高鐵綜合接地系統特定信號響應特性研究*

程宏波 張雪松 黎醫博 肖梓康 王 勛

(華東交通大學電氣與自動化工程學院 南昌 330013)

高鐵綜合接地系統特定信號響應特性研究*

程宏波 張雪松 黎醫博 肖梓康 王 勛

(華東交通大學電氣與自動化工程學院 南昌 330013)

準確分析不同信號電流激勵時，綜合接地系統(IGS)電壓衰減及電流散流特性可為強弱電系統的耦合分析提供基礎.針對高鐵IGS中常見的幾種的重要信號，考慮牽引回流、故障短路電流在貫通地線上的集膚效應，采用諧波含有率交流阻抗計算法建立接地系統的仿真模型；考慮雷電流在貫通地線上的火花放電效應，采用逐次逼近法建立綜合接地系統仿真模型.定義IGS響應電壓的有效衰減長度及信號電流的有效散流長度等概念，對不同土壤電阻率及不同信號作用下兩個參數的變化趨勢進行了分析比較.結果表明，土壤電阻率不變時，牽引回流產生的IGS響應電壓有效衰減長度最長，牽引短路電流次之，雷電流的最短且遠遠小于前兩者的系統響應電壓有效衰減長度，信號電流的有效散流長度變化規律與之類似.土壤電阻率增大時，信號電流的有效散流長度及IGS響應電壓的有效衰減長度均增大，但土壤電阻率與二者之間為非線性關系.另外，同一信號電流對應的IGS響應電壓有效衰減長度均大于其電流有效散流長度.

綜合接地系統；集膚效應；火花放電效應；有效衰減長度；有效散流長度

0 引 言

高速鐵路由于速度快、載客量大、占地少、能耗低、舒適度高等眾多優勢，最近幾年在我國得到迅猛發展.由于高鐵列車速度高、功率大，使得牽引回流大大增加，同時高鐵建設中普遍采用的無砟軌道增大了鋼軌與地面間的泄露電阻，2種因素導致高鐵鋼軌電位較普速鐵路大大增加，給鐵路沿線工作人員及設備的安全埋下了很大隱患.

綜合接地是目前解決高鐵鋼軌電位過高的一種有效措施，國內外很多學者對此進行了深入研究.呂福星等[1]建立了暫態仿真模型并對過電壓情況進行了分析，吳廣寧等[2-6]推導了貫通地線的接地阻抗解析表達式，對綜合接地系統的接地效果進行了評價，同時分析了雷電流在貫通地線上的散流特性，以及支柱基礎及PW線對貫通地線雷電流分流效果.王建國等[7]則利用CDEGS軟件仿真分析了綜合接地系統的接地阻抗測量有效長度與散流長度的關系.這些研究為特定信號作用下綜合接地系統的特性分析提供了一定的思路與方法.

綜合接地以鐵路沿線敷設的貫通地線為主干，將鐵路沿線的牽引供電系統、電力供電系統、信號系統、通信及其他電子信息系統的接地相互連為一體.這幾大系統的工作目的和工作原理各不相同，不同系統的工作信號性質迥異.但目前對綜合接地系統的研究，鮮有探討與比較牽引回流、短路故障電流及雷電流等不同類型大幅值電流流入時，綜合接地系統電壓響應衰減規律及電流散流特性之間的區別.而研究清楚這些不同類型大幅值電流在綜合接地系統中的傳播特性，可為強弱電系統之間的耦合影響提供分析基礎，為相關弱電設備的防雷保護提供有用指導.

因此文中從高鐵實際運行狀態及綜合接地系統實際結構出發，在分析牽引回流、短路故障電流及雷電流特點的基礎上，考慮集膚效應及火花放電的影響，建立了綜合接地系統的仿真模型，定義了綜合接地系統響應電壓有效衰減長度及信號電流有效散流長度的概念.得到了接地網對各電流響應電壓作用范圍的大小，比較了不同信號作用時系統響應電壓有效衰減長度及信號電流有效散流長度之間的區別.

1 綜合接地系統信號分析

綜合接地系統為鐵路沿線的設備提供了一個等電位連接平臺.路基段綜合接地系統中貫通地線每隔500 m左右通過扼流變壓器中點與鋼軌進行橫向互連，牽引回流及牽引短路電流沿著鋼軌傳播時會通過橫向連接線竄入綜合接地系統，在貫通地線上進行耗散.當貫通地線接地端附近發生雷擊或者接觸網支柱遭受雷擊時，雷電流會通過支柱、PW線等各種途徑侵入綜合接地系統進行傳播耗散.圖1為各系統典型設備的接地方式及牽引電流(iT)、牽引短路電流(iF)、雷電流(iL)等信號流入綜合接地系統的簡易傳播路徑示意圖.

圖1 典型設備的接地方式及典型信號的傳播路徑示意圖

1.1 牽引供電系統的回流模型

列車正常運行時受電弓從接觸網獲取電能，電流經過列車車體后，一部分電流經鋼軌傳播，返回牽引變電所，而另一部分電流則通過引下線注入到貫通地線中返回變電所.

由文獻[8]可知，正常運行的牽引供電系統中，帶回路的直接供電方式和自耦變壓器供電方式，測試中貫通地線承擔高鐵牽引回流的15%～20%.高鐵運行時的牽引回流可達千安，若選取研究對象的牽引回流為1 000 A，貫通地線中流入20%的牽引回流，則注入到貫通地線中的回流約有200 A.由文獻[9]可知，CRH2-200型動車組電源中特征諧波主要是3，5，7，9次等低次諧波和47，49，51，53次等高次諧波，并可進一步推算出牽引回流中各次電流的含有率，見表1.

表1 牽引回流的成分構成

可得出貫通地線中牽引回流的表達式為

i(t)=161.76sin(314t)+9.24sin(942t)+

3.84sin(1 570t)+2.7sin(2 198t)+

1.9sin(2 826t)+5.82sin(14 758t)+

4.68sin(15 386t)+4.62sin(16 014t)+

5.46sin(16 642t) (A)

(1)

文中以上述典型信號模擬機車工作時注入到綜合接地系統的回流信號.

1.2 牽引供電系統的短路故障電流模型

牽引供電系統出現接地短路時，巨大的短路電流將注入綜合接地系統，并通過綜合接地系統進行耗散.根據文獻[10-11]中所建立的牽引供電系統仿真模型，分析牽引供電系統發生接地短路時，短路電流的波形圖，并利用origin軟件對故障電流的波形進行FFT分析，得到其頻譜圖，見圖2.

圖2 短路電流FFT分析

當牽引供電系統發生接地短路故障時，經頻譜分析可知，基波電流的幅值達到1 500 A，故障電流所包含的諧波次數主要有2，96，97，98，99，總的諧波含有率達到22.19%.具體各諧波與基波幅值比及各次電流在總短路電流中的含有率見表2.

表2 牽引短路電流成分構成

假設短路電流全部流入綜合接地系統，忽略其余次要諧波的影響，則該短路電流可近似表示為

i(t)=1 500sin(314t)+25.95sin(628t)+

14.4sin(30 144t)+28.05sin(30 458t)+

317.71sin(30 772t)+90.15sin(31 086t)(A)

(2)

文中以上述信號模擬牽引供電系統發生短路故障時注入到綜合接地系統的短路電流信號.

1.3 雷電流模型

牽引供電系統遭受雷擊較為頻繁，當線路遭受雷擊時，沿線避雷器動作，將雷擊過電流引入沿線的綜合接地網.

Wang等[12]在1941年共同提出了雷電流的雙指數函數表達式，該表達式是一個經驗公式，主要是根據雷電流參數和雷電波形圖擬合得到的.具體方程式為

(3)

式中：K為雷電流的波形修正系數；Im為雷電流幅值；α為波前衰減系數；β為尾衰減系數.波形1.2/50 μs計算得到：K=1.043，Im=10 kA，α=1.473×104，β=2.08×106.

電力配電系統的短路電流注入接地系統同牽引供電系統類似，鐵路通信信號系統的則設備多以安全接地形式接入綜合接地系統，其工作信號不流經接地網.

因此文中著重分析牽引回流、牽引短路電流及雷電流作用時，綜合接地系統響應電壓衰減特性及電流傳播時的散流特性變化規律.

2 不同信號作用下綜合接地系統仿真模型分析

2.1 牽引回流及短路電流作用下的貫通地線模型

牽引回流注入到綜合接地系統后，沿著貫通地線傳播的同時對土壤進行泄流，故貫通地線可以采用有損接地體的傳輸線模型，見圖3.

圖3 貫通地線分布式參數電路圖

牽引回流及短路電流主要由基波構成，另外還含有部分高次諧波.不同頻率的電流對應的貫通地線交流阻抗是有差異的，頻率越高，電流在導體上傳播時的集膚效應越明顯，對應的交流電阻和交流電抗都會發生相應明顯的變化.由表1、表2可知高鐵綜合接地系統中信號電流諧波含有率均達到20%以上，若采用直流電阻或者基波對應的交流阻抗作為貫通地線的等效阻抗進行分析，必然會對仿真實驗結果產生很大的影響，導致仿真結果不準確，因此必須充分考慮高次諧波對貫通地線交流阻抗的影響.

基于文中采用一種“諧波含有率交流阻抗計算法”.即依據電磁場理論求出各次諧波對應的交流阻抗，各次諧波在牽引回流中占有的比率作為各自交流阻抗的權值，將相應的交流阻抗和權值相乘以后再相加，得到最終貫通地線的等效阻抗.即

(4)

式中：wi=2π×(i×f),i=1,2,…，f=50 Hz；Ri，Li分別為i次諧波電流下接地體對應的電阻、電感；ηi為i次電流在貫通地線的信號電流中所占比例.

(5)

(6)

(7)

(8)

接地體電導和電容的常用計算公式為

(9)

(10)

式中：ρ′為貫通地線的電阻率；ρ為土壤電阻率；h為貫通地線埋設深度；l為貫通地線單位長度；a為貫通地線的半徑；ε0為真空絕對介電常數；γg為傳播系數；μ為磁導率.

2.2 雷電流作用下的貫通地線模型

雷電流在貫通地線上傳播時，貫通地線可以等效為有損長直接地體，雷電流流過埋地接地體時會產生火花放電效應[14].一般認為火花放電的半徑為接地體等效半徑，根據火花放電的邊界條件雷擊場強El等于土壤臨界擊穿場強Es，可推算得到第i段導體火花放電的等效半徑計算式為

(11)

(12)

式中：Ji為第i段導體耗散到土壤中的電流密度；ΔIi為第i段導體耗散到土壤中的有效值電流；Δl為第i段導體的分段長度；ai為第i段導體火花放電的等效半徑；Es取400 kV/m.本文采用文獻[18]中“逐次逼近法”來模擬動態火花放電現象.可采用圖3的分布式參數模型，其中：L0，G0，C0見式(8)～(10)，R取常數值0.05 Ω/m.火花放電效應主要影響導體參數中(G，C)的大小、(R，C)保持不變.將火花放電后的導體等效半徑ai代入式(9)與(10)，即可得到計及火花放電效應時導體的分布式模型仿真參數.

2.3 綜合接地系統中接地網等效模型

普通電氣化鐵道接地系統的接地電阻要求小于0.5 Ω，客運專線牽引變電所出口處的短路電流非常大，可達到幾十千安，是普通電氣化鐵路的數倍.根據鐵道系統相關文件標準，以接觸電壓和跨步電壓為衡量指標，推算出客運專線變電所接地網等效電阻Rid≤0.058 Ω，考慮綜合接地系統自身的特點以后，得出貫通地線上接地裝置等效接地電阻R≤0.16 Ω.由于牽引變電所一般位于貫通地線兩端，為方便分析，將牽引變電所接地網及各種雜散電阻一起等效為兩個0.16 Ω的電阻，令其集中分布在貫通地線兩端.

3 算例仿真分析

3.1 綜合接地系統響應電壓幅值變化規律

一般AT間隔為10 km，選取總長度為10 km的貫通地線，利用PSCAD搭建AT所間一個綜合接地系統的仿真模型，常見參數如下：ε0=8.85×10-12F/m，μ=4π×10-7H/m，h=0.7 m，a=4.7 mm，ρ=100 Ω·m，ρ′=1.724 1×10-8Ω·m.綜合接地系統中某一牽引變電所為觀測起點，仿真得到牽引回流(R)、牽引短路電流(F)及雷電流(L)從綜合接地系統不同位置注入時系統響應電壓的幅值，分別記作VR，VF，VL，三者的變化曲線見圖4.

圖4 距離接地網不同位置處綜合接地系統響應電壓幅值變化規律

由圖4a)可知，在牽引變電所接地網附近，綜合接地系統響應電壓幅值較低；在遠離接地網的地方，系統響應電壓穩定在一個較高的數值上.由圖4b)可知，牽引變電所接地網對牽引回流、短路電流及雷電流作用下系統響應電壓幅值影響距離分別約為1 200，600及18 m.這是因為牽引回流諧波含量最少且集中在低次諧波，遇到的貫通地線阻抗也越小，故傳播最遠，雷電流由于貫通地線的火花放電現象，迅速在侵入點附近耗散，故傳播距離最短.

3.2 綜合接地系統響應電壓衰減特性研究

定義綜合接地系統響應電壓衰減有效長度：信號電流沿綜合接地系統貫通地線傳播，點A處系統響應電壓的幅值衰減為注入點o處響應電壓幅值5%時電流所流過的貫通地線長度.由圖4a)可知，距離接地網越遠的地方，綜合接地系統響應電壓越大，危害也更大.因此主要分析信號電流從接地網遠端進入綜合接地系統后，貫通地線沿線各點響應電壓隨土壤電阻率ρ的變化情況.

圖5為ρ對綜合接地系統響應電壓的影響，從圖5可知：

1) 土壤電阻率ρ相同時，牽引回流作用下綜合接地系統響應電壓的有效衰減長度最長，雷電流對應的系統響應電壓有效衰減長度最短.同時牽引回流及牽引短路電流對應的系統響應電壓有效衰減長度在低土壤電阻率時相差比較大，在高土壤電阻率時衰減長度幾乎相同.在相同條件下，二者的響應電壓有效衰減長度均遠遠大于雷電流引起的響應電壓衰減長度.

圖5 ρ對綜合接地系統響應電壓的影響

2)ρ不變時，隨著電流沿貫通地線向遠處傳播，貫通地線上響應電壓的幅值逐漸減少，且越靠近注入點的地方，響應電壓的衰減速度越大.同時隨著ρ的增大，響應電壓的衰減距離越來越遠.另外可計算得到ρ從100 Ω·m增大10倍時，3種電流對應的響應電壓有效衰減長度分別增加到原來的1.89倍、2.22倍及3.26倍，可見土壤電阻率與響應電壓的有效衰減長度之間為非線性關系.

3.3 綜合接地系統信號電流散流特性研究

定義綜合接地系統信號電流有效散流長度：信號電流沿綜合接地系統貫通地線傳播，貫通地線中縱向電流幅值衰減為原始注入電流幅值5%時電流所流過的貫通地線長度.電流的散流特性用散流率η表示，ηR，ηF，ηL分別表示牽引回流、牽引短路電流及雷電流散流率.貫通地線上信號電流散流率η計算方法：沿電流傳播方向上，始端注入點o處電流幅值與貫通地線某點B處徑向電流幅值的差值與始端注入電流幅值的比值為oB段信號電流散流率，因此取η為0.95.

圖6為ρ對綜合接地系統信號散流特性的影響，由圖6可知：

1) 與圖5相比，ρ相同時，同一信號電流在貫通地線上的有效散流長度小與貫通地線上響應電壓有效衰減長度.

2)ρ相同時，牽引回流的有效散流長度最長，雷電流的有效散流長度最短，同時牽引回流與短路電流的有效散流長度遠遠大于雷電流的有效散流長度.

3)ρ不變時，電流沿著貫通地線傳播，隨著傳播距離的增加，耗散到土壤中的電流越來越多，在注入點附近的電流耗散速度更快.隨著土壤電阻率的增大，信號電流的有效散流長度逐漸增加.同時可計算得到土壤電阻率從100 Ω·m增大10倍時，三種電流的有效散流長度分別增加到原來的2.9倍、2.68倍及2.11倍，可見土壤電阻率與信號電流的有效散流長度之間也為非線性關系.

圖6 ρ對綜合接地系統信號散流特性的影響

4 結 論

1) 綜合接地系統的響應電壓幅值在牽引變電所接地網附近較小，在遠離接地網的地方為一恒定較大值.牽引變電所接地網對牽引回流、牽引短路電流及雷電流的響應電壓幅值影響距離分別約為1 200 m,600 m及18 m.

2)ρ不變時，隨著信號電流在綜合接地系統中傳播距離的增加，系統的響應電壓呈現顯著的衰減趨勢且泄散到土壤中信號電流逐漸增多，同時系統響應電壓的有效衰減長度遠遠大于系統中相應信號電流的有效散流長度.

3)ρ增大時系統響應電壓的有效衰減長度及相應信號電流的有效散流長度均增大，但土壤電阻率與二者之間為非線性關系.

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Research on Response Characteristic of High-speed Railway Integrated Grounding System Subjected to Specific Signals

CHENG Hongbo ZHANG Xuesong LI Yibo XIAO Zikang WANG Xun

(SchoolofElectricalandAutomationEngineering,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China)

Integrated Grounding System’s characteristics of voltage attenuation and current dispersion to different signal currents can provide the basis for analyzing both strong and weak power system coupling. Concerning the important signals on Integrated Grounding System of high speed railway, the model of IGS is established by using the method of harmonic current impedance calculation, considering the skin effect of traction return current and fault short-circuit current, and using the method of successive approximation considering the spark discharge effect of lightning current. The effective attenuation length to voltage (LRV) and effective dispersion length to current (LSC) are defined to IGS, and their variation trends on different soil resistivity and different signal are analyzed. Results show that when soil resistivity remains constant, the LRV to traction return current is the longest, and the LRV to lightning current is the shortest, either the LSC. When soil resistivity increased, the LRV and LSC are increased both with nonlinear relationship. In addition, the LRV is always longer than the LSC for the same signal current.

integrated grounding system; skin effect; spark discharge effect; effective attenuation length; effective leakage current length

2016-11-07

*江西省自然科學基金資助項目(20143ACB21019)、南昌市科技支撐資助項目(2014HZZC012)資助

U223.6

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.009

程宏波(1979—)：男，博士，副教授，主要研究領域為高鐵故障預警和智能電網自愈