電氣化鐵路牽引變電所回流裝置存在的缺陷與改進(jìn)方案探討

劉讓雄

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510430）

1 牽引變電所的回流裝置

我國(guó)電氣化鐵路采用27.5kV單相工頻交流制。在牽引變電所牽引變壓器27.5kV側(cè)一端通過(guò)回流箱母排與接地網(wǎng)及鋼軌相連，另一端與接觸網(wǎng)相連，在接觸網(wǎng)與鋼軌之間輸出27.5kV單相電，電力機(jī)車(chē)則通過(guò)受電弓與接觸網(wǎng)的滑行接觸獲得電能。

如圖1所示，電力機(jī)車(chē)從接觸網(wǎng)取得電流后，首先流到鋼軌，再分別以3種方式流回牽引變電所的回流箱。

圖1 牽引變電所回流通路示意圖

第1種為架空回流方式：鋼軌→吸上線→回流線→牽引變電所回流箱。回流線沿接觸網(wǎng)架設(shè)，在牽引變電所圍墻外側(cè)通過(guò)電纜引入牽引變電所，與牽引變電所回流箱中的母排相連。

第2種為鋼軌回流方式：鋼軌→牽引變電所所在車(chē)站的扼流變壓器中性點(diǎn)→回流扁鋼→牽引變電所回流箱。通常回流扁鋼采用雙根80mm×8mm扁鋼刷防銹漆后直接埋入地中，其一端與牽引變電所所在車(chē)站的扼流變壓器中性點(diǎn)相連，另一端與牽引變電所回流箱中的母排相連。

第3種為地回流方式：鋼軌→大地→牽引變電所接地網(wǎng)→牽引變電所回流箱。鋼軌與大地之間不是完全的絕緣體，在鋼軌中的電流有部分會(huì)泄漏到大地，通過(guò)大地流回牽引變電所的接地網(wǎng)，而接地網(wǎng)與牽引變電所回流箱中的母排直接相連。

這3種回流方式同時(shí)存在。通常架空回流與鋼軌回流分擔(dān)的電流較大，地回流相對(duì)較小，但無(wú)法消除。當(dāng)架空回流與鋼軌回流不暢時(shí)，地回流將成為主要的回流方式。

通常將回流箱與架空回流線、鋼軌、接地網(wǎng)及牽引變壓器接地相的連接稱(chēng)為牽引變電所的回流裝置。最常用的牽引變電所回流裝置接線形式如圖2所示。上述3種回流在牽引變電所回流箱內(nèi)匯集后連接至牽引變壓器的接地相，形成一個(gè)完整的牽引電流閉合回路。

圖2 牽引變電所回流裝置接線圖

2 存在的主要缺陷

上述回流裝置因?yàn)樵O(shè)置簡(jiǎn)單，廣為運(yùn)用。但是，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行實(shí)踐，這種裝置暴露出了一些安全隱患，存在一些缺陷。

2.1 接地網(wǎng)中長(zhǎng)期流過(guò)電流，對(duì)變電所的安全運(yùn)行嚴(yán)重不利

當(dāng)接觸網(wǎng)有負(fù)荷電流時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生地回流。同時(shí)，由于牽引變電所一般都設(shè)置了并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置，如圖3所示。該補(bǔ)償裝置一端接牽引變壓器27.5kV母線，另一端用接地扁鋼與接地網(wǎng)相連，補(bǔ)償電流直接流入接地網(wǎng)。地回流與補(bǔ)償電流都通過(guò)接地網(wǎng)流到牽引變電所回流箱，如圖3中的虛線所示。因此，牽引變電所接地網(wǎng)中長(zhǎng)期有工作電流流過(guò)，對(duì)變電所的安全運(yùn)行將產(chǎn)生不利影響。

圖3 并聯(lián)電容無(wú)功補(bǔ)償裝置接線圖

2.1.1 接地網(wǎng)中產(chǎn)生電位差，危及人身與二次設(shè)備安全

接地網(wǎng)存在接地電阻，電流流過(guò)接地網(wǎng)會(huì)在不同的兩點(diǎn)之間產(chǎn)生電位差。當(dāng)發(fā)生以下情況時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大的地回流，較大的地回流將在接地網(wǎng)中產(chǎn)生較大的電位差，危及人身與二次設(shè)備安全。

（1）牽引電流過(guò)負(fù)荷

筆者曾經(jīng)對(duì)滬昆鐵路株（洲）懷（化）段一些牽引變電所接地網(wǎng)中的地回流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)到接地網(wǎng)中總的地回流一般均在100～200A，但在接觸網(wǎng)過(guò)負(fù)荷時(shí)，監(jiān)測(cè)到的地回流達(dá)到300A以上。

（2）軌回流或架空回流不暢

鐵路工務(wù)部門(mén)或電務(wù)部門(mén)進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)，不慎損壞與扼流變壓器相連的回流扁鋼；或電務(wù)部門(mén)更改了扼流變壓器的位置造成回流扁鋼與鋼軌失去連接；軌回流扁鋼與扼流變壓器連接線夾因螺栓松動(dòng)或電流過(guò)大而燒壞。這些因素都可導(dǎo)致軌回流不暢，嚴(yán)重時(shí)甚至造成軌回流中斷。

鐵路工務(wù)部門(mén)進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)，不慎損壞與鋼軌相連的吸上線；人為偷盜吸上線與回流線；吸上線與回流線接頭等處發(fā)生電氣燒損；回流線機(jī)械拉斷或損傷等。這些因素則可導(dǎo)致架空回流不暢甚至中斷。

接觸網(wǎng)進(jìn)行改造或新增接觸網(wǎng)線路時(shí)，容易忽視回流系統(tǒng)，也可能導(dǎo)致軌回流與架空回流不暢。

當(dāng)軌回流與架空回流一旦出現(xiàn)不暢甚至中斷時(shí)，就必然導(dǎo)致地回流異常過(guò)大。據(jù)文獻(xiàn)［1］顯示，株洲北牽引變電所共設(shè)有8條饋電線，牽引負(fù)荷大，軌回流與架空回流初始設(shè)置不完善，造成該所的地回流過(guò)大。現(xiàn)場(chǎng)曾監(jiān)測(cè)到該所最大地回流為550A。

（3）牽引變電所或接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障

牽引變壓器27.5kV側(cè)有一相是工作接地，當(dāng)牽引變電所27.5kV側(cè)設(shè)備發(fā)生短路故障時(shí)，強(qiáng)大的短路電流將通過(guò)大地流回牽引變壓器。當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生接地短路時(shí)，雖然會(huì)有部分短路電流通過(guò)架空回流與鋼軌回流流回牽引變電所，但巨大的接地短路電流仍將使接地網(wǎng)中的地回流驟增。

這種回流裝置，地回流最終都將通過(guò)牽引變電所的接地網(wǎng)流回牽引變壓器。接地網(wǎng)的電位差隨地回流的增大而升高，這會(huì)危及人身安全。滬昆鐵路小龍門(mén)等多個(gè)牽引變電所，因?yàn)榛亓骶€被盜后未能及時(shí)恢復(fù)，引起地回流增大，造成牽引變電所接地網(wǎng)電位異常升高，值班人員碰觸變電所水管時(shí)發(fā)生‘麻電“，危及人員安全。據(jù)文獻(xiàn)［1］顯示，株洲北牽引變電所因地回流過(guò)大，造成該所的遠(yuǎn)動(dòng)通道與變電所地網(wǎng)之間的電位差有時(shí)高達(dá)160V，導(dǎo)致經(jīng)常燒壞遠(yuǎn)動(dòng)裝置的GM－R060、GMR070、GM－R011、GM－R051插件和無(wú)線遠(yuǎn)動(dòng)裝置的Modem，嚴(yán)重影響遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備的安全運(yùn)行。

當(dāng)牽引變電所二次電纜屏蔽層出現(xiàn)兩點(diǎn)接地時(shí)，電纜屏蔽層就會(huì)分流地回流，地回流過(guò)大就可能造成電纜過(guò)熱甚至燒壞電纜危及二次設(shè)備的安全［2］。如變電所二次電纜出現(xiàn)絕緣損壞時(shí)，接地網(wǎng)中的地回流還可能造成保護(hù)誤動(dòng)作。據(jù)文獻(xiàn)［3］顯示，某牽引變電所110kV電流互感器二次電纜中有一相電纜的絕緣破損造成接地故障，使與其相連的差動(dòng)繼電器因流過(guò)較大的地回流而造成該牽引變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，牽引變壓器被退出運(yùn)行，中斷供電與行車(chē)。

2.1.2 加劇接地網(wǎng)的腐蝕，影響接地網(wǎng)的壽命并產(chǎn)生安全隱患

接地網(wǎng)中長(zhǎng)期通過(guò)電流，電流會(huì)加劇接地網(wǎng)的電腐蝕與化學(xué)腐蝕，造成接地扁鋼因腐蝕過(guò)快而開(kāi)斷，導(dǎo)致接地網(wǎng)的接地電阻嚴(yán)重超標(biāo)。根據(jù)文獻(xiàn)［4］顯示，滬昆鐵路玉（屏）貴（陽(yáng)）段的9個(gè)牽引變電所，1987年開(kāi)通，其接地網(wǎng)因長(zhǎng)期有電流流過(guò)，運(yùn)行不到11年測(cè)試接地網(wǎng)電阻時(shí)已普遍超標(biāo)，最大的達(dá)到7.3Ω，超過(guò)設(shè)計(jì)和運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值0.5Ω的14倍。在該段牽引變電所的改造施工中，發(fā)現(xiàn)多處接地網(wǎng)的接頭腐蝕斷開(kāi)，該段牽引變電所的接地網(wǎng)已無(wú)法滿足正常運(yùn)行的要求，為此提前對(duì)該段牽引變電所的接地網(wǎng)進(jìn)行大修改造。而一些發(fā)電廠和變電站，其接地網(wǎng)正常情況是沒(méi)有電流的。這些接地網(wǎng)的運(yùn)行壽命明顯要長(zhǎng)很多。據(jù)文獻(xiàn)［5］中的資料顯示，南寧中堯村發(fā)電廠的主地網(wǎng)，運(yùn)行了30年，40 mm×4mm的扁鋼大多腐蝕成20mm×2mm。南寧35kV群益變電站運(yùn)行26年，主地網(wǎng)φ16mm圓鋼腐蝕成φ11mm。接地網(wǎng)的腐蝕速度比牽引變電所的接地網(wǎng)要慢。

牽引變電所接地網(wǎng)中長(zhǎng)期有電流流過(guò)，接地網(wǎng)腐蝕明顯加快，這不僅嚴(yán)重影響接地網(wǎng)的正常使用壽命，同時(shí)還會(huì)造成接地網(wǎng)接頭接觸不良甚至斷開(kāi)，接地電阻與接地網(wǎng)中的電位差都會(huì)隨之升高，二次電纜接地屏蔽層分流的地回流也會(huì)隨之增大。筆者對(duì)京廣鐵路郴（州）韶（關(guān)）段幾個(gè)牽引變電所的運(yùn)行情況進(jìn)行了調(diào)研，該段電氣化鐵路于1988年開(kāi)通，2007年進(jìn)行設(shè)備年度檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)在高壓室檢測(cè)電壓互感器二次端對(duì)地電壓為100V（正常值），在控制室檢測(cè)同一電壓互感器的同一根二次電纜芯線對(duì)地電壓則只有64.5V，控制室與高壓室的接地網(wǎng)出現(xiàn)了35.5V的電位差，經(jīng)檢測(cè)控制室與高壓室之間的接地網(wǎng)出現(xiàn)了斷點(diǎn)。這不僅危及人身和二次設(shè)備安全，而且還可能造成二次保護(hù)誤動(dòng)作或拒動(dòng)作。

2.2 軌回流扁鋼易腐蝕影響其安全可靠性

鋼軌回流采用雙根回流扁鋼直接埋地，分別連接鋼軌與牽引變電所回流箱。回流扁鋼埋地敷設(shè)時(shí)，雖然采取了防腐措施，但腐蝕不可避免。

近些年來(lái)，隨著鐵路運(yùn)量的快速增長(zhǎng)，牽引負(fù)荷電流逐年持續(xù)加大，軌回流扁鋼承擔(dān)的電流也隨之逐年增加。但是，軌回流扁鋼卻因?yàn)橹鹉旮g，其有效載流能力持續(xù)下降。這不僅會(huì)造成地回流的分流增大，同時(shí)也會(huì)危及軌回流扁鋼自身的安全。2002年4月滬昆鐵路貴定牽引變電所1＃主變壓器軌回流指示突然消失，經(jīng)查發(fā)現(xiàn)埋在地中的回流扁鋼在接頭處因腐蝕嚴(yán)重脫開(kāi)。2008年7月24日9時(shí)04分滬昆鐵路西河牽引變電所2＃主變壓器發(fā)生了一起軌回流扁鋼因載流能力下降被燒斷的故障，最終導(dǎo)致?tīng)恳冸娝黄戎袛喙╇娺M(jìn)行搶修，嚴(yán)重影響了牽引變電所的安全可靠運(yùn)行。

綜上所述，牽引變電所現(xiàn)有的回流裝置雖然簡(jiǎn)單實(shí)用，但卻存在缺陷，嚴(yán)重時(shí)這種缺陷會(huì)危及牽引變電所的安全運(yùn)行，需要改進(jìn)。

3 改進(jìn)方案

3.1 改進(jìn)措施

3.1.1 設(shè)置收集地回流的輔助接地網(wǎng)

地回流無(wú)法消除，要消除地回流在牽引變電所接地網(wǎng)中產(chǎn)生的不利影響，可在接地網(wǎng)的設(shè)置上采取如下改進(jìn)措施：

（1）單獨(dú)設(shè)立一個(gè)小型輔助接地網(wǎng)，該接地網(wǎng)與牽引變電所接地網(wǎng)不相連，也不與牽引變電所任何電氣設(shè)備的接地相連。

（2）設(shè)電纜將該輔助接地網(wǎng)與牽引變電所回流箱相連。

（3）斷開(kāi)牽引變電所接地網(wǎng)與牽引變電所回流箱之間的連接。

3.1.2 軌回流扁鋼改用電纜

將現(xiàn)有回流扁鋼直接埋地方式改為鋪設(shè)電纜溝，用回流電纜連接方式。

3.1.3 并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置工作接地由扁鋼連接改用電纜連接

將并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置的工作接地由扁鋼連接改用電纜連接，補(bǔ)償裝置的工作電流經(jīng)由電纜直接流入牽引變電所回流箱，而不再流經(jīng)接地網(wǎng)。

3.2 改進(jìn)效果分析

采取上述3項(xiàng)改進(jìn)措施，可以收到以下效果：

（1）將牽引變電所接地網(wǎng)與牽引變電所回流箱完全隔離，地回流和并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置的工作電流不再流經(jīng)牽引變電所接地網(wǎng)，徹底解決了牽引變電所接地網(wǎng)中長(zhǎng)期流過(guò)電流及由此產(chǎn)生的安全問(wèn)題。

（2）從根本上解決了軌回流扁鋼的腐蝕及由此產(chǎn)生的隱患。

然而采取上述改進(jìn)措施后，牽引變電所接地網(wǎng)不再與牽引變電所回流箱直接相連，也即不再與牽引變壓器27.5kV側(cè)的接地相相連，造成27.5kV側(cè)的電壓互感器、所用變壓器和避雷器等設(shè)備的工作接地及27.5kV側(cè)所有設(shè)備的保護(hù)接地與牽引變壓器接地相之間的連接斷開(kāi)，將影響27.5kV側(cè)設(shè)備及相應(yīng)保護(hù)裝置的正常工作。

3.3 優(yōu)化方案

為解決上述改進(jìn)措施帶來(lái)的新問(wèn)題，在采取3.1.1～3.1.2項(xiàng)措施的基礎(chǔ)上，還需補(bǔ)充以下2條措施：

3.3.1 在27.5kV側(cè)增設(shè)輔助接地箱

在27.5kV側(cè)增設(shè)輔助接地箱，箱內(nèi)設(shè)接地母排，將并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置與27.5kV側(cè)的電壓互感器、所用變壓器和避雷器等設(shè)備的工作接地用電纜接入該輔助接地箱中的接地母排，將該接地母排用雙根電纜與牽引變電所回流箱連接，從而與牽引變壓器接地相可靠連接，確保了這些設(shè)備工作接地回路的完整性。

3.3.2 在牽引變電所接地網(wǎng)與回流箱之間加裝放電裝置

27.5kV側(cè)設(shè)備一旦發(fā)生單相接地短路故障，因27.5kV側(cè)所有設(shè)備的保護(hù)接地未與牽引變壓器的接地相連通，從而造成短路保護(hù)拒動(dòng)，接地網(wǎng)出現(xiàn)高電位損壞二次設(shè)備，危及人身安全。因此，在牽引變電所接地網(wǎng)與回流箱之間加裝放電裝置，使27.5kV側(cè)設(shè)備發(fā)生接地短路時(shí)，接地網(wǎng)電位升高，放電裝置瞬間動(dòng)作提供短路電流通路，確保短路保護(hù)可靠動(dòng)作。設(shè)置該放電裝置的動(dòng)作電壓宜低于牽引變電所二次設(shè)備的工頻試驗(yàn)電壓1 000V［7］。

改進(jìn)后的回流裝置如圖4所示。

圖4 牽引變電所改進(jìn)后的回流裝置示意圖（以1＃B系統(tǒng)為例）

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，各牽引變電所運(yùn)行中的回流裝置大多存在上述缺陷，這些缺陷在一定條件下會(huì)危及人身與二次設(shè)備的安全。近年來(lái)，電氣化鐵路快速發(fā)展，牽引變電所一二次設(shè)備不斷更新?lián)Q代，而回流裝置卻沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。這與回流裝置存在的缺陷對(duì)牽引變電所安全可靠供電的影響具有較強(qiáng)的隱蔽性和較大的偶然性有關(guān)，因此，長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有得到應(yīng)有的重視。但是，這些缺陷會(huì)隨著牽引變電所運(yùn)行時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，牽引負(fù)荷的不斷增大，其對(duì)牽引變電所安全運(yùn)行的影響將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。相關(guān)文獻(xiàn)資料顯示，牽引變電所回流裝置暴露的問(wèn)題正逐年增多。

對(duì)于新建牽引變電所，可直接采取上述改進(jìn)措施，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化回流裝置的具體設(shè)計(jì)；對(duì)于既有的牽引變電所，則可根據(jù)其實(shí)際運(yùn)行情況，結(jié)合各牽引變電所的更新或大修改造方案，可以有計(jì)劃地分步驟改進(jìn)回流裝置。總之，采取上述改進(jìn)措施，可從根本上消除現(xiàn)有回流裝置存在的上述缺陷，進(jìn)一步提高電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的安全性與供電可靠性。

［1］龍建霞.株洲北牽引變電所地回流過(guò)大的原因及對(duì)策［J］.電氣化鐵道，2007，（3）：19－21.

［2］劉讓雄.淺析牽引變電所接地系統(tǒng)存在的安全隱患［J］.鐵道建筑技術(shù)，2008，（1）：66－69.

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［5］王洪澤，楊 丹，王夢(mèng)云.電力系統(tǒng)接地技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2007.

［6］劉起津.牽引變電所回流回路與接地裝置［J］.電氣化鐵道，1994，（3）：16－19.

［7］GB 50150－1911，電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［S］.1992.