影響地回流因素及其抑制方法分析

周子槊， 汪繁榮

(1 湖北工業大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068； 2 湖北水利水電職業技術學院， 湖北 武漢 430070)

隨著高速、重載鐵路的發展，機車速度不斷提高，牽引電流也隨之增大，即使地回流占總牽引回流的比重低于架空線回流，但仍然成為了鐵路牽引供電系統中牽引電流不可忽視的部分[1-3]。長期地網回流過大還會導致地網電化學腐蝕加快；變電所地網回流比例過小，可能存在變電所接地電阻過大的情況；貫通地線回流比例過大，會使變電所附近的弱電設備的地電位有較大波動，產生地電位差，使通信信號設備的運行可靠性和穩定性降低，在雷擊或者接觸網短路情況下，可能會導致貫通地線燒毀。因此，有必要對地回流和整體牽引電流之間的關系以及比重進行分析[4]，探究不同因素對地回流的影響，為減小地回流、保證牽引供電系統的安全。

1 基于CDEGS建立仿真模型

本文所探討的牽引電流為工頻50 Hz下的交流電流，因此可利用CDEGS軟件中的輸入模塊HIFREQ進行仿真建模以及設定參數。

由于直供加回流線方式下的鐵路牽引供電系統是采用工頻激勵，可以采用CDEGS中的輸入模塊的HIFREQ進行仿真建模。

HIFREQ模塊內設3個部分：計算、土壤類型、系統設置。

1)系統的頻率設置是通過MALZ以及HIFREQ模塊內設的計算模塊完成的，由于鐵路牽引供電系統是采用工頻激勵，因此需要將起始頻率和基頻均調為50 Hz。

2)MALZ以及HIFREQ模塊內設的土壤類型模塊可進行土壤電阻率分層設置，由于實際情況中土壤存在分層問題，不同厚度下土壤的電阻率存在差異，因此可通過土壤類型模塊靈活設置土壤分層，選擇好土壤分層類型后，只需在土壤特性網格內填入不同土壤層的相應參數，所需填寫參數包括土壤電阻率、土壤層厚度、相對磁導率以及相對介電常數。

3)構建鐵路牽引供電系統的模型需要在HIFREQ模塊內設的系統設置模塊進行設置。由于不同的導體類型具有不同的導體參數，因此在建模前首先需要確定模型中存在哪些不同類型的導體，并在導體類型中進行設置。

1.1 鐵路牽引供電仿真模型的建立

根據上文介紹的建模方法及步驟，完成了在CDEGS仿真軟件HIFREQ模塊中對鐵路牽引供電模型的建立，在仿真模型中共設有2根長度為50 km的水平鋼軌；回流線設置在鋼軌上方8 m處，長度與鋼軌相同；共設置了19根吸上線，吸上線將一側鋼軌與回流線相連，使回流線與鋼軌并聯；通過在牽引站A及牽引站B處設置接地電阻為0.44 Ω的地網來等效牽引站的引流；將牽引變壓器等效成27.5 kV的交流電壓源；牽引站A及牽引站B地網與軌道回流系統通過回流線相連；仿真模型中總共分為2層，第一層為鋼軌和大地之間的道床層，由于道床層相對復雜，包括絕緣板、道枕、碎石，因此通過均勻電阻率來等效道床層，可通過設置等效電阻率來解決，厚度為0.9 m；第二層為土壤層。仿真模型見圖1，仿真模型示意圖見圖2。仿真模型中的吸上線坐標見表1所示，牽引站A的位置設置在x坐標為0處。

圖 1 鐵路牽引供電仿真模型

表1 鐵路牽引供電模型吸上線坐標

1.2 參數的選擇

鐵路牽引供電系統中各參數見表2和表3，基于CDEGS仿真模型截圖見圖2。第2節中的仿真參數若無特別說明，均以表2和表3中參數為準。

表2 鐵路牽引供電模型土壤分層參數

表3 導體參數

(a)牽引變電站仿真

(b)機車處仿真

(c)牽引變電所附近鋼軌處圖 2 鐵路供電仿真模型中部分區域示意圖

2 影響地回流與軌回流分配的因素

根據圖1可知，牽引電流回流牽引變電所變壓器中性點的路徑主要包括牽引電流從鋼軌與回流線回流，以及從牽引變電所的地網處回流，因此，本文將牽引電流從鋼軌與回流線回流牽引變電所命名為軌回流，從牽引變電所地網處回流命名為地回流。

由于軌回流過大會提升鋼軌對地電位，而地回流過大會加速地網接地極的腐蝕，同時還會干擾周圍的信號設備，因此有必要對影響地回流與軌回流的比重因素進行探究，并分析地回流與軌回流比重對鋼軌對地電位的影響。

2.1 機車與牽引變電所的距離對地回流與軌回流分配的影響

為了探究機車與牽引變電所的距離對地回流與軌回流分配的影響，總共設置了6種機車與牽引變電所的距離，機車位置分別在3 200 m、4 800 m、6 300 m、7 750 m、9 300m、13 700 m、16 800 m、19 000 m處。

由圖3、圖4可知，地回流隨著機車與牽引變電所的距離增大而增大，軌回流隨著機車與牽引變電所距離的增大而減小，但隨著機車與牽引變電所距離的進一步增大，地回流的增大幅度和軌回流的減小幅度都在收斂，最終趨于飽和。因此，機車與牽引變電所距離大于7 500 m時，地回流以及牽引變壓器中性點對地電位均處于相對較高的水平。

圖 3 不同機車位置條件下地軌回流分布

圖 4 不同機車位置條件下地軌回流比值

2.2 鋼軌對地泄流能力對地回流與軌回流分配的影響

為了探究鋼軌對地泄流對地回流與軌回流比重的影響， 總共設置了6種道床層電阻率， 分別為3000 Ω·m、 6000 Ω·m、 12 000 Ω·m、 24 000 Ω·m、 36 000 Ω·m、 50 000 Ω·m， 并對6種不同道床層電阻率條件的模型進行了仿真，結果見圖5。

圖 5 不同道床電阻率條件下地軌回流分布

由圖5知：地回流隨著道床電阻率的增大而增大，軌回流隨著道床電阻率的增大而減小，但隨著機車與牽引變電所距離的進一步增大，地回流的增大幅度和軌回流的減小幅度都在收斂，最終趨于飽和。

2.3 牽引變電所地網電阻對地回流與軌回流分配的影響

由于牽引變電所接地電阻的增大會導致地回流困難，同時會使牽引變壓器中性點對地電位升高，為了探究牽引站地網接地電阻對地回流與軌回流比重的影響，分別將牽引變電所地網電阻設為0.6 Ω、0.8 Ω、1.5 Ω、2.3 Ω、2.8 Ω、3.5 Ω，道床層電阻率取50 000 Ω·m，土壤層電阻率取200 Ω·m，機車位置設置在8 000 m處。

由圖6知：地回流隨著牽引變電所地網電阻的增大而減小，軌回流隨著牽引變電所地網電阻的增大而增大，但隨著機車與牽引變電所距離的進一步增大，地回流的增大幅度和軌回流的減小幅度都在收斂，最終趨于飽和。

圖 6 不同牽引變電所地網電阻條件下地軌回流分布

2.4 減小地回流方法的提出和仿真驗證

為了減小大地的雜散電流從牽引變電所地網回流牽引變壓器，可對牽引變電所附近的鋼軌進行接地以減小地回流，由于鋼軌電流最終通過離牽引變電所最近的吸上線處回流牽引變電所，因此在離牽引變電所最近的吸上線處對鋼軌進行接地，能夠將大地的雜散電流更快地引入吸上線。

為此，在x坐標為20 m的吸上線處敷設地網進行引流，將地網電阻分別設為1 Ω、2 Ω、3 Ω、4 Ω，土壤電阻率取200 Ω·m，牽引電流取590 A，機車位置距牽引變電所16 800 m，吸上線處的仿真模型見圖7。計算結果見表4。

(a)添加貫通地線處鐵路供電模型俯視圖

(b)添加貫通地線處鐵路供電模型側視圖

(c)添加貫通地線處鐵路供電模型地網示意圖圖 7 添加貫通地線的鐵路供電模型示意圖

表4 牽引站附近鋼軌處接不同大小地網時地回流與軌回流的數值變化

由表4可知，在距離牽引變電所最近的吸上線處對鋼軌進行接地能夠有效降低地回流，當接地電阻為0.88 Ω時，相對于不進行接地時地回流減小了58 A，降低地回流效率達到了25.3%，效果明顯，但當接地電阻為4.95 Ω時，相對于不進行接地時地回流僅減小了9 A，降低地回流效率僅為3.9%，若接地電阻值繼續增大，在距離牽引變電所最近的吸上線處對鋼軌進行接地對降低地回流的效果可以忽略。

同時，由于距離牽引變電所最近的吸上線處對鋼軌電位與牽引變電所變壓器中性點電位接近，因此，地回流的減小能夠有效降低牽引變電所變壓器中性點電位，從而降低了距離牽引變電所最近的吸上線處鋼軌電位。

3 結論

通過仿真分析，得到了不同因素影響地軌回流比重的規律:1)機車與牽引變電所距離的增大，以及道床電阻率的增大，均會使地回流在總回流中的占比上升；相反，牽引變電所地網電阻的增大會使地回流的占比降低。2)通過分析得出上述規律，提出了減小地回流的方法，該方法通過在牽引變電所附近的鋼軌進行接地，能夠有效地降低地回流，增大軌回流，最后通過CDEGS軟件對所提出的方法進行了仿真，驗證了該方法的有效性。