電氣化鐵路牽引回流入所線纜方案優化

馬九洋

0 引言

當前高鐵線路中，牽引回流入所線纜的接入方式缺乏統一方案，難以橫向比對線路之間的回流狀況。相關設計標準和設計方案往往只對回流入所線纜的入所和連接提出保證接入良好的要求，缺乏系統全面的接入方案，對現場施工造成一定困擾[1，2]。另外，即使具備了全面的線纜接入方案，施工現場也經常出現未完全遵照設計方案執行的情況，為了加快施工進度，常出現根據施工現場情況或按照對牽引回流的主觀理解擅自更改回流入所線纜接線設計的情況。

目前，回流入所線纜的設置主要存在兩方面問題：（1）回流入所線纜截面選取出于安全角度考慮往往預留一定的冗余度，然而有些線路為了加大供電安全冗余度，在設計或施工時過度增加回流入所線纜。例如，在某客專線路變電所內，僅PW線一個回流途徑就從線路上引回多達12根甚至更多的線纜，過度提高冗余度，不僅對安全性沒有明顯提升作用，反而浪費過多人力物力。（2）牽引回流的 不恰當接線方式會導致變電所牽引回流比例的分布異常，如地網回流比例過大，超過總回流的50%。然而這種異常問題并不會立刻對正常牽引供電、列車運行、人員設備安全等造成危險，但是長期運行存在較大隱患，不利于鐵路的長期可靠安全運營。

本文針對回流入所線纜設計方案中的線纜材質、截面冗余度、不同類型回流線纜接入方案、接入位置等內容，對牽引變電所處的回流系統設計展開試驗，并進行對比分析。

1 回流入所線纜材質及截面冗余度分析

冗余度是從安全角度考慮的多余量，為了保障儀器、設備或某項工作在非正常情況下也能正常運轉[3]。鐵路設計方案中，對于線路的牽引回流線纜就采用了保留安全冗余度的設計思路。

在各條線路中，貫通地線和地網的入所線纜截面較為固定，均采用基本相同的截面。因此試驗主要針對各條線路中的鋼軌及PW線入所線纜的不同截面設置進行分析。

1.1 回流入所線纜的材質對比分析

在變電所正對所外的位置，從線路上下行PW線上分別T接引回1根150 mm2截面的回流線，在試驗初期設置為銅絞線，試驗后期更換為鋁絞線。試驗期間線路上的行車車型、速度、取流基本一致，因此將試驗初期和后期的牽引變電所內的回流比例測試數據進行統計，以均值進行對比，如表1所示。

表1 不同材質的牽引回流入所線纜條件下的變電所回流比例 %

銅和鋁在常溫下的電阻率分別為1.75×10-8和2.83×10-8Ω·m，兩者相差近1倍。但根據試驗數據，兩種材質的線纜對于牽引變電所的各回流途徑回流比例幾乎不產生影響。

因此，線路采用鋁質或銅質回流入所線纜，對變電所牽引回流比例影響很小，可以忽略。

1.2 鋼軌回流入所線纜的截面冗余度分析

在試驗不同時期設置不同截面的鋼軌回流入所線纜，試驗期間的線路工況、牽引取流基本一致。統計牽引回流比例測試均值如表2所示。

表2 不同截面的鋼軌回流入所線纜條件下的牽引變電所回流比例 %

根據試驗數據：當單側線路的鋼軌回流入所線纜截面由300 mm2增加到600 mm2時，鋼軌回流占比增加6%；貫通地線和地網的回流占比變化量為3%。當線纜截面由單側線路600 mm2截面增加到900 mm2截面時，鋼軌回流占比增加1%。

因此，增加鋼軌回流入所線纜的截面，可對鋼軌回流比例起到一定的改善作用，但達到單側線路600 mm2截面后，再增加截面對回流比例的改善作用不明顯。

1.3 PW線回流入所線纜的截面冗余度分析

在正對變電所的所外位置，在試驗不同時期設置不同截面的PW線回流入所線纜，各時期的線路工況、牽引取流較為一致，統計各時期的變電所牽引回流比例均值進行對比，如表3所示。

表3 不同截面的PW線回流入所線纜接線方式下的牽引變電所回流比例 %

根據試驗數據，當上下行的PW線回流入所線纜截面由150 mm2增加到300 mm2時，鋼軌及PW線的回流比例增加6%。此時鋼軌及PW線總回流比例已達85%，繼續增加PW回流入所線纜的截面已經很難使鋼軌及PW線的回流比例進一步明顯增加。

因此，可將300 mm2作為PW線回流入所線纜單側線路最佳的截面選擇。

2 牽引變電所回流入所線纜接入方案的對比分析

2.1 PW線是否單獨回流入所的回流比例分析

PW線是否單獨入所是很多線路之間PW線回流入所線纜設置的主要區別，因此進行PW線是否單獨入所的試驗測試，試驗期間的線路及列車運行工況基本一致。接線位置為在正對變電所所外位置的PW線上進行T接，上下行各引入1根150 mm2截面的銅質線纜。試驗期間的測試數據統計均值如表4所示。

表4 PW線是否增加回流入所線纜的牽引變電所回流比例 %

根據試驗數據，PW線由所外T接入所對于降低貫通地線和地網回流比例效果明顯，對鋼軌及PW線的回流比例有較為明顯的提高，且能夠較大程度降低貫通地線回流比例。

因此，從鋼軌及PW線作為主回流途徑的角度考慮，應在正對變電所所外的PW線上單獨引入入所線纜。

2.2 貫通地線回流是否入所的回流比例對比分析

很多線路將變電所距線路的距離作為貫通地線是否入所的依據：當變電所距線路大于20 m時，將貫通地線引入所內；小于20 m時，不將貫通地線引入所內。根據實測數據，貫通地線是否入所對于變電所的牽引回流比例有較大影響。

試驗依托京石武鐵路的高邑西牽引變電所完成貫通地線是否入所的對比試驗。在正對變電所所外位置的上下行貫通地線上分別T接1根70 mm2截面銅質回流入所線纜，試驗期間的線路及列車工況基本一致。試驗數據統計均值如表5所示。

表5 是否增加貫通地鐵回流入所線纜的牽引變電所回流比例 %

根據試驗數據，貫通地線入所后可明顯降低鋼軌和地網的回流比例，二者的回流比例變化量之比與二者在貫通地線入所之前的回流比例之比接近。

根據各試驗線路的測試數據，貫通地線入所后其回流通常占據較高的比例。貫通地線入所的主要目的是等電位連接[1，4]，而貫通地線流過大量牽引回流會破壞等電位連接的效果，且對變電所附近區域內將貫通地線作為地線的沿線設備也會產生較大影響。根據表4的數據分析，如果根據線路狀況需要將貫通地線引入所內，可以在正對變電所所外位置的PW線上T接PW線回流入所線纜，可以較大程度降低貫通地線上的回流比例，從而保證等電位連接的效果。

因此，從牽引回流角度考慮，不建議將貫通地線引入牽引變電所，在必須將貫通地線引入所內的情況下，可在正對變電所所外PW線上就近T接PW線回流入所線纜，從而保障貫通地線不會流過較大牽引回流，等電位連接作用不被破壞。

2.3 回流入所線纜接入位置分析

牽引變電所的4種回流途徑為鋼軌、PW線、貫通地線、地網。多數鐵路在設計和施工時，鋼軌、貫通地線和地網的回流入所線纜在線路上的接續位置是固定的。鋼軌回流入所線纜接入位置：在線路上距離變電所最近的扼流變壓器中心抽頭處引回，該扼流變壓器在實際線路中往往距離變電所幾百米不等，很少有處于正對變電所所外的位置；貫通地線回流入所線纜由正對變電所所外的貫通地線上T接入所；地網與匯流排之間的連接線纜的接線位置也是固定的。因此能夠對接續位置進行調整的主要是PW線回流入所線纜。

主要針對以下3種PW線回流入所線纜接入位置進行試驗：

（1）線路靠近變電所的扼流變壓器位置處，在PW線上T接入所線纜。

（2）在正對變電所的所外PW線上T接回流入所線纜，通常與線路回所的扼流變壓器相距幾百米不等。

（3）在正對變電所的所外鋼支柱根部引回入所線纜，少數線路采用該接線位置。

另外，線路上還有一種PW線回流入所線纜的常見設置方式，即不單獨設置PW線回流入所線纜，僅在扼流變壓器位置設置吸上線，與扼流變中心抽頭的鋼軌回流入所線纜合為一處。該方式由于不單獨設置PW線回流入所線纜，因此不納入接入位置試驗內容。

分別在試驗不同時期設置不同位置的入所線纜，線纜規格為上下行各2根150 mm2截面的銅絞線，試驗期間的線路工況較為一致，試驗數據如表6所示。

表6 不同PW線回流入所線纜接入位置情況下的牽引變電所回流比例 %

根據試驗數據，在正對變電所所外位置的PW線上T接引回入所線纜時，變電所中鋼軌及PW線的牽引回流比例最高，占總回流的85%。PW線由所外的鋼支柱根部引回，與所外PW線上T接引回相比，鋼軌及PW線的牽引回流比例稍小，地網回流比例增加，貫通地線的回流比例幾乎相同。若地網回流比例過小（如石武客專的溪水堰AT所地網回流比例僅1.7%），可將PW回流入所線纜移至鋼支柱的根部引回，以適當提高地網回流比例。

PW線回流入所線纜的不同接入位置試驗結論如下：

（1）將PW回流入所線纜在線路側由扼流變壓器位置的PW線上T接回所，或是通過吸上線連接扼流變壓器中心抽頭，不再單獨設置PW線回流入所線纜的兩種做法是不合適的，不便于牽引回流集中由鋼軌和PW線纜返回變電所，也弱化了單獨設置PW回流入所線纜的意義。

（2）最佳接入位置是在正對變電所的所外PW線上T接回所，此時可實現鋼軌及PW線回流比例最大，貫通地線和地網回流比例最小。

（3）由正對變電所所外的鋼支柱根部引回PW回流入所線纜，可適當提高地網回流比例。

3 結語

根據試驗分析結果，對于牽引變電所地網回流比例過高的問題，可以通過調整變電所PW線回流入所線纜的設置方式得到有效解決。將回流入所線纜調整試驗的相關結論匯總如下：

（1）回流入所線纜選擇銅質絞線或鋁質絞線，對于變電所的牽引回流比例分布幾乎不產生影響。

（2）可將600 mm2與300 mm2分別作為單側線路的鋼軌及PW線回流入所線纜的最佳截面。

（3）當鋼軌、PW線的回流入所線纜在線路上下行側未達到最佳截面時，增加回流入所線纜的截面能夠對變電所各回流途徑的牽引回流比例起到改善作用，但并不能徹底解決回流異常問題。

（4）建議單獨引入PW線回流入所線纜，不建議將貫通地線引入牽引變電所。

（5）將PW線在線路側由扼流變位置的PW線回流入所或通過吸上線連接至扼流變中心抽頭而不再單獨設置回流入所線纜的做法是不合適的，不便于牽引回流集中由鋼軌和PW線纜返回變電所，也弱化了單獨設置PW回流入所線纜的意義。

（6）PW線回流入所線纜最佳接入方式是在正對變電所的所外PW線上T接回所；在鋼支柱根部連接PW線回流入所線纜，可適當提高地網回流比例。