鐵路站場中列車位置對鋼軌電位的影響分析

張志剛 曹曉斌 何方方 韓虎

(1.朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司， 原平 034100;2.西南交通大學電氣工程學院， 成都 610031)

鐵路站場中列車位置對鋼軌電位的影響分析

張志剛1曹曉斌2何方方2韓虎2

(1.朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司， 原平 034100;2.西南交通大學電氣工程學院， 成都 610031)

在一些大型站場中，存在回流不暢、鋼軌電位過高等許多回流問題。為了研究大型站場中牽引回流系統的回流特性以及鋼軌電位的分布規律，文章利用CDEGS仿真軟件，根據現有鐵路站場回流系統拓撲結構，搭建站場回流系統仿真模型。利用搭建的仿真模型，研究牽引電流在回流系統中的分配情況，吸上線和鋼軌上的牽引電流和電位的變化規律，根據分析結果確定大型站場中的回流系統的回流情況。由仿真結果可得：不論列車在哪個位置，站場中只有小部分吸上線工作，其他吸上線基本不工作，因此導致鋼軌上有很高的牽引電流；且鋼軌上的電位和電流在牽引變電站處和列車處的值最大，所以這兩處存在著鋼軌電位過高危及設備和人員安全的隱患。

鐵路站場； 回流系統； 吸上線； 鋼軌電位

1 引言

隨著我國高速鐵路的發展，為了適應我國高速鐵路的運輸要求，鐵路站場越來越大，因此，回流系統的回流情況越來越復雜。經過實際測量研究發現，在大型站場回流系統中，只有靠近受流列車和牽引變電所附近的吸流線起作用，大部分吸流線失去吸流作用。這樣就會導致牽引電流大部分通過鋼軌流回變電所，鋼軌電位過高，對鋼軌附近的信號設備以及信號線造成嚴重影響，甚至危及工作人員的人身安全。因此，為了更好地了解大型站場回流系統的回流情況，本文根據鐵路站場實際情況搭建了回流系統仿真模型。通過分析仿真結果，從而得到鋼軌上電位和電流的變化規律，這對大型站場回流系統的研究以及我國高速鐵路的發展具有重大意義。

2 站場回流系統模型建立

2.1 站場回流系統結構

圖1為我國某站場回流系統線路結構示意圖，圖中a為承力索；b為接觸線；c為H型鋼支柱；d為支柱基礎；e為貫通地線的橫向連接線；f為鋼軌；g為回流線；h為貫通地線。其中單獨接地支柱在站場中道岔附近處，常采用單獨接地且沒有回流線或架空地線與之相連；站場兩邊接觸網支柱與貫通地線相連；貫通地線與鋼軌和回流線都沒有電氣連接。

圖1 站場回流系統示意圖(m)

2.2 模型建立

本文為了研究站場回流特性，利用加拿大SES公司研發的接地分析軟件CDEGS進行仿真研究，并嚴格按照站場實際回流系統在CDEGS中搭建模型。

結合圖1中各導體的電氣參數和位置，利用CDEGS建立站場模型，建立的模型中包括支柱、鋼軌、回流線以及貫通地線等導體。接觸網鋼支柱采用H型鋼支柱，每隔50 m架設1個，支柱距離鋼軌1.2 m，深入地下2.5 m；軌距采用標準軌距1.435 m；軌道采用CHN70軌道，等效為圓柱體時的半徑為49.6 mm。建模時鋼軌、回流線以及貫通地線長設為3 km,并在它們兩端都接上匹配阻抗，以模擬導線延伸至無窮遠的情況。

將接觸網支柱、鋼軌等效為圓柱導體，各個導體的主要參數如表1所示。

表1 導體的主要參數

在CDEGS中根據圖1連接各個導體、表1設置各個導體的參數以及導體的空間位置搭建仿真模型，如圖2所示。

圖2 仿真模型透視圖

3 仿真分析

根據建立的模型進行仿真分析，由于站場中的鋼軌以及回流線布置較為復雜且不規律，所以仿真分析時，對站場的回流系統進行了簡單優化，以便仿真分析。初始設置各參數：牽引電流I為1 000 A；土壤分2層，上層土壤電阻率為2 000 Ω·m，厚度為0.5 m；下層土壤電阻率為500 Ω·m；整體站場長度為 3 000 m(即，鋼軌長度為3 000 m)；站場中以500 m設置一個完全橫向連接，在戰場兩邊橫向連接的點處設置一吸上線，所以整個站場設置14條吸上線，并以1-14數字編號以便分析；站場兩邊布置2條回流線以及2條貫通地線，且列車位置如圖3所示。

圖3 列車位置示意圖(m)

列車位置不同，分為以下幾個考慮因素：列車在同一鋼軌的不同位置(位置A和位置B)；列車在不同的鋼軌上(位置B和位置C)；列車距離變電站最近、最遠處或處于站場中間(位置A、D和E)；列車恰好處在鋼軌的橫向連接處(位置F)。

3.1 列車在同一鋼軌的不同位置

假設列車在第1根鋼軌的235 m(圖3中A點位置)處和785 m(圖3中B點位置)處，則通過仿真可以得到各個吸上線上的牽引電流分布情況，1和2號吸上線上牽引電流如圖4、圖5所示，并將仿真得到的各個吸上線的牽引電流情況列于表2中。

圖4 列車在位置A時1號吸上線上的牽引電流

圖5 列車在位置A時2號吸上線上的牽引電流

吸上線編號1234567電流幅值(A)97044.43.00.22000吸上線編號891011121314電流幅值(A)1421382.10000

假設列車位于第1股道上785 m處時(圖3中B點位置)，仿真得到的各個吸上線的牽引電流情況如表3所示。

表3 列車在位置B時各個吸上線上牽引電流分布情況

從表2、表3可以看出：在列車處以及牽引變電所附近的吸上線上牽引電流較大，而其他處的吸上線上基本沒有牽引電流；同時在牽引變電站附近的吸上線上牽引電流很大，達到970 A和818 A，說明牽引電流經過鋼軌在牽引變電所附近匯聚，因此，牽引變電站附近吸上線分流很多。

通過仿真分析列車在位置A(235 m)和位置B(785 m)可以得到列車所在鋼軌上的鋼軌電位和鋼軌上的電流變化情況，如圖6、圖7所示。

圖6 列車所在鋼軌上電位變化情況

圖7 列車所在鋼軌上電流變化情況

從圖6、圖7可以看出，當列車在鋼軌上 235 m處(位置A)時，電位達到一個峰值36.37 V。以235 m為中心兩邊電位逐漸減小，鋼軌超過500 m的部分電位幾乎減小為零，這表明鋼軌上列車所在位置的鋼軌電位最高。而電流在0至235 m處是最大值652.97 A，在235 m處時突變并減小為347.03 A，這表明從列車下來的1 000 A電流中的大部分(2/3)流向牽引變電站方向；而在第2個橫向連接500 m處(即第2根吸上線所在的位置)，電流再一次突變為2.85 A，電流值非常小，也就說明電流基本上全部通過吸上線和橫向連接分流了。

當列車在鋼軌上785 m處(位置B)時，電位在785 m處達到一個峰值46.16 V。而在0至500 m的鋼軌上，電位從變電站開始依次減小，在鋼軌500 m處電位幾乎減小為零。而電流在500 m至 1 000 m處是最大值501.06 A，在500 m處，即在第2個橫向連接處發生突變，即第2根吸上線所在的位置處電流從501.1 A 降到199.0 A，這是因為此處有吸上線將部分電流吸回回流線上。

綜上可以得出：列車所在位置電位最大值，向兩端逐漸減小，并且都在橫向連接處電位極小。電流值在橫向連接處突變，電流在下一個橫向連接處減小為零。

3.2 列車在不同的鋼軌上

以圖3中位置B和位置C為例，研究鋼軌上的電流和電位的變化規律，通過仿真可以得到鋼軌吸上線的牽引電流變化情況，如表4所示。

表4 列車在位置C時各個吸上線上牽引電流分布情況

對比表3、表4可以看出，當列車從位置B變到位置C時，1號吸上線上的電流由819 A 變為818 A；2號吸上線的電流由16.5 A變為137 A；而8號吸上線的電流在2種情況下分別為126 A和125 A，基本相同，說明吸上線上的牽引電流受到列車位置和牽引變電站位置的共同影響。

同樣可以得到列車所在鋼軌上的電位和電流變化情況，如圖8、圖9所示。

圖8 列車所在鋼軌上的電位變化情況

圖9 列車所在鋼軌上的電流變化情況

從圖8、圖9可以看出，列車在鋼軌上785 m處(位置B)時，鋼軌電位在該處達到峰值為46.16 V，列車在位置C時，鋼軌電位也在該處達到峰值為47.00 V；同時，列車所在的2根鋼軌上的電位變化趨勢基本相同，這說明在列車距離牽引變電站距離相同時，列車所在鋼軌上的電位變化規律基本相同。

列車在位置B時，電流在列車所在的鋼軌段(2個橫向連接之間)達到最大值為501.27 A，列車在位置C時，電流在列車所在的鋼軌段同樣達到最大值為511.85 A。所以在列車距離牽引變電站距離相同時，電流的變化趨勢相同，并均在橫向連接處發生突變。

3.3 列車距離變電站最近、最遠處或處于站場中間

以圖3中位置A、位置D和位置E為例，研究鋼軌上電位和電流的變化規律，如圖10所示。

圖10 列車所在鋼軌上電位變化情況

從圖10可以看出，列車在235 m處(位置A)時，電位在該處達到最大值36.37 V；列車在1 530 m處(位置D)時，列車處于站場中部，電位也在該處達到一個極大值21.34 V。但是列車在此位置時，鋼軌電位的最大值是在變電站所在的位置。當列車在距離變電站最遠處即2 950 m(位置E)時，電位同樣在該點達到了一個最大值59.78 V，同時電位在牽引變電站處也非常大，為52.54 V。所以可以得到，列車所在處鋼軌電位比較大，同時牽引變電站所在的位置電位也非常大，這因為牽引電流從列車處進入鋼軌，并在牽引變電站處匯聚，因此導致這兩處鋼軌電位較高。

圖11 列車所在鋼軌上電流變化情況

從圖11可以看出，當列車在235 m處(位置A)時，列車離變電站很近，列車所在的一段鋼軌上(2個橫向連接之間)電流很大，而到500 m橫向連接處時，電流驟減為只有2.84 A；列車在站場中部的1 530 m處(位置D)時，鋼軌電流在此處到達940.34 A后又迅速減小為59.39 A；而列車在2 950 m處(位置E)時，列車距離變電站最遠，此時鋼軌電流在列車處達到最大值783.58 A。所以可以得到，鋼軌上電流在列車處最大，在列車附近吸上線處就會減小到很小值。主要因為附近吸上線將大部分電流吸回回流線。

3.4 列車恰好在鋼軌的橫向連接處

以圖3中位置F為例，研究鋼軌上電位和電流的變化規律，如圖12所示。

圖12 列車所在鋼軌上電位變化情況

如圖12所示，列車恰好在500 m處(位置F)時，鋼軌電位在500 m達到極大值4.25 V，遠遠小于牽引變電站所在處，電位最高的地方依然是牽引變電站所在的位置，電位達到23.91 V。

圖13 列車所在鋼軌上電流變化情況

如圖13所示，列車恰好在500 m處時，鋼軌上的電流從原先的202.64 A瞬間降低到很低的數值，接近為零。主要因為列車處有吸上線，所以鋼軌電位比較低且電流會突變到很小。

4 結論

通過以上仿真分析，可以得到以下結論：

(1)由表2至表4可以得到，在大型站場的回流系統中，大部分牽引電流通過鋼軌在牽引變電所處匯聚，所以靠近牽引變電站附近的吸上線將承受很大的牽引回流(即表中1號和8號吸上線)；同時列車附近的吸上線上也有較大部分的電流。所以，站場中的吸上線只有牽引變電站附近和列車附近的吸上線有較大部分電流，而其他吸上線電流很小。

(2)通過仿真分析可知，鋼軌上的電位在列車位置處和牽引變電站處最大。主要是因為牽引電流在列車處進入鋼軌，以及牽引電流在牽引變電站附近鋼軌匯聚流回牽引變電站。所以這兩處鋼軌電位最大。

(3)根據以上仿真結果可知，鋼軌上電流在列車處和牽引變電站處都很大，也是因為牽引電流在列車處進入鋼軌，以及牽引電流在牽引變電站附近鋼軌匯聚流回牽引變電站。同時鋼軌上電流會在列車附近吸上線處突變，這是因為吸上線會將鋼軌上電流大部分吸回回流線。

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Research on the Effect of Train’s Location on Rail Electric Potential in Station Yard

ZHANG Zhigang1CAO Xiaobin2HE Fangfang2HAN Hu2

(1．Yuanping Branch of the Shuo-Huang Railway Development Co.Ltd.,Yuanping 034100,China2．School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In some large station yards, there are many return current problems such as obstructed traction return and much high rail electric potential. In order to study the characteristics of traction return of traction return system and distribution rule of rail electric potential in large station yard, the CDEGS simulation software is used to build the simulation model according to the current reflux system topological structure of railway station. The simulation model built is then used to study the distribution of the traction current in the return current system, return line and rail traction current variation on steel rail; the return flow of big station yard is determined according to the analysis results. The simulation results show that no matter where the train is there are only a small number of boosting cables working while other boosting cables almost do not work, thus leading the high traction current on rail. And electric potential and current on the rail at the traction substation and the train are at the maximum value, so there are hidden dangers to equipment and personnel at these two places.

traction substation; return system; boosting cable; rail electric potential

2015-10-30

張志剛(1970-)，男，工程師。

1674—8247(2016)01—0001—05

U231.8

A