交流電氣化鐵路鋼軌電位影響因素及防護策略

高 保孟獻儀王浩先.中鐵二院工程集團有限責任公司；.徐州和緯信電科技有限公司

交流電氣化鐵路鋼軌電位影響因素及防護策略

高 保1孟獻儀2王浩先2
1.中鐵二院工程集團有限責任公司；2.徐州和緯信電科技有限公司

隨著我國經濟的逐步增長，交流電氣化鐵路建設也處于快速發(fā)展階段，而電氣化鐵路的鋼軌不僅作為機車的鋼軌，而且還是牽引電流回流系統(tǒng)的一部分。在道床上鋪設鋼軌時雖然加裝了絕緣墊板、絕緣套靴等部件，但由于油漬、鐵屑、灰塵及雨水等因素，軌地之間過渡電阻不能無限大，于是當軌道上有電流流過時，便有部分電流泄漏至大地形成雜散電流，同時也是鋼軌電位差存在的原因。

與普通鐵路相較而言，電氣化鐵路具有速度快、負載重、牽引電流大、系統(tǒng)回流大等特點，從而使得鋼軌電位過高。鋼軌電位過高會造成很多方面的不良影響，例如：給沿線工作人員帶來人身安全、對線路設備元器件造成損壞、引發(fā)沿線信號裝置的故障、加速軌道與軌枕之間絕緣墊板的老化、機車牽引回流系統(tǒng)異常等。因此國內外對如何降低鋼軌電位這一問題進行了大量的分析與研究，以減小鋼軌電位所帶來的不良影響。

目前我國交流電氣化鐵路鋼軌電位安全標準主要參考EN50122-1997《鋼軌電位防護》，該標準中根據電壓作用時間將鋼軌電位分為三種情況：短時（t≤0.5s）、暫時（0.5s＜t≤300s ）、長時（t＞300s），不同情況下鋼軌電位允許值不同，具體數值如表1所示。

表1 電氣化鐵路鋼軌電位最大允許接觸電壓

長時情況下交流電氣化鐵路鋼軌電位最大允許接觸電壓不能超過60V，特殊地段不能超過25V。

本文介紹鋼軌電位產生機理及其主要影響因素，并對其防護策略進行詳細介紹，為以后鋼軌電位防護工作提供參考。

影響鋼軌電位的主要因素

供電方式對鋼軌電位的影響

隨著列車運行方式的改變，牽引供電方式也隨之發(fā)生變化，不同的牽引供電方式其鋼軌中電流回流長度及特點也不相同，從而使得產生的鋼軌電位也不相同。早期采用直接供電方式，鋼軌回流長度很大，最長可為整個供區(qū)間。當鋼軌環(huán)境一般時，回流系統(tǒng)中的自由分量基本全部泄漏至大地，因此機車所在位置的鋼軌電位普遍偏高；同時由于雜散電流在變電所負極集中回流，導致牽引變電所處鋼軌的鋼軌電位突然增大。在直接供電方式的基礎上加設回流線之后，鋼軌與架空回流線并聯(lián)，有效地減小了回流通路阻抗，從而使得鋼軌電位降低了40%左右。現(xiàn)在電氣化鐵路大多采用AT方式供電，該方式下鋼軌回流長度僅為AT段的一半，且回流點也在列車所在AT段兩端自耦變壓器的中性點。列車所需電流由其所處AT段兩端的兩個AT同時并聯(lián)供電，自耦變壓器中性點處的電位比列車處的鋼軌電位小，同時變電所回流點的鋼軌電位也比較低。AT供電方式下鋼軌電位與帶回流線的直接供電方式相比，大約下降15%。

鋼軌阻抗對鋼軌電位的影響

鋼軌縱向電阻是影響鋼軌電位的一個重要參數，鋼軌單位長度阻抗與鋼軌型號有關，在出廠時已經確定，并且鋼軌單位長度阻抗與鋼軌電位理論上成反比。電氣化鐵路鋼軌是由短軌焊接形成，因此焊接縫的阻抗也是影響鋼軌電位的一個因素，焊接縫阻抗越小鋼軌電位越低。

鋼軌泄漏電阻對鋼軌電位的影響

鋼軌電位與鋼軌泄漏阻抗有著直接個關系，通常情況下鋼軌泄漏電阻的增大會使得鋼軌電位上升。在泄漏電阻初期增大階段，鋼軌電位隨著泄漏電阻的增加迅速上升，但當鋼軌電位上升達到一定值之后，鋼軌泄漏電阻再增加時鋼軌電位上升不明顯，當泄漏電阻增大10Ω時，鋼軌電位僅上升3.5V。新建電氣化鐵路大多為無砟軌道，相比于有砟軌道環(huán)境較好，鋼軌泄漏電阻一般較高，從而使得鋼軌電位值也普遍偏高。

單復線對鋼軌電位的影響

在單線鐵路中，鋼軌的電阻為兩根鋼軌并聯(lián)之后的等效電阻，電導同樣為兩根鋼軌并聯(lián)之后對大地的等效電導；在復線鐵路中，由于存在上下行四根鋼軌，鋼軌的電阻和電導均為四根鋼軌并聯(lián)之后的等效數值，因此在數值上，復線電阻為單線的一半，復線電導為單線的兩倍。因此，在復線中上行與下行鋼軌通過扼流變壓器等電壓連接之后，鋼軌電壓、電流衰減常數的大小不變，且復線中的輸入阻抗為單線中輸入阻抗的一半。由于存在這種特使性質，使得在同等大小的牽引電流下，復線鋼軌電位數值僅為單線鋼軌電位數值的1/2。

降低鋼軌電位的主要措施

采用AT供電方式

其余條件相同情況下，AT供電方式所產生的鋼軌電位比直接供電方式所產生的鋼軌電位降低40%左右，AT供電方式對鋼軌電位的降低效果顯著，因此在工程項目預算范圍之內建議電氣化鐵路采用AT供電方式。同時AT供電方式還具有其他優(yōu)點，例如：減少線路牽引變電所所需建設數量、降低供電系統(tǒng)對外部電源的依賴程度、減少對沿線通信線路的電磁干擾、提高電力能源利用率、提升接觸網運行環(huán)境等，滿足目前電氣化鐵路高速運行的特點。隨著人們對全并聯(lián)AT供電方式和相關技術的深入研究，AT牽引供電方式的優(yōu)越性在電氣化鐵路中將會更加明顯。

牽引網加裝回流線

當沿線加設回流線之后，原本從鋼軌流回牽引變電所的電流會有一部分被回流線分流，從而降低鋼軌電位。回流線的回流效果主要與三個參數有關：衰減常數、回流線截面積、與鋼軌橫向連接線的間距。其它條件相同時，回流線截面積越大，即回流線電阻越小，分流效果越好；衰減常數越小，分流效果越好，同時也說明干旱地區(qū)加裝回流線比濕潤地區(qū)加裝回流線的分流效果好；與鋼軌橫向連接線的距離越短，分流效果越好，但應滿足通信設備的相關要求。

上下行鋼軌橫向連接

在復線運行環(huán)境中，可以將上行與下行鋼軌進行橫向連接，該方法經濟性高，且對降低鋼軌電位效果明顯。將上下行兩點鋼軌橫向連接后，鋼軌電位變?yōu)樵瓉韮牲c鋼軌電位之和的平均值。假設上行線路有列車行駛，則上行線路鋼軌電位要比下行鋼軌電位大得多，連接之后上行鋼軌電位則變?yōu)樵瓉淼?/2左右。并且由于上下行鋼軌電位極性相反，上下行鋼軌電位之和的平均值小于上行鋼軌電位的一半。但該方案也有明顯的缺點，當上下線有列車會車時，上下行鋼軌橫向連接對降低鋼軌電位效果不明顯；同時，上下行鋼軌橫向連接會使無列車運行側的鋼軌電位升高，給工作人員帶來安全隱患。

增設CPW線

CPW線，即鋼軌與保護線連接線。在AT供電區(qū)間加設CPW線可以有效減少鋼軌電位數值。AT供電區(qū)間APW線加設數目及位置沒有明確的規(guī)定，但普遍遵循的基本原則是每兩個CPW線之間的長度相同，同時兩根CPW線間距至少等于兩個阻抗連接器在軌道上安裝的間距（通常為1.5km左右）。增設1根CPW線時，對降低鋼軌電位效果較為明顯，但當超過3根之后，對降低鋼軌電位效果不明顯，因此從經濟方面考慮，應該適當加設CPW線的數量。

圖1 交流鋼軌電位限制裝置工作原理示意圖

改善局部地區(qū)土壤率

在工作人員經常出現(xiàn)、重要設備放置或者鋼軌電位超過標準規(guī)定等特殊區(qū)段，可以采用改變特殊區(qū)段土壤結構的方法。降低局部特殊地區(qū)土壤率，可以降低人員的跨步電壓以及較大設備不同位置的電壓差，從而保證工作人員的安全及設備的正常工作。通常采用的方法有三種：敷設降阻劑、更換土層以及審美接地體與低電阻率土壤法。敷設降阻劑是一種通過化學方法來降低土壤電阻率，具體做法是在接地體附近添加離子生成物質，從而增強土壤的導電性。但土壤添加劑應具有以下基本性質：①無毒、無污染；②良好的導電性；③耐腐蝕、耐沖擊等。換土法即把原來土壤電阻率較高的土壤鏟去，重新鋪設電阻率較低的土壤，例如黏土、泥炭等。換土法一般僅將接地體周圍1m～4m內的土壤換去，這樣更為簡便。通常將敷設降阻劑與換土法相結合，從而達到理想的效果。如果土壤電阻率隨深度迅速減小，則可采用深埋接地體方案，以減小接地體的電阻值，該方法應用靈活，不受地理空間限制，同時可以有效降低跨步電壓數值。

特設綜合地線

鋼軌電位和鋼軌回路特性阻抗成正比關系，而鋼軌泄漏電阻是影響鋼軌回路特性阻抗的主要因素。線路鋼軌對地導納數值受所處環(huán)境因素影響較大，數值變化可能達到幾十倍，這對鋼軌電位的波動影響很大。如果沿鐵路線埋設鍍鋅或者銅質接地體，接地體全線連通并與鋼軌橫向并聯(lián)，則對降低鋼軌泄漏電阻起到很好的效果，從而可以降低鋼軌電位。

交流鋼軌電位限制裝置

交流鋼軌電位限制裝置工作原理示意圖如圖1所示。

正常情況下，交流接觸器的觸頭是閉合的，可控硅處于非觸發(fā)狀態(tài)；非正常情況下，通過電壓檢測系統(tǒng)控制短路裝置與大地有效短接。鋼軌電位限制裝置測得的電壓值大于電壓安全限啟動值，經過一段設定的延時后，該裝置將回流回路有效短接，短接后，測量的電流超過限定值，斷路器將斷開。如果測量到的電壓超過電壓極限啟動值，斷路器將斷開，防止過高的電壓損壞裝置。當短路裝置短接時，若在鋼軌和大地間仍有一個電壓，則設備被認為出了故障，此時由硬接點向SCADA系統(tǒng)發(fā)送故障信息。

總結

本文對交流電氣化鐵路鋼軌電位產生機理進行分析，詳細闡述了不同供電方式、不同鋼軌阻抗、不同鋼軌泄漏電阻及單復線等主要因素對鋼軌電位產生的影響，從而得到降低鋼軌電位的主要措施，主要有采用AT供電方式、牽引網加裝回流線、上下行鋼軌橫向連接、增設CPW線、改善局部地區(qū)土壤率、特設綜合地線等，不同的措施對鋼軌電位的降低效果不同，有時還需將幾種方案同時使用才能保證鋼軌電位符合相關標準要求。