電氣化鐵道牽引回流的分析

1、關于電氣化鐵道牽引回流的分析隨著鐵路向高速重載方向發(fā)展，牽引電流越來越大，牽引回流值也相應增加，再加上多采用整體道床，鋼軌-大地之間的泄漏電阻高，造成鋼軌電位比既有的電氣化鐵路高得多。本文主要分析了各種供電方式下的牽引回流以及產(chǎn)生的影響，同時簡要的提出了解決的建議。一、牽引回流和鋼軌電位產(chǎn)生的不利影響鋼軌是牽引回流的通道，也是軌道電路中信號電流的通道，由于牽引回流值增加，軌道電路信號設備、道床結(jié)構(gòu)等均受到影響，并可能導致過高的鋼軌電位損傷信號設備絕緣，而危協(xié)行車安全。不平衡的鋼軌電流影響軌道電路正常工作；大量地中電流也會在信號設備尤其是電纜上積蓄電勢，影響信號設備正常工作；過高的鋼軌電位影響供

2、電系統(tǒng)的運行性能，威脅車站旅客和維修人員安全；出現(xiàn)接觸網(wǎng)-鋼軌短路時，形成危險的接觸電壓和跨步電壓等。如果在走行軌附近埋有地下管道、電纜和其他金屬構(gòu)件時，一部分雜散電流就會從上面流過。會對地下管道和其他金屬構(gòu)件造成嚴重腐蝕。二、 交流牽引供電系統(tǒng)的供電回流方式交流牽引供電系統(tǒng)是交流電氣化鐵路從電力系統(tǒng)接引電源，降壓轉(zhuǎn)換后給電力機車供電的電力網(wǎng)絡。我國交流電氣化鐵道采用工頻單相交流制。接觸網(wǎng)架在鐵路上方，機車受電弓與其摩擦受電；鋼軌既支持列車運行，又是導線，由于鋼軌與大地沒有絕緣，鋼軌、大地一起接受機車的牽引回流；回流線把鋼軌、大地中的牽引回流引入牽引變電所的主變壓器。1、牽引網(wǎng)的供電方式牽引網(wǎng)

3、的供電方式是由牽引網(wǎng)所完成的特殊輸電功能的技術要求和經(jīng)濟性能所決定的，按分區(qū)所的運行狀態(tài)，通常分單邊供電、雙邊供電兩種方式。我國現(xiàn)行的都是單邊供電。按牽引網(wǎng)設備類型可分為直接供電(DF)方式、帶回流線的直接供電(DN)方式、吸流變壓器(BT)供電方式、自耦變壓器(AT)供電方式和同軸電纜力電纜(CC)供電方式等。同軸電纜力電纜供電方式在我國尚未采用。(1)直接供電方式這是一種最簡單的供電方式，牽引網(wǎng)僅由接觸網(wǎng)、鋼軌(地)、吸上線組成，如圖所示。直接供電方式鋼軌、大地中的電流較大，對鄰近通信線路的干擾也較大。隨著電氣化鐵路和通訊的發(fā)展，電磁干擾問題變得嚴重，于是在接觸網(wǎng)上采用不同的防護措施，便產(chǎn)

4、生了不同的供電方式。(2)BT供電方式BT供電方式即吸流變壓器供電方式，有兩種形式：有回流線形式和無回流線形式，分別如圖所示。BT都是串入接觸網(wǎng)的，間隔為1.5-4km，用于吸回地中電流，減少通信干擾。我國采用的BT供電方式都是BT-回流線方式，而英國、法國、瑞典兩種方式都有應用，挪威只用BT-鋼軌方式。BT供電方式(BT-回流線方式)BT供電方式(BT-鋼軌方式)BT區(qū)段因為有吸流變壓器“強迫”鋼軌、大地中的電流經(jīng)由回流線流回牽引變電所，鋼軌和大地中的電流很小，大大減輕了對通信線路的干擾。BT供電方式增加了接觸網(wǎng)的復雜性，提高了造價，因接觸網(wǎng)中串聯(lián)了吸流變壓器，牽引網(wǎng)阻抗變大，接觸網(wǎng)末端電壓

5、下降較快，供電臂長度將減小，約為直接供電方式的3/4。另外，因為存在火花間隙，所以不利于高速、重載等大電流運行。因此，BT供電方式近年來在新建線路已不再采用。(3)帶回流線的直接供電方式這種供電方式是BT-回流線供電方式的簡化形式，也可以看成是直接供電方式的改進形式?；亓骶€與接觸網(wǎng)同桿設置，一般在接觸網(wǎng)上方或者外側(cè)偏上架設?；亓骶€與鋼軌間的橫連線間隔可視具體情況確定，一般可按1.5-5km設置。如圖所示。帶回流線的直接供電方式帶回流線的直接供電方式能使鋼軌電位大為降低，對通訊干擾有較好的抑制作用，其效果與回流線的布置方式、根數(shù)，橫連線的間隔及有無串聯(lián)補償有關。帶回流線的直接供電方式由于沒有吸流

6、變壓器，降低了牽引網(wǎng)的阻抗，使供電臂延長約30%，同時回流線斷線不會影響正常供電，這與BT供電方式不同。研究和實踐表明，這是一種有前途的供電方式，應用也較為廣泛。(4)AT供電方式自耦變壓器供電方式簡稱為AT供電方式，由自耦變壓器、正饋線、接觸網(wǎng)、保護線和鋼軌組成。這種供電方式能迫使大部分牽引回流由正饋線和鋼軌流回牽引變電所。如圖所示。AT供電方式AT供電方式牽引變電所輸出電壓為55kV，經(jīng)自耦變壓器向接觸網(wǎng)供電，一端接正饋線，一端接接觸網(wǎng)，中點抽頭與鋼軌相連。AT并聯(lián)于牽引網(wǎng)中，不僅克服了BT串入接觸網(wǎng)中產(chǎn)生BT分段的缺陷，還使供電電壓成倍提高，牽引網(wǎng)阻抗較小，供電距離長，約為直接供電方式的

7、170%-200%，接觸網(wǎng)電壓損失和電能損失都小，因此，AT供電方式是一種適合高速、重載等大電流運行的牽引供電方式。三、高速鐵路供電回流系統(tǒng)的特點1、對于高速鐵路，主要有以下幾點和常速鐵路不同(1)列車牽引電流大。目前我國大功率韶山4型電力機車，最大牽引電流約為380A，而16輛編組的動車組的牽引電流可達1000A。(2)牽引網(wǎng)短路電流大。高速鐵路牽引變電所一般從電力系統(tǒng)220kV輸電線受電，供電系統(tǒng)三相短路電流容量大，最大可超過10000MVA，可以認為牽引變電所接無窮大電源。對于額定容量50MVA，阻抗電壓百分數(shù)為10.5的單相變壓器，當變電所出口發(fā)生牽引網(wǎng)短路時，穩(wěn)態(tài)短路電流可達18kA

8、，變壓器容量增大時，短路電流也相應增大。(3)鋼軌對地泄露電阻大。高速鐵路高架區(qū)段多，通常采用無砟軌道整體道床，鋼軌泄漏電阻大；由于列車速度高，機車車輛車輪對鋼軌沖擊力大，因而，鋼軌與軌枕間的墊板一般加厚，該墊板在電氣上屬于絕緣材料；另外，信號專業(yè)要利用軌道電路傳輸列車控制信號，也要求兩軌之間及軌對地間有好的絕緣。這些因素導致鋼軌對地泄露電阻很大。2、以上因素致使高速鐵路的牽引回流比常速鐵路大得多，鋼軌電位也高得多，產(chǎn)生了很多危害，主要有：(1)在車站站臺上，乘客上下列車時，可能遭受電擊或產(chǎn)生電麻感覺。(2)可能造成沿線維修人員的觸電事故。(3)容易引起同軌道相連的信號設備的功能不良或故障。(

9、4)會加速鋼軌和軌枕之間絕緣墊板的老化，甚至燒毀。(5)兩條鋼軌之間容易產(chǎn)生大的不平衡電流，影響軌道電路正常工作。因此，對于高速鐵路，必須采取適當?shù)募夹g措施減小軌道電流，降低鋼軌電位。在牽引供電系統(tǒng)中，牽引電流從變電所流出，經(jīng)饋電線、接觸網(wǎng)供給機車，然后牽引電流沿鋼軌、大地和回流線回到變電所。牽引網(wǎng)電路模型可被簡化等效成接觸網(wǎng)與大地形成一個回路，軌道與大地形成另一個回路。如圖所示。牽引網(wǎng)分成兩個回路的情形軌道泄漏電阻對鋼軌電位影響較大，鋼軌電位隨著泄漏電阻的增大而增大，因此降低鋼軌泄漏電阻能達到降低鋼軌電位的目的。然而，高速客運專線廣泛采用無砟軌道，并且我國客運專線高架區(qū)段多，這使得減小鋼軌泄

10、漏電阻變得很難，需要通過其他措施降低鋼軌電位。通過對不同情況下鋼軌電位的分析可以得到以下結(jié)論：(1)在機車正常運行時，不設綜合地線，鋼軌電位最大值已經(jīng)接近200V，超過了安全標準值；設置綜合地線后，鋼軌電位最大值不到50V，鋼軌電位明顯下降，說明綜合地線能有效地降低鋼軌電位。(2)在接觸網(wǎng)-鋼軌發(fā)生短路時，不設綜合地線，鋼軌電位將達到2000V；設置綜合地線后，鋼軌電位明顯降低。但在這種故障情況下，對于軌道附近的人員，接觸鋼軌和路基上的設備，都是危險的。(3)在接觸網(wǎng)-鋼軌短路情況下，在牽引變電所附近3km范圍內(nèi)，鋼軌電位比其他位置高很多，因為短路電流大部分由此處流入鋼軌，然后進入變電所接地系

11、統(tǒng)。所以變電所附近是防護鋼軌電位的重點區(qū)域，可以在變電所附近車站站臺表面實施絕緣。(4)在沒有設置綜合地線時，鋼軌泄漏電阻對鋼軌電位的影響比較大，減小泄漏電阻可以起到降低鋼軌電位的作用；設置綜合地線后，雖然泄漏電阻相差很大，但是鋼軌電位變化不大。這說明在設置綜合地線后，泄漏電阻對鋼軌電位的影響不大。因此，在無砟軌道高架區(qū)段等鋼軌泄漏電阻大的區(qū)段設置綜合接地系統(tǒng)是非常必要的。四、降低鋼軌電位的措施在高速鐵路上，牽引網(wǎng)的綜合接地系統(tǒng)通常采用上下行軌道各設置一根綜合貫通地線，就可以滿足設計要求，鋼軌、保護線每隔1.5km與綜合地線相連接。高速鐵路設計時速在300-350km/h時，綜合貫通地線橫截面

12、面積不小于70mm2；設計時速為200-250km/h時，綜合貫通地線的截面面積可選為35-50 mm2 ，才能滿足綜合地線接地電阻1的要求。在綜合接地系統(tǒng)中，綜合地線在變電所、開閉所、AT所、分區(qū)所和配電所位置應與地網(wǎng)可靠連接，這樣綜合地線就為鐵路沿線的電氣設備和欄桿等提供了可靠的接地措施。軌道接地在完全連接處實現(xiàn)，由于軌道電路斷軌檢測的需要，橫向連接線的間距一般為1.5km。在車站附近，考慮軌道電路因素，橫向連接線間距可以減小到600m。為減小短路情況下保護線的電位，可以將保護線和綜合地線每隔300-500m橫線連接，這樣可以將保護線安全接地。在高速鐵路牽引供電系統(tǒng)中，設計時需要首先計算出

13、供電臂范圍內(nèi)正常運行和短路故障時鋼軌電位，結(jié)合安全接地標準，對綜合接地系統(tǒng)進行設計和修正，以保證人員和設備的安全。從本質(zhì)上講，降低鋼軌電位就是要降低回流路徑縱向阻抗、降低鋼軌對大地的泄漏電阻和增強回流網(wǎng)絡與供電網(wǎng)絡之間的電磁耦合。概括起來，降低鋼軌電位的措施主要有以下幾種：(1)設置綜合地線。綜合地線可以有效降低鋼軌電位。(2)將上下行鋼軌充分橫向連接。對于復現(xiàn)或多線鐵路，可以通過將不同軌道的鋼軌進行橫向連接，從而減小鋼軌阻抗。(3)對AT供電方式的牽引網(wǎng)，需加保護線（PW），曾設CPW線。由于PW線是與鋼軌并聯(lián)的，充分利用它的分流作用，能夠減小整個回流網(wǎng)絡的串聯(lián)阻抗。對帶回流線的直接供電方式牽引網(wǎng)，增設吸上線。(4)利用接