高速鐵路軌回流通道施工技術研究

段廷華

0 引言

武廣客運專線行車閉塞以3 min 為正向列車追蹤行車間隔，以CRH-3 型雙動車重聯編組運行，每臺動車功率8 800 kW，最大牽引電流每編組車輛為782 A。以AT 供電方式構成牽引供電網，每個供電臂平均長達26 km，供電臂末端最低網壓19 kV，AT 分區所最大饋線電流880 A。

通過動態試驗的統計數據分析發現，動車以時速300 km 通過分相時，時速平均下降15 km 左右。以時速350 km 通過分相時，在分相區域從斷標位置到合標位置的速度差，最低 8 km/h、最高35 km/h，可以看出，高速動車運行速度受動力影響或者說受網壓網流的影響相當敏感。

用復數阻抗計算動車運行時的軌回流，影響較大的是回流電纜長度和通道中各連接點的接觸電阻。因此，要保持動車350 km/h 恒速運行以滿足速度需求，在網壓正常的前提下，保障軌回流暢通、提高通道質量是一個不容忽視的問題。

軌回流通道通常由接觸網和信號2 個專業分別完成設計和施工，如果在工程接口部出現問題，將影響軌回流通道暢通。

1 現狀分析

1.1 供電回路及軌回流通道分析

供電回路及軌回流通道原理見圖1。

圖1 供電回路及軌回流通道原理圖

圖1 中，T、F 間電壓55 kV，TF 與JD 間電壓27.5 kV，JD 為中性接地和軌回流端。

從圖1 中可以看出，軌回流通道由變電所接地箱分別引出至信號扼流變壓器、接觸網PW 保護線（以下簡稱PW 線）和地網構成的大地回流3 條通道組成。

從現場監測到的數據來看，動車通過閉塞分區時，經信號扼流變壓器中性點到大地的回路電流約為30～70 A，占總牽引電流的9%左右；經接觸網吸上線流向PW 線的電流約為130～210 A，占總牽引電流的26%左右，剩余65%的牽引電流是經鋼軌傳送，由牽引變電所附近的扼流變壓器中性點引出的回流電纜流向變電所接地箱，最終回至牽引變壓器。

由于AT 所與至變電所、分區所的平均間距為13 km，考慮到軌回流流向的不規則性，列車在區間運行時有相當數量的牽引電流是通過平均設置間隔為1.3 km的扼流變壓器至吸上線和接觸網PW線回到變電所。因此，優化扼流變壓器布置、提高連接工藝標準是保證軌回流通道暢通、保持列車動力恒定的重要環節。

1.2 設計方案

武廣客運專線牽引供電設計分別在各變電所、AT 所和分區所處設置2 路軌回流電纜，由所內集中接地箱接地母線引出，1 路連接至對應變電所所址位置的信號扼流變壓器中性點，1 路連接至PW線，均采用3×150 mm2多股電纜。

在區間信號閉塞分區扼流變壓器處設置吸上線，采用截面積70 mm2多股電纜，隧道外從扼流變壓器連接至H 形鋼柱，再經鋼柱連接至PW 線，隧道內從扼流變壓器沿隧道壁直接引至PW 線。

另外，在變電所2 km 范圍內、站內每隔300 m、其他地帶每隔500 m 處，正線上下行間線路兩側的PW 線并聯一次。

在信號設計方面，確定以進站信號機為起點，平均每隔1.3 km 上下行線各設置一組扼流變壓器，遇有變電所、AT 所、分區所時，以變電所中心位置調整里程。同時要求，區間扼流變壓器距離軌道電路電氣絕緣關節不小于100 m，距離補償電容不小于20 m。但沒有明確要求為配合軌回流電纜和吸上線連接而調整扼流變壓器設置位置。

另外，在上下行正線外側各敷設一條截面積70 mm2貫通地線，并且沿線路方向每間隔500 m并聯一次。

PW 線和貫通地線在軌道電路兩側形成的軌回流通路如圖2 所示。

圖2 軌回流通路示意圖

2 工程實施中的一些問題

2.1 變電所處的信號扼流變壓器設置問題

理想狀態下，變電所處的扼流變壓器應設置在距離變電所所址最近且便于回流電纜敷設，同時靠近無砟軌道預留過軌手孔和過軌管處，以達到回流電纜最短、衰耗最小的目的。

但實際工程應用中，受區間軌道電路中補償電容和調諧區的影響，以及受征地、現場地質地貌環境條件干擾引起的所址位置變化影響，安裝時部分扼流變壓器實際安裝位置距離變電所較遠，個別扼流變壓器安裝位置甚至既不靠近變電所，又難以靠近無砟軌道預留過軌管和電纜手孔，造成回流電纜繞行較遠。

2.2 扼流變壓器引出回流電纜的連接問題

圖3 中可看出，有4 條電纜在扼流變壓器中間端子上連接，受電纜端頭壓接線環幾何形狀影響，連接部位擁擠，容易造成連接松動，導致接觸電阻增大。在大電流狀態下，該連接方式應改進。

2.3 閉塞分區扼流變壓器的設置問題

部分扼流變壓器設置沒有靠近接觸網鋼柱，造成連接扼流變壓器和H 形鋼柱的吸上線延長，增加了回路衰耗和工程成本，還易造成回流電纜與信號電纜交叉。

圖3 扼流變壓器中性點電纜連接示意圖

2.4 吸上線和PW 線回流電纜連接問題

現場的連接方式見圖4 所示。

圖4 吸上線與回流電纜連接圖

圖4 中來自扼流變壓器中性點的吸上線電纜通過基礎接地端子再跳接到H 形鋼柱的做法既增加了回路故障點，又增加了回路連接電阻。

同時，來自變電所接地箱的回流電纜連接至PW 線的標準不統一，有的是3 條電纜全部連接至H 形鋼柱，有的是2 條電纜連接至H 形鋼柱、另1條電纜連接至PW 線；部分設置在隧道內的扼流變壓器，其吸上線通過電纜引至隧道外H 形鋼柱，增加了回流電纜的長度。

2.5 現場監測的幾組牽引電流數據分析

雙車重聯正常運行狀態時，地面監測到的牽引電流最小值517 A，最大值為782 A，中間分布值為615～686 A。在供電臂末端分區所位置監測到的最小電流為410 A，最大電流為540 A 左右。

單組動車通過時，最大電流為327 A，最小電流為184 A，多數電流值分布在270～308 A。

從電流分布情況看，供電臂末端電流值衰耗較明顯，對回流電纜與信號扼流變壓器的連接質量，以及吸上線與接觸網H 形鋼柱的連接電阻提出了更高要求。即使連接部位出現1 Ω的電阻差也將會產生上百伏的電位差。如此大的電位差對軌道電路和相關設備的安全構成了威脅。因此，必須保證回流通道電纜的連接質量。

3 對存在問題改進的思考

（1）在變電所附近設置扼流變壓器時，無砟軌道板澆筑前，應由線路施工單位，站后房建、接觸網、信號等設計和施工單位共同勘測現場，以確定最佳位置，必要時通過增改過軌預留管以減少回流電纜長度。同時由接觸網和信號2 個專業共同制定扼流變壓器、回流電纜的設置方案。

（2）來自所內連接PW 線的3 條回流電纜全部上桿，與PW 線采用壓接工藝連接。

（3）在隧道外設置扼流變壓器時，其位置與接觸網鋼柱的距離應以不大于2 m 為宜，隧道內的扼流變壓器則通過吸上線直接連接至PW 線。

（4）吸上線與H 形鋼柱的連接標準和連接電阻值不得大于1 Ω。

（5）變電所附近的扼流變壓器中性點應設置專用T 形連接板，由扼流變壓器供應商配套供應，以解決在該處連接電纜較多，固定不牢靠等問題。