直供方式下影響鋼軌電位分布的因素研究

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)

相較于普速鐵路，電氣化鐵路在高速區段需要更大的牽引負荷，從而需要增大牽引電流來提供牽引能量[1-3]，牽引功率的提升增大了鋼軌對地泄流，從而影響到信號系統的外部電磁環境，如更為嚴重的電磁干擾(EMI)等。功耗低、靈敏度高是基于微電子技術的信號系統具有的特征，其信號系統的信號電平以及工作電流均較小，因此抗電磁干擾能力相對較弱。當鐵路牽引供電系統給機車供電時，牽引電流會通過機車流向鋼軌，鋼軌對地泄流時會產生鋼軌對地電位差，一般將該電位差稱為鋼軌電位。因此，若增大牽引電流，鋼軌對地泄流也會同時增大，從而使得鋼軌電位升高，鋼軌附近的信號設備甚至工作人員的生命安全均會在鋼軌電位升高時受到威脅，尤其是與軌道存在連接的信號設備，在泄漏電流過大而造成的鋼軌電位過高時極有可能出現功能不良或故障的情況，鋼軌對地泄流增大同時會腐蝕鋼軌與軌枕間絕緣墊板，使鋼軌與軌枕間絕緣能力降低，鋼軌泄漏電流進一步增大就會造成牽引回流發生異常[4-6]。鋼軌是牽引電流回流牽引變電所的關鍵路徑，但鋼軌電流過大又會造成鋼軌電位升高，若不能將鋼軌電位值控制在安全范圍內，將會影響行車安全。因此，為了抑制鋼軌電位升高并保證鋼軌電位在安全范圍內，迫切需要科研工作者研究出有效的技術措施、合適的降電位方案，否則過高的鋼軌電位會使機車的運行存在安全隱患。

1 鐵路牽引供電系統仿真模型的建立

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模塊進行仿真建模以及設定參數，模型具體的建立方法將在下面進行詳細敘述。

1)輸入模塊的選擇 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，因此可采用CDEGS中的輸入模塊HIFREQ進行仿真建模。

2)參數的設置及模型的建立 HIFREQ模塊內設為3個部分:計算、土壤類型、系統設置。

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。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。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：1)在仿真模型中共設有2根長度為50 km的水平鋼軌；2)回流線設置在鋼軌上方8 m處，長度與鋼軌相同；3)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；4)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；5)將牽引變壓器等效成27.5 kV的交流電壓源；6)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；7)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。仿真模型中的吸上線坐標見表1，牽引站A的位置設置在x坐標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

圖2 鐵路供電仿真模型中部分區域示意圖

2 影響鋼軌電位分布規律的因素研究

鋼軌電位過高會造成信號設備損壞以及危及線路維護人員和旅客的人身安全，因此需要對降低鋼軌電位的方法進行探究，為了能夠更有針對性的探究降低鋼軌電位的方法，不僅需要了解鋼軌電位的形成機理，同時有必要對影響鋼軌電位分布的因素進行深入研究，為此，本節分別討論了機車與牽引變電所距離、吸上線的距離、機車在吸上線之間的相對位置、鋼軌對地泄流以及牽引站地網電阻大小對鋼軌電位分布影響。

2.1 機車距離牽引變電站的距離對鋼軌電位的影響

在整個鐵路牽引回流系統中，牽引電流通過機車傳輸給鋼軌，一部分鋼軌電流通過道床層向大地泄流，另一部分鋼軌電流通過吸上線傳輸給回流線，因此機車可以看作是電流源激勵，并向鐵路系統注入電流。而牽引變電所的牽引變壓器為整個牽引網供電，由基爾霍夫電流定律得，注入機車的牽引電流最終將在牽引變電所的牽引變壓器處回流，因此牽引變壓器也可看做引流點或回流點。其中機車的位置是變化的，那么注流點與回流點的距離也在發生變化，為了探究鐵路牽引供電系統中注流點和回流點的距離變化對鋼軌電位分布的影響，仿真計算以牽引變電所位置設為坐標原點，總共設置了6種機車與牽引站的距離，為了避免吸上線造成的影響，機車位置設定在相鄰兩根吸上線的中心點處，分別為3800 m、6300 m、9100 m、13 700 m、16 800 m、19 000 m處，仿真模型見圖1。

仿真模型中的導體參數見表3，土壤分層見表2，地網接地電阻設為0.44 Ω，若無特殊說明，仿真所用參數以及土壤分層情況以表2和表3為準。6組機車與牽引變電所不同位置時的鋼軌電位分布如圖2所示。其中，為了便于分析，鋼軌在各個位置的電位均為有效值，并沒有考慮參考方向。若無特殊說明，后續仿真所得鋼軌電流分布曲線、鋼軌電位分布曲線上的電流值以及電位值均代表有效值。

從圖3圖4可以看出，機車與牽引變電所的距離增大時，鋼軌最大對地電位逐步升高，當機車與牽引變電所的距離增大到6000～8000 m時，最大鋼軌電位達到最大值，隨著機車與牽引變電所的距離繼續增大，鋼軌的最大電位卻呈現出減小的趨勢，當機車與牽引變電所的距離增大到14 000 m時，鋼軌的最大電位又呈現出上升趨勢。

圖3 機車與牽引變電所在不同距離時的鋼軌電位分布

圖4 機車與牽引變電所在不同距離時的鋼軌電流分布

牽引變電所附近最大鋼軌電位隨著機車與牽引變電所距離的增加而增大，但隨著機車與牽引變電所的距離進一步增大，牽引變電所附近最大鋼軌電位趨于飽和。

當機車與牽引變電所的距離為4000～9000 m時，鋼軌最大電流隨著機車與牽引變電所距離的增大而減小，當機車與牽引變電所的距離為15 000～20 000 m時，鋼軌最大電流又開始隨著機車與牽引變電所距離的增大而增大。

2.2 吸上線間距對鋼軌電位分布的影響

為了解釋2.1節中，機車距牽引變電所6300 m以及9100 m時最大鋼軌電位高于其它位置的原因，對吸上線間距對鋼軌電位分布的影響進行探討，由于仿真模型是參照C線建立的，因此每根吸上線的相對位置也是按照C線所給坐標建立的，由表1可知，機車距牽引變電所6300 m處是x坐標為4817 m與x坐標為7892 m的兩根吸上線的中心位置，機車距牽引變電所9100 m處是x坐標為7892 m與x坐標為10 333 m兩根吸上線的中心位置，可以發現，這3根吸上線之間的兩段間距分別為3075 m和2441 m，相比于其它吸上線之間的間距較大。

為了探究吸上線的距離是否會影響到最大鋼軌電位值，本節對距x坐標為0的牽引變電所2000～10 000 m處的吸上線位置進行了重新設定，將相鄰兩根吸上線的距離縮短到了約1500 m，設定結果見表4，其它吸上線的位置以及參數均不變，在新的吸上線位置下，分別將機車設置在3200 m、4800 m、6300 m、7750 m、9300 m處，機車位置均為相鄰兩根吸上線之間的中心，同時還將2.1節中機車設置在3800 m、6300 m、9100 m處的鋼軌電位分布與吸上線位置改變后的模型進行比較，道床層電阻率設為63 000 Ω·m，土壤電阻率設為200 Ω·m。

表4 更改吸上線坐標參數后的吸上線坐標

表5 原模型中的吸上線坐標

由圖5可知，當把吸上線之間的距離縮短以后，列車位于相鄰兩根吸上線中心處時，最大鋼軌電位滿足隨機車與牽引變電所的距離增大而增大的規律。同時，在不改變原模型吸上線的位置的計算結果中，根據圖6可以看出，在不改變吸上線位置的情況下，機車在3800 m處的鋼軌最大對地電位比吸上線位置變化后機車在3200 m以及4800 m時的鋼軌最大對地電位均大；機車位置同為6300 m時，若相鄰吸上線距離為1400 m，鋼軌最大對地電位為1049 V，而相鄰吸上線的距離為3075 m，鋼軌最大對地電位為1320 V，相比相鄰吸上線距離為1400 m時升高20.5%；機車位置為9300 m時，相鄰兩根吸上線距離為1741 m，鋼軌最大對地電位為1180 V，機車位置在9100 m時，相鄰兩根吸上線的距離為2441 m，鋼軌最大對地電位為1325 V，相比機車位置為9300 m，相鄰兩根吸上線距離為1741 m時的最大鋼軌電位升高10.94%，由此可以看出，相鄰兩根吸上線的距離相差越大，機車通過相鄰兩根吸上線中心點時的鋼軌對地電位越高。

圖5 機車與牽引變電所在不同距離時的鋼軌電位分布

圖6 機車與牽引變電所在不同距離時的鋼軌電位分布

2.3 機車在吸上線之間的不同位置時的鋼軌電位分布

為了進一步探究機車位于吸上線之間各個位置時的鋼軌電位分布情況，特取x坐標為17 928 m和20 475 m的兩根吸上線，并將機車位置分別設置在17 930 m、18 500 m、19 000 m、19 500 m、20 000 m、20 475 m處。

由圖7可以看出，在17 928 m和20 475 m的兩根吸上線之間機車位置發生變化時，對牽引變電所附近的鋼軌對地電位幾乎不產生影響，但由圖8可以看出，機車位于兩根吸上線之間的中心位置時，鋼軌的最大對地電位較機車靠近吸上線時較大，而機車在吸上線處時的鋼軌最大對地電位最小，17 928～20 475 m區間內最大鋼軌對地電位的差值達到了425 V，因此吸上線之間鋼軌的位置對鋼軌對地電位升的影響不可忽略，這是由于機車在相鄰吸上線的中心位置時，牽引電流不能直接通過吸上線分給回流線，會導致機車附近電流較大，從而導致鋼軌電位差增大，而機車靠近吸上線處時，鋼軌電流能夠盡快通過吸上線傳給回流線，因此機車附近電流在吸上線處會明顯降低，從而保證了鋼軌電位下降速度減慢，因此在實際工程設計中需要考慮機車在吸上線之間的位置發生變化時對最大鋼軌電位的影響。

圖7 機車在相鄰吸上線之間不同距離時的鋼軌電位分布

圖8 機車在相鄰吸上線之間不同距離時的鋼軌電位分布局部放大圖

3 結論

經仿真分析，通過遞進的方式得到了3種因素對鋼軌電位的影響規律以及各因素之間的關系，并為抑制鋼軌電位的方法提供了思考方向。

1)基于結論：機車在相鄰兩根吸上線中點處的鋼軌電位最大的啟發，通過在相鄰吸上線中點的鋼軌處接上接地電阻，可以在不影響且不改變吸上線位置的情況下，有效抑制鋼軌電位。

2)下一階段的重點工作之一就是在本文所建立的仿真模型基礎上，進一步設計1)中提到的抑制鋼軌最大電位的仿真模型，并驗證該方案的可行性以及得到相應的抑制效果。