AT供電方式下土壤電阻率對牽引變電所地網電位影響研究

黃 文，楊雪凇，楊 佳，李朝陽，祝幼強

0 引言

牽引負荷（即動車組、電力機車）的回流與牽引網供電方式有關，自耦變壓器（AT）供電方式下保護線（PW）、鋼軌、綜合地線（IGL）和大地是4個主要的回流路徑。在交流牽引網中，牽引變電所通過接觸網將電能輸送到電力機車，再通過牽引回流系統返回至變電所，形成一個閉合的能量循環體系。回流過程中，因為鋼軌、綜合地線等接地導體與大地之間存在泄漏電導，一部分電流會泄入大地，形成地中回流[1，2]。通過鋼軌的回流則會產生一定的鋼軌電位。

基于此，本文通過分析AT回流網分流系數與鋼軌電位關系，得到影響鋼軌電位的相應電氣參數，考慮地回流分量，以回流網分流系數作為鋼軌電位評價指標，為建立回流系統評估體系奠定基礎。

1 牽引變電所回流分布

牽引回流與牽引網供電方式有關，AT供電方式下的回流系統較為復雜，目前我國高速鐵路及客運專線均采用綜合接地技術，加大了回流系統結構 復雜性。接入綜合接地的AT回流系統中，回流路徑不僅包括鋼軌和大地，還包括與鋼軌緊密并聯的保護線、綜合地線（作為鋼軌回流的分支部分），共同構成線路上的回流系統。完整的AT供電回流接地系統如圖1所示。

圖1 AT供電回流接地系統

在電流返回牽引變電所的過程中，存在各回路導體中的回流分配問題，文獻[3]已詳述了AT供電方式下牽引回流在線路中的分配，并通過分流系數進行對比分析。由于線路中存在大地回流，在牽引變電所內將會存在大地電流返回牽引變壓器的過程。牽引變壓器低壓側接地端同時與鋼軌和所內地網相連，導致變電所附近大地回流路徑產生分流，由于鋼軌對地泄漏電導的存在，部分大地電流會返回鋼軌后再流向牽引變壓器，而另一部分大地電流經牽引變電所內接地網流回牽引變壓器低壓側接地端，這也是地網電位產生的原因。返回的牽引電流在牽引變電所內匯集在集中接地箱，箱中設置有地回流和軌回流等接線端。

2 分流系數與地網電位

分流系數的概念通常應用于電力系統短路計算中，分流系數的合理選擇是接地系統安全設計的基礎[4]。計算分流系數是研究地網電位抬升（GPR）問題的方法之一。通常鐵路牽引變電所的接地設計以接地電阻Rjd≤0.5 Ω為設計標準，該標準未考慮地網中實際流通的電流，忽略了地網通流能力及地表電位的安全要求，因此并不合理，設計應以地電位滿足安全要求為標準。對于牽引變電所，由于地網中實際流通的電流并非總牽引電流，分流系數可較好地反映所內回流各支路電流與總電流間的關系，簡單有效地反映地網電位，因此可通過分析接地參數與分流系數之間的定量關系，進而獲得參數與地網電位之間的定量關系，提高分析結果的工程參考價值。

根據分流系數定義，支路分流系數為支路電流Ii(i=1,2,…,n)比總電流Ik，可得回流系統第i個支路的分流系數ni：

其中，Ui為第i個支路的電壓，在回流系統中，回流導體均與鋼軌完全并聯，每條支路的電壓均相等。同理，在變電所處大地電流分支兩端電壓也相等，即U1=U2=…=Un=U，因此ni=ZkΣ/Zi，即回流接地系統的分流系數可按阻抗比定義，支路分流系數等于網絡等值阻抗與該支路的轉移阻抗之比，并且滿足

文獻[3]已推導出回流系統線路的分流系數

回流網線路支路分流系數關系為

由牽引變電所內的回流分布原理，總的牽引回流并不全部經過接地網，而是有一部分通過軌回流返回，分流的實質是依據鋼軌特性阻抗Zo與接地網等效電阻Re的關系，變電所內的分流使得流過接地網的電流減小，在一定程度上減小了地網電位。

所內軌回支路與地回支路的分流系數為

其中：nrh、ndh分別為變電所內鋼軌回流、大地回流的分流系數；ng-r、ng-d分別為綜合地線對鋼軌、綜合地線對大地的分流系數。

由式（3）可知nd=ng-r+ng-d，則可推得

滿足式（2）定義。

由阻抗關系可推出

其中：Re為接地網等效電阻。該式同樣驗證了nrh+ndh= 1。

由式（3）、式（5）和式（7）推出

上式表示地中電流在牽引變電所內經鋼軌回流和接地網回流的分配關系。

文獻[5]對接地網等效電阻的定義：

其中：ρ為土壤電阻率，Ω·m；S為地網面積，m2；L為接地極總長度，m；h為接地網埋深（一般為0.8或0.6 m），m；d為接地極直徑，m。

考慮接地網網孔個數和垂直接地極對接地網等效電阻的影響，式（9）可改寫為

其中：n、m分別表示接地網網孔的行數和列數；a、b分別表示網孔的長度和寬度，m，接地網總長度A為am，總寬度B為bn；c為單個垂直接地極長度，m；k為垂直接地極個數。因此，nm即為接地網網孔總個數，接地網面積S=A·B。

由式（10）可知，接地網等效電阻主要受土壤狀況、地網面積、網孔分布等因素影響，這些因素進而會影響牽引變電所內的分流系數及地網電位。

根據式（2）和式（5）牽引變電所地回流分布規律可知

其中：Idh、Ig-d分別表示變電所內接地網的回流和地中電流分流到接地網的回流。

將式（8）和式（10）代入式（11）可得牽引變電所內匯集到接地網中的電流。接地網電位即為

3 土壤電阻率對分流系數及地網電位影響

直接供電方式下的回流系統較簡單，僅由鋼軌和大地組成，鋼軌電位往往較高。AT供電方式在引入綜合接地技術后，其回流系統不僅包括鋼軌、綜合地線、PW、CPW，還增設了綜合地線與鋼軌的橫向連接線、上下行鋼軌橫向連接線等，大大降低鋼軌電位，成為降低鋼軌電位的良好措施[6]。圖2所示為增加降低鋼軌電位措施后的回流系統結構。

由上節推導可知影響分流系數的因素為鋼軌漏導、地線漏導和橫聯間隔，通過分流系數與地網電位關系，可對土壤電阻率與地網電位降低效果之間的關系進行研究。

圖2 增加降低鋼軌電位措施后的回流系統

3.1 土壤電阻率對分流系數的影響

鋼軌作為回流系統的接地導體，其泄漏電導對分流系數的影響體現在接地導體的阻抗模型中，回流系統分流系數隨鋼軌漏導變化如圖3所示。

圖3 分流系數與土壤電阻率關系

通過圖3可以看出，大地的土壤電阻率通常在10～103Ω·m的范圍內不等。牽引變電所內通常從人員及設備接地安全的角度出發，靠近上層地面的土壤電阻率非常大，幾乎達到完全絕緣；而為了降低接地電阻，減小接觸電勢和跨步電壓，下層地面土壤電阻率會相對較低，使得土壤電阻率在所內分布不均。由圖3可知，地回流分流系數隨土壤電阻率的增大而逐漸減小，軌回流分流系數隨土壤電阻率的增大而逐漸增大，且土壤電阻率在780 Ω·m附近時地回流和軌回流達到各占一半。牽引變電所處地回流與軌回流的分流系數并非一成不變，例如冰霜雨雪天氣可能降低土壤電阻率，則地回流將遠大于軌回流。該結論也可以很好地解釋同一高鐵線路某一牽引變電所分流情況不固定的現象。

3.2 土壤電阻率對地網電位的影響

牽引變電所地網電位隨土壤電阻率變化如圖4所示。

由圖4可知，牽引變電所地網電位受土壤電阻率影響較大。當不考慮所內分流時，地網電位隨土壤電阻率增大而呈線性提升，當考慮所內分流時，地網電位隨土壤電阻率增大而呈現略微凸起的非線性關系，這是因為所內土壤電阻率在影響地網接地電阻的同時，也對鋼軌對地泄漏電導產生了影響。隨著土壤電阻率發生變化，地中回流路徑的電流分配取決于回流導體與土壤的耦合情況。而地網電位也將同時受到地回分流與接地電阻的影響。

圖4 地網電位隨土壤電阻率變化曲線

4 結論

本文給出了以阻抗比定義的牽引回流系統分流系數，通過工程設計中的典型參數分析了分流系數及地網電位的影響因素，得出如下結論：

（1）分流系數可較好反映回流網任意支路電流與牽引總電流間的關系，進而可簡單有效地反映地網電位。

（2）大土壤電阻率將導致地網的回流減小，在一定程度上使地網電位較不分流時低。