作為水平接地網(wǎng)；隧道地段，利用錨桿或結(jié)構(gòu)鋼筋作為垂直或水平接地極；路基地段，利用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的導(dǎo)電高分子護(hù)套貫通地線和深達(dá)數(shù)米的接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼筋分別作為水平和垂直接地極；通過全線敷設(shè)的導(dǎo)電高分子護(hù)套貫通地線（橋隧地段敷設(shè)于電力電纜槽中，路基地段必須敷設(shè)于電纜槽下）將每個(gè)接地極連接起來(lái)，并在橋梁等土建結(jié)構(gòu)物中安裝不銹鋼接地端子，形成貫通客運(yùn)專線全線的綜合接地公共接入平臺(tái)。綜合接地線也每隔1～2 km 和鋼軌、保護(hù)線通過扼流變壓器連接。因此，綜合接地系統(tǒng)可以看成一條縱向?qū)Ь€，它隔段埋設(shè)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(tǒng)的牽引網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖2 帶綜合接地的AT 供電網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖2 中考慮了一條通訊線路。為了簡(jiǎn)化，圖1和圖2 都只畫出了單線（上行）的供電系統(tǒng)圖，實(shí)際的客運(yùn)專線都是復(fù)線（上行和下行），上行和下行并聯(lián)運(yùn)行, 即上下行接觸線網(wǎng)、正饋線在首末端和AT 處并聯(lián)，上下行鋼軌、保護(hù)線通過扼流變壓器連接發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)的供電能力，并且降低鋼軌的電位。

2 廣義四端網(wǎng)絡(luò)表征的AT 供電系統(tǒng)模型[5]

考慮上下行并聯(lián)運(yùn)行，AT 供電網(wǎng)絡(luò)顯得非常復(fù)雜，簡(jiǎn)化等值電路計(jì)算很難得出所需的數(shù)據(jù)和精度，采用并聯(lián)多導(dǎo)體系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是非常必要的。這里考慮建立一個(gè)16 根縱向?qū)Ь€的模型，這些導(dǎo)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(hù)線；7 綜合地線；8 通信線。另外有對(duì)稱的下行8 根導(dǎo)線。縱向?qū)Ь€之間存在分布電感、互感、電容和泄漏電阻，縱向?qū)Ь€間還有橫向連接元件，包括牽引變壓器、AT 變壓器、電力機(jī)車、連接導(dǎo)線、接地電阻等。整個(gè)牽引供電系統(tǒng)可以表征成圖3 所示的廣義四端網(wǎng)絡(luò)[4]。

圖3 由廣義四端網(wǎng)絡(luò)表征的AT 系統(tǒng)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(jié)點(diǎn)16×16 導(dǎo)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(duì)于上面的鏈?zhǔn)诫娐罚贙 個(gè)節(jié)點(diǎn)，有

由此得

把式（3）、式（4）代入式（2），并令

則有

圖3 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)方程為

簡(jiǎn)寫為

可求解得

將求解得到的導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)電壓矩陣VK，代入式（3），可以求得導(dǎo)線各段的電流矩陣IK，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)得以求解。

3 牽引網(wǎng)特性曲線計(jì)算與分析

以滬寧線無(wú)錫東變電所至蘇州工業(yè)園區(qū)分區(qū)所供電臂為算例。供電臂長(zhǎng) 30.692 km，在15.802 km 處AT 所和末端分區(qū)所安裝AT 變壓器。各參數(shù)如下：牽引變壓器為V/X 接線，中性點(diǎn)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(duì)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(wǎng)導(dǎo)線型號(hào)：接觸線MgCu-150，承力索THJ-120，正饋線LGJ-240，保護(hù)線LGJ-120，鋼軌P60，綜合地線TJ-95。大地導(dǎo)電率分區(qū)段不同，在（21～100）×10-3S/m 范圍內(nèi)。實(shí)測(cè)變電所接地阻抗0.21 Ω、AT 所接地阻抗0.42 Ω、分區(qū)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(lián)，接地阻抗為1 Ω。

3.1 鋼軌電位

為了考究綜合接地對(duì)鋼軌電位的影響，在供電臂22 km 處，分別計(jì)算正常機(jī)車取流1 000 A 時(shí)和短路故障時(shí)兩種情況，計(jì)算結(jié)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(xiàn)在機(jī)車取流處，中間AT 處也有個(gè)小峰值。

圖4 正常取流鋼軌電位曲線圖

圖5 短路時(shí)鋼軌電位曲線圖

IEC479 規(guī)定：正常運(yùn)行時(shí)接觸電勢(shì)≯60 V，短路時(shí)(0.1 s)≯852 V。表1 和表2 數(shù)值表明，帶綜合接地后，鋼軌電位有顯著的降低，完全滿足規(guī)定要求。

表1 在22 km 處機(jī)車取流1 000 A 時(shí)鋼軌電位極值表 單位：V

表2 在22 km 處發(fā)生短路時(shí)鋼軌電位極值表 單位：V

3.2 牽引網(wǎng)阻抗

牽引網(wǎng)阻抗特性曲線是保護(hù)動(dòng)作的主要依據(jù)。只考慮2 種短路類型，一種是接觸網(wǎng)-鋼軌（T-R）短路，另一種是接觸網(wǎng)-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(jì)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(huì)做一次連接，連接點(diǎn)之間區(qū)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(shí)的阻抗曲線和無(wú)綜合接地時(shí)基本重疊，換句話說(shuō)，綜合接地基本不影響T-F 型牽引網(wǎng)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(jī)車取流1 000 A 的情況，計(jì)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(fā)現(xiàn)，有綜合接地時(shí)，取流點(diǎn)到中間AT 區(qū)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(tǒng)的分流，鋼軌電流在這一區(qū)段有顯著的減小，鋼軌電位大幅度的降低也正緣于此。

4 結(jié)論

通過對(duì)上下行并聯(lián)運(yùn)行的AT 牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：即綜合接地系統(tǒng)可以顯著降低鋼軌電壓；牽引網(wǎng)T-F 型短路阻抗特性曲線呈小波浪狀，接綜合接地系統(tǒng)后阻抗值影響不大；綜合接地系統(tǒng)在負(fù)荷電流很大時(shí)能夠顯著分流鋼軌回流。

[1] 張季良.中國(guó)鐵路客運(yùn)專線的綜合接地技術(shù)[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(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.

[4] 曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)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(tǒng)計(jì)算方法[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，1980，（2）.