牽引變電所接地計算探討

楊天平

0 引言

變電所接地的主要目的是保障系統能夠安全可靠地運行，保障人身及設備的安全。安全可靠的接地需要滿足接地裝置接地電阻、接觸電勢和跨步電勢的要求，因此接地系統設計的關鍵是確定設計區域的入地電流，然后根據入地電流的大小進行合適的接地系統設計[1]。

目前牽引變電所接地設計主要計算依據是《鐵路電力牽引供電設計規范》[2]（TB10009-2005）附錄介紹的入地短路電流及電位計算，該計算方法同電力系統發電廠、變電所經接地裝置的入地短路電流及電位計算[3]方法。因為電力系統110 kV及以上供電系統采用有效接地系統，所以規范中計算方法對于牽引變電所高壓側（110 kV或220 kV）流經接地裝置的入地短路電流都是適用的，但在交流電氣化鐵路牽引供電系統中，牽引電流是從牽引變電所經饋線流出，沿接觸網送給電力機車，然后經軌道、大地和回流線流回牽引變電所，軌道和大地就成為牽引回流的組成部分，當在牽引變電所牽引側發生接地時，其實質是發生了相間短路，因此規范中介紹的計算方法不再適用于牽引變電所牽引側發生接地時的入地短路電流計算。

在牽引變電所接地設計時，往往只考慮在接地故障狀況下的地電位升高造成的危害，但軌道和大地為牽引回流的組成部分，在正常運行不采用帶吸回裝置的供電方式時，牽引供電回路中的入地電流較大，造成地電位升高較大且該入地電流不屬于故障電流不能切除，因此對人身及設備的安全會造成極大的危害，在接地設計時必須引起足夠的重視。

本文將著重對上述在接地設計中存在的問題加以探討。

1 入地電流的近似計算[4～7]

1.1 單相接地短路時入地電流

1.1.1 牽引變電所高壓側單相接地短路

對于牽引變壓器在運行中有中性點引出的，在發生接地短路時，則可直接運用《鐵路電力牽引供電設計規范》附錄中的計算方法，對于牽引變壓器在運行中無中性點或中性點不引出的，在變電所內發生接地短路時，由于Iz= 0，所以可簡化為

而在變電所外發生接地短路時，由于Iz= 0，所以可簡化為

式中，I為入地短路電流；Imax為接地短路時最大接地短路電流；Iz為發生最大接地短路電流時，流經變電所接地中性點的最大接地短路電流；Kf1為變電所內短路時，避雷線的工頻分流系數。

電力系統為了減小單相接地短路電流，降低對鄰近通訊系統的干擾，往往有選擇性地將一部分變壓器中性點接地，一部分變壓器中性點不接地，而目前鐵路系統絕大多數牽引變壓器實際都運行在中性點不接地狀態，因此在進行接地短路時入地電流計算主要運用的是式（1）及式（2），在設計時需加以注意。

1.1.2 牽引變電所饋線單相接地短路

牽引變電所牽引側接地短路主要表現為母線接地短路、接觸網接地短路及饋線（供電線）接地短路。

牽引側母線接地短路時，雖然短路電流很大，但因為在所內短路，都是以接地裝置作為短路電流回路，所以經接地裝置入地的短路電流為0。

接觸網單相接地短路時，則經接地裝置入地的短路電流可近似為短路電流計算值乘以地中電流分配系數。由于牽引網短路阻抗的存在及軌道的分流作用，則當接觸網單相接地短路時，經地回流的入地電流并不大，本文不再詳述。

牽引變電所饋線（供電線）接地短路，由于牽引變電所與接觸網連接的饋線情形是多種多樣的，有的與線路幾乎垂直且距離較遠，有的與線路幾乎平行且距離較近，因而精確的數學模型較難建立，本文僅著重分析在最不利情況下的入地短路電流。

當饋線在變電所接地裝置外但相距很近且距鋼軌較遠時發生短路，可忽略軌道電路的分流作用，接地短路電流主要經地、變電所的接地裝置流回牽引變壓器，此時流經變電所接地裝置的入地短路電流，在牽引側各種短路中是最嚴重的，可近似為牽引側母線一相接地短路時的最大短路電流。其入地短路電流表達式見式（3）—式（5）。

單相變電所（V/v）

三相變電所（Y/D）

三相-兩相變電所（SCOTT）

1.2 正常運行狀況下入地電流

在單線電氣化區段直接供電方式下，地中電流約為接觸網電流的 1/2；在雙線電氣化區段，地中電流約為接觸網電流的1/3，上述入地電流可用于計算牽引網中經接地裝置流回牽引變電所的電流上限，其表達式見式（6）：

單線電氣化區段地中電流分配系數

式中，KE為地中電流分配系數；I1為接觸網-地回路電流；I2為軌道-地回路電流；Z12為接觸網-地回路與軌道-地回路單位互阻抗；Z2為軌道-地回路單位自阻抗。

雙線電氣化區段地中電流分配系數

式中，I1為上行接觸網-地回路電流；I2為下行接觸網-地回路電流；I3為軌道-地回路電流；Z13為上行接觸網-地回路與軌道-地回路單位互阻抗；Z23為下行接觸網-地回路與軌道-地回路單位互阻抗；Z3為軌道-地回路單位自阻抗；一般情形Z13= Z23。

2 工程案例分析

案例1：某牽引變電所牽引變壓器為三相YN，D11結線，額定容量為 25 MV·A，額定電壓為110/27.5 kV，變壓器阻抗電壓百分值Ud% = 10.5，1臺運行1臺備用，中性點不接地，系統最大運行方式時，110 kV母線正序阻抗標幺值X1= 0.1548，零序阻抗標幺值 X0= 0.3097（基準容量為 Sj=100 MV·A，基準電壓取平均電壓），計算接地短路時最大入地短路電流。

高壓側單相接地短路時最大接地短路電流：

在變電所內發生接地短路時，由式（1）可知，在忽略避雷線的工頻分流系數情況下，短路時最大入地短路電流為2430 A。在變電所外發生接地短路時，由式（2）可知，最大入地短路電流為0 A。

由（3）式可得，饋線側單相接地短路時最大接地短路電流：

由上述計算可見，當在牽引變電所外饋線近點接地時，短路電流全部流經牽引變電所接地裝置，有時會超過110 kV（或220 kV）側單相接地短路時流經牽引變電所接地裝置的入地電流，因此在對牽引變電所入地短路電流分析時也應加以考慮。

案例2：某牽引變電所土壤電阻率為100 Ω/m，接地網采用長孔接地網，接地電阻及計算值為0.42 Ω，最大接觸電位系數計算值為Kj= 0.273，最大跨步電位差系數計算值為Kk= 0.065，經計算接地短路時最大入地短路電流為3310 A，正常運行時最大入地電流為490 A。校核接地系統接觸電勢及跨步電勢是否安全可靠。

接地短路時

接地裝置的電位EW= I · R = 1516.2 (V)

最大接觸電勢Ejm= Kj· EW= 379.5 (V)

最大跨步電勢EK= KK· EW= 98.55 (V)

接觸電勢最大允許值

跨步電勢最大允許值

其接觸電勢及跨步電勢均小于允許值，滿足規范設計要求。

正常運行時

接地裝置的電位EW= I · R = 205.8 (V)

最大接觸電勢Ejm= Kj· EW= 56.2 (V)

最大跨步電勢EK= KK· EW= 12.8 (V)

接觸電勢最大允許值Ej= 50 +0.05ρ = 55 (V)

跨步電勢最大允許值Ek= 50 +0.2ρ = 70 (V)

其最大接觸電勢小于接觸電勢最大允許值，不滿足接地系統安全性要求，因此需要增設水平均壓帶或垂直接地極等措施，以此降低接觸系數或增大土壤電阻率。

通過上述接地短路時與正常運行時接觸電勢及跨步電勢比較可見，在接地設計時，不僅要校核接地故障狀況下的接觸電勢及跨步電勢，當正常運行時入地電流較大時，也需要加以校核。

3 結語

牽引變電所接地是牽引供電系統安全運行的根本保證，在接地設計計算中，入地電流的準確計算是校核接地裝置接地時，接地電阻及接觸電勢和跨步電勢是否滿足要求的關鍵；在計算入地短路電流時，不僅要計算牽引變電所高壓側（110 kV或220 kV）流經接地裝置的入地短路電流，還應計算牽引變電所饋線側接地時流經接地裝置的入地短路電流，并加以比較取其最大值，在接地裝置接地，校核接地電阻及接觸電勢和跨步電勢時，不僅要考慮接地短路故障下的入地電流造成地電位升高的影響，還要考慮在正常運行時入地電流造成地電位升高的影響。

[1]何金良，曾嶸.電力系統接地技術[M].北京：科學出版社，2007.

[2]TB10009-2005 中華人民共和國鐵道部.鐵路電力牽引供電設計規范[S].

[3]DL/T621-1997 中華人民共和國電力工業部.交流電氣裝置的接地[S].

[4]譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統[M].成都：西南交通大學出版社，2007.

[5]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.

[6]譚秀炳.牽引變電所經接地裝置的入地短路電流計算方法的應用研究[J].西鐵科技，2000，1.

[7]簡克良.電力系統分析[M].成都：西南交通大學出版社，1993.