電氣化鐵路直流接地極電磁影響因子研究

電氣化鐵路直流接地極電磁影響因子研究

0直流接地極對電氣化鐵路電磁影響的限制在目前的中國液體管道設(shè)計(jì)中，管道連接極為重要的設(shè)施。當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)單極大地返回運(yùn)行工況時(shí),直流接地極可將正常運(yùn)行的另一極電流導(dǎo)入地下。此時(shí),入地電流會(huì)在直流接地極周圍造成地表電位、跨步電壓升高等問題。以往在研究直流接地極對周圍環(huán)境的影響時(shí),多針對直流接地極附近的跨步電壓、轉(zhuǎn)移電壓等因素,或直流接地極對較遠(yuǎn)處交流變壓器、埋地管道的影響。在國內(nèi)文獻(xiàn)中尚較少看到直流接地極對電氣化鐵路電磁影響對象、機(jī)理、限值以及計(jì)算結(jié)果方面的文獻(xiàn),使設(shè)計(jì)工作無可依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)或文獻(xiàn)。而當(dāng)電氣化鐵路與直流接地極鄰近時(shí),直流接地極會(huì)對電氣化鐵路產(chǎn)生怎樣的影響,是需要研究的課題。本文結(jié)合電氣化鐵路的特點(diǎn)和運(yùn)行方式,分析了直流接地極對鄰近的電氣化鐵路可能產(chǎn)生的各電磁影響因子,以及適用于這些電磁影響因子的限值或標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合云南—廣東(云廣)±800kV直流輸電線路在廣東側(cè)曾預(yù)選的魚龍嶺直流接地極址,以及1.5km以外的京廣電氣化鐵路的實(shí)際參數(shù),建立了一虛擬直流接地極和電氣化鐵路的模型,計(jì)算了該虛擬直流接地極對京廣鐵路產(chǎn)生的各項(xiàng)電磁影響的程度。通過對計(jì)算結(jié)果的分析,進(jìn)一步確定了直流接地極對電氣化鐵路電磁影響應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)。1直接接插入極對電氣化路的電氣化電路電氣化電路磁強(qiáng)影響因素1.1市面上的跨步電壓鐵軌附近的跨步電壓有2類:第1類為常規(guī)的跨步電壓,即人兩腳分別站在地面相距1m的兩點(diǎn)時(shí),兩點(diǎn)之間的電位差加載到人體上產(chǎn)生的電壓,其形成的原因是電流在土壤中擴(kuò)散造成的兩點(diǎn)間電位差。這種跨步電壓在直流接地極極環(huán)附近最大,隨著場點(diǎn)到直流接地極的距離增大迅速衰減。一般情況下鐵軌距離直流接地極數(shù)km以上,跨步電壓幾乎衰減為零,不必進(jìn)行分析;第2類跨步電壓是指人一腳站在鐵軌上,另一腳站在鐵軌附近的地面時(shí),由于鐵軌與地面之間的電位差造成的跨步電壓。假設(shè)鐵軌與地面通過良好絕緣體(枕木)絕緣,鐵軌的電位近似等于無窮遠(yuǎn)處的零電位,則跨步電壓數(shù)值近似等于鐵軌附近地面的電位。從某種意義上來說,這種跨步電壓和轉(zhuǎn)移電壓有些類似。一般說來,由于有道渣電阻的存在,鐵軌與地面之間的絕緣不可能完全良好。部分電流將通過道渣電阻,以鋼軌為電流通道向較遠(yuǎn)處流動(dòng),從而抬高鋼軌處的電位,降低其與附近地面的電位差。第2類跨步電壓與土壤結(jié)構(gòu)、鋼軌參數(shù)、道渣電阻等多個(gè)因素有關(guān),需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算。1.2電纜轉(zhuǎn)移電壓的測量電氣化鐵路的鐵軌附近埋有多條信號電纜和通信電纜。通信電纜的兩端與公共機(jī)房的相應(yīng)設(shè)備連接,信號電纜的兩端與鐵軌和公共機(jī)房的相應(yīng)設(shè)備連接。在電纜正常工作時(shí),直流接地極的入地電流在電纜兩端接地點(diǎn)造成的電位抬升幅值不同,等同于在電纜芯線上加載了共模干擾。但由于通信和信號電纜均為絞線結(jié)構(gòu),只對差模信號敏感,因此正常狀態(tài)下電纜上的信號傳輸不會(huì)受到直流接地極入地電流的影響。但是,當(dāng)維修人員對電纜進(jìn)行維修時(shí),電纜的某一端接地可能被斷開,電纜芯線的電位近似等同于其接地端的電位。如果此時(shí)直流接地極有大電流入地,維修人員手部接觸到電纜,腳部站在地面,電纜上的電位和腳下土壤的地電位之間的電位差將會(huì)加載到人體上,形成轉(zhuǎn)移電壓。圖1為電纜轉(zhuǎn)移電壓示意圖。圖1中,U1表示電纜遠(yuǎn)端接地點(diǎn)電位,即維修人員站立處電纜電位,U2表示維修人員站立處的土壤電位,Uf表示二者電位差。轉(zhuǎn)移電壓大小與人的站立點(diǎn)、公共機(jī)房的位置以及這2點(diǎn)相對直流接地極的位置有關(guān)。一般來說,電纜維修的位置和公共機(jī)房到直流接地極的距離之差越大,轉(zhuǎn)移電壓越大。按照最危險(xiǎn)的情況考慮,應(yīng)考核車站處的接地裝置電位和電纜另一端的地表電位之差是否超過了限值。對于光纜,在正常工作狀態(tài)下其金屬加強(qiáng)芯具有懸浮電位,且分段絕緣,因此可不考慮轉(zhuǎn)移電壓的問題。1.3電纜芯線部分的電位當(dāng)入地電流擴(kuò)散至信號電纜和通信電纜附近時(shí),會(huì)通過電纜的接地裝置抬高電纜鎧裝的電位。而電纜芯線部分的電位則為遠(yuǎn)端接地點(diǎn)的電位。兩者之間的電位差加載到芯線與鎧裝之間的絕緣部分。當(dāng)該電位差達(dá)到一定程度和一定時(shí)間時(shí)有可能損壞該絕緣。1.4信號檢測回路電氣化鐵道是以鋼軌作為回流通道形成電流回路的。相對于牽引電流來說,2條鋼軌是并聯(lián)關(guān)系。但對于鐵路信號來說,2條鋼軌則呈現(xiàn)串聯(lián)電路的關(guān)系。由機(jī)車發(fā)出的高頻信號(數(shù)百Hz至數(shù)kHz)從一條鋼軌送出,經(jīng)由信號檢測回路,從另一條鋼軌返回。該信號經(jīng)過絕緣節(jié)時(shí),會(huì)通過互感線圈傳遞到副邊,通過信號電纜傳回車站。其示意圖如圖2所示(圖中沒有畫出相關(guān)的濾波和阻波設(shè)備,這些設(shè)備可減少50Hz牽引電流和高頻信號電流之間的干擾)。通過中點(diǎn)連接的方式,可進(jìn)一步降低牽引電流經(jīng)過絕緣節(jié)時(shí)造成的對信號電纜的干擾。但由于軌道參數(shù)的不平衡,牽引電流在2條鋼軌上并不能保證完全一致。為減小受牽引電流的干擾,信號檢測回路在設(shè)計(jì)時(shí)就已考慮能夠承受一定的干擾電流。假如鐵路附近的直流接地極有電流入地,通過阻性耦合抬高了2條鋼軌的電位,會(huì)在A點(diǎn)和B點(diǎn)之間產(chǎn)生電位差。該電位差形成的電流如果含有交變分量,將可能對信號電纜產(chǎn)生干擾。此外,直流電流還可能造成絕緣節(jié)線圈的磁化,影響其工作性能。1.5金屬導(dǎo)電的金屬導(dǎo)電牽引變壓器的低壓側(cè)通過接觸網(wǎng)向電氣化機(jī)車供電,通過鋼軌和大地返回。當(dāng)沒有機(jī)車通過時(shí),供電臂是一條一端懸空的金屬導(dǎo)體,只有對地電壓,沒有電流通過。如果在直流接地極的大電流入地時(shí)恰好有機(jī)車通過,入地電流會(huì)在機(jī)車下方鐵軌處和遠(yuǎn)端牽引變壓器處耦合出不同的電位,則該電位差會(huì)以機(jī)車—接觸網(wǎng)—變壓器副邊為通道流過直流電流,該電流會(huì)對變壓器勵(lì)磁產(chǎn)生影響,嚴(yán)重時(shí)可能引起變壓器的振動(dòng)和噪聲。1.6鐵電極的電化學(xué)特性地中直流電流對其鄰近的地下金屬管線和金屬構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生腐蝕作用。直流接地極附近金屬被腐蝕的原因可作如下解釋:如圖3所示,電流離開地下金屬物的A面時(shí),土壤中負(fù)離子移動(dòng)到金屬物表面和金屬離子相結(jié)合,同時(shí)形成電化學(xué)作用的生成物。鐵陽極與土壤的一種典型電化學(xué)反應(yīng)是Fe2++2OH-→Fe(OH)2,即生成了氫氧化亞鐵(Fe(OH2)),然后再進(jìn)一步變?yōu)闅溲趸F(Fe(OH)3),因此金屬產(chǎn)生腐蝕。在金屬的B面或陰極產(chǎn)生的另一種反應(yīng)是2e-+2H+→H2,只使金屬物周圍包上一層氫而已,并不產(chǎn)生腐蝕。從電解反應(yīng)式可以看出,電流密度越大,參與反應(yīng)的金屬離子越多,金屬的電解速度就越快。2直接接插入極對電氣化鐵路磁體的影響2.1軌道區(qū)間的道渣電阻率的確定地面跨步電壓Us的限值計(jì)算式為式中:ρs為地面的電阻率,Ω·m;Us單位為V。該式子是通過人體電阻、接觸電阻和安全電流的乘積推導(dǎo)而來。對于第2類跨步電壓,可采用同樣的方法推算出鐵軌跨步電壓Ur的限值為式中,ρr為鐵軌電阻率,Ω·m。由文獻(xiàn)可知,軌道區(qū)間的道渣主要為碎石。碎石的電阻率在5000Ω·m左右,鐵軌的電阻率可基本忽略。由式(2)可計(jì)算得直流接地極處于單極大地返回的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí),跨步電壓的限值取80V。當(dāng)直流系統(tǒng)由雙極運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O大地返回運(yùn)行時(shí),直流接地極的入地電流會(huì)有持續(xù)時(shí)間較短的暫態(tài)過程,此過程中電流峰值較大,等效頻率約為30Hz。此時(shí)應(yīng)以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的公式確定地面跨步電壓限值,即式中:t為暫態(tài)電流持續(xù)時(shí)間;ρ為腳下介質(zhì)的電阻率。對于一腳站在鋼軌,另一腳站在道床的情況,出于嚴(yán)格考慮,取ρ為鋼軌電阻率。一般直流系統(tǒng)由雙極運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O大地返回運(yùn)行時(shí)的電流暫態(tài)過程的持續(xù)時(shí)間≤0.05s,代入式(3)中,可計(jì)算得由雙極運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O大地返回運(yùn)行時(shí)的暫態(tài)過程中跨步電壓限值為778V。2.2其他行業(yè)的轉(zhuǎn)移電壓對信號電纜和通信電纜轉(zhuǎn)移電壓的規(guī)定,主要是為保證人的正?；顒?dòng)不受影響而制定。國家標(biāo)準(zhǔn)針對人正?；顒?dòng)能承受的電壓制定了如下限值:在干燥的情況下≤70V,在潮濕情況下≤35V。GB6830-1986規(guī)定“強(qiáng)電線路正常運(yùn)行狀態(tài)下,通信導(dǎo)線上的縱電動(dòng)勢容許值為60V”。此外,其他行業(yè)均有類似的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對轉(zhuǎn)移電壓進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)定。例如電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)針對直流接地極造成的信號線路轉(zhuǎn)移電壓提出了60V的限值。德國Afk第3號《對高壓交流設(shè)備和交流電鐵路設(shè)備和影響范圍內(nèi)管道在敷設(shè)和運(yùn)行方面應(yīng)采取的措施》和德國鐵道、德國郵政、德國電站聯(lián)盟的設(shè)備間干擾問題仲裁機(jī)構(gòu)提出,在沒有任何防護(hù)措施的情況下,管道交流感應(yīng)電壓的允許值為65V。國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)(CCITT)也提出在沒有防護(hù)措施的情況下,干擾電壓可達(dá)60V,并建議如果已采用了必要的特別的安全措施,例如對人體可能接觸的任何帶有感應(yīng)電壓的設(shè)備,事先作出危險(xiǎn)的標(biāo)志,或者在電纜兩端均裝設(shè)放電管作為防雷措施,則危險(xiǎn)電壓的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)放寬到150V。參考這些標(biāo)準(zhǔn),我國鐵道部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T2832-1997中規(guī)定影響容許值為60V。轉(zhuǎn)移電壓應(yīng)根據(jù)各行業(yè)的特殊情況制定。綜合各類標(biāo)準(zhǔn),直流接地極對信號和通信電纜造成的轉(zhuǎn)移電壓推薦以60V為限值。2.3直流線路優(yōu)化組合電纜的線芯耐壓水平與線芯之間電壓的類型和作用時(shí)間有關(guān)。一般來說,直流耐壓水平比交流耐壓水平略高,另外,電壓作用時(shí)間越長,耐壓水平越低。鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,鋁護(hù)套鐵路信號電纜線芯對地的工頻耐壓水平為3000V(3s)和1800V(2min);國家標(biāo)準(zhǔn)中對通信電纜規(guī)定的直流耐壓水平為6000V(3s)和3000V(1min),同時(shí)規(guī)定對于無遠(yuǎn)距離供電的電纜線路,電纜芯線上的縱電動(dòng)勢容許值為電纜直流試驗(yàn)電壓的60%,即3600V(3s)和1800V(1min)。這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是通過恒定電壓波形進(jìn)行電纜耐壓試驗(yàn)確定的。目前國內(nèi)外尚沒有直流線路由雙極運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O大地返回運(yùn)行時(shí)的電壓波形下的電纜耐壓試驗(yàn)數(shù)據(jù),但根據(jù)這種電流波形特點(diǎn)可確定本工程的鐵路電纜芯線對地電壓限值。根據(jù)國內(nèi)外直流輸電線路接地故障記錄資料,接地短路故障初始最大短路電流的等效頻率約為30Hz,其持續(xù)時(shí)間約為0.01~0.045s。從其頻率和作用時(shí)間來看,直流輸電工程發(fā)生短路時(shí),鐵路信號電纜和通信電纜線芯對地電壓允許值應(yīng)比1800V高許多。出于嚴(yán)格考慮,本研究仍采用1800V作為鋁護(hù)套鐵路信號電纜和通信電纜線芯對地電壓限值。2.4信號回路分離器的二次側(cè)鐵道信號裝置的發(fā)送電壓為60~100V,接收電壓信號約幾百mV~幾V。信號裝置的接收信號端口會(huì)接收到由不平衡電流產(chǎn)生的干擾電壓,根據(jù)鐵道部門要求,要使軌道電路正常工作,在電化區(qū)段,兩軌間的干擾電壓不得>5V。實(shí)際上,直流接地極入地電流造成的鐵道兩軌間不平衡電流,在穩(wěn)態(tài)過程中主要是直流分量,不會(huì)耦合到信號回路接收器的二次側(cè)。直流系統(tǒng)單極閉鎖故障暫態(tài)過程中的入地電流雖然有交流分量存在,但是作用時(shí)間很短,小于信號接收器的延時(shí)時(shí)間,因此一般不會(huì)耦合到信號接收器的二次側(cè)。但出于保守考慮,本文仍然對該項(xiàng)電磁環(huán)境因子進(jìn)行計(jì)算。2.5試驗(yàn)數(shù)據(jù)的初步質(zhì)量分析目前尚沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對變壓器允許通過的直流電流進(jìn)行規(guī)定。GECALSTHOM,MITSUBISHI公司和沈陽、保定、西安變壓器等部分廠家提供的參數(shù)如表1所示。由表1看來,各廠家提供的數(shù)據(jù)各不相同,而且都沒有確鑿的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和充分的科學(xué)依據(jù),但基本都控制在數(shù)A以內(nèi)。牽引變壓器不同于普通電力變壓器,由于經(jīng)常處在小電流(供電臂內(nèi)沒有機(jī)車)和大電流(供電臂內(nèi)有機(jī)車)的轉(zhuǎn)換過程中,其工作電流自身就帶有豐富的諧波,牽引變壓器的設(shè)計(jì)已經(jīng)考慮了諧波的干擾,因此可估測其抗直流偏磁能力應(yīng)大于普通電力變壓器。2.6上地殼以及金屬構(gòu)件CIGRE導(dǎo)則認(rèn)為,如泄漏電流密度為10mA/m2,在1a時(shí)間內(nèi),對鐵材料的腐蝕厚度約0.174mm,并認(rèn)為是可以接受的。按一般直流接地極實(shí)際運(yùn)行時(shí)間計(jì)算,每個(gè)直流接地極以額定電流運(yùn)行的有效時(shí)間約0.5a,如泄漏電流密度為10mA/m2,腐蝕厚度約0.087mm,這對大多數(shù)金屬構(gòu)件來說是可以接受的。在美國,對于一般的鐵類物質(zhì)允許表面電流密度取1~10mA/m2;在蘇聯(lián),對于鋼鎧裝電纜允許表面電流密度取15mA/m2,對于軟鋼管道取75mA/m2;我國相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接受了CIGRE導(dǎo)則的建議,規(guī)定對非絕緣的地下金屬管道、鎧裝電纜,在正常額定電流下允許的表面電流密度取10mA/m2,或者以不影響該設(shè)備正常工作為準(zhǔn)。3采用直流接地極云廣±800kV直流輸電線路和貴州-廣東(貴廣)Ⅱ回±500kV直流輸電線路在廣東側(cè)采用共用接地極。直流接地極預(yù)選極址之一曾包括廣東省清遠(yuǎn)市魚龍嶺村一處距離京廣電氣化鐵路1.5km的區(qū)域。本節(jié)將通過設(shè)置一虛擬直流接地極,結(jié)合該地區(qū)電氣化鐵路的相關(guān)參數(shù),針對前文提到的電磁影響因子,計(jì)算分析該虛擬直流接地極對京廣電氣化鐵路的電磁影響。3.1采用玉龍嶺直埋式研究模型對北京廣電氣化鐵路磁體的影響3.1.1饋電棒的尺寸魚龍嶺直流接地極設(shè)定為內(nèi)外環(huán)半徑分別為350、470m的兩圓環(huán)結(jié)構(gòu),饋電棒采用外環(huán)直徑70mm、內(nèi)環(huán)直徑60mm圓鋼,外環(huán)埋深4.0m,內(nèi)環(huán)埋深3.5m。外環(huán)焦碳斷面尺寸為1.1m×1.1m,內(nèi)環(huán)焦炭斷面尺寸為0.7m×0.7m。直流接地極線路經(jīng)埋地電纜與極環(huán)連接。3.1.2變壓器接觸網(wǎng)設(shè)備京廣鐵路分上下行路線,上行和下行鐵路間相距約2.6m,每條鐵路的2軌間距離為1.4m。京廣電氣化鐵路采用P60無縫長鋼軌。根據(jù)鐵道部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),這種鋼軌的每km直流電阻約為0.22Ω,每km道渣電阻約為1.2Ω。P60無縫長鋼軌的截面面積約為80cm2。接觸網(wǎng)采用銀銅合金導(dǎo)線,電阻率約為1.786×10-8Ω·m,截面積120mm2?；亓骶€為鋁絞線,截面積120mm2。機(jī)車通過時(shí)會(huì)造成接觸網(wǎng)與鐵軌的電路連接。根據(jù)廣州鐵路局供電段的資料,常用的韶山I型機(jī)車的原邊側(cè)繞阻為0.87Ω,變壓器副邊繞阻約為0.1136Ω。魚龍嶺直流接地極附近的牽引變電所分別為漣江口站和清遠(yuǎn)站。兩站相距45km。每個(gè)牽引變壓器的供電臂長約23km。京廣鐵路同向兩列火車的相隔時(shí)間約6~7min。因此牽引變壓器每一邊的供電臂上近似可認(rèn)為只通過1輛列車。綜上所述,考慮列車后的計(jì)算模型可如圖4所示。3.1.3地下銅排連接京廣電氣化鐵路的信號電纜和通信電纜均每隔2km有一處接地,將自身的鎧裝與地下銅排連接,銅排的截面積為200mm2,置于土壤中,在計(jì)算模型中體現(xiàn)為與鐵軌平行且不間斷的埋地銅導(dǎo)體。而電纜的鎧裝或護(hù)套的厚度只有0.15~0.2mm,其電阻遠(yuǎn)大于銅排的電阻,起不到分流作用,在計(jì)算模型中可不考慮。3.1.4土壤分辨率魚龍嶺地區(qū)的土壤電阻率模型如表2所示。3.1.5直流接地極對電氣化鐵路的影響分析貴廣Ⅱ回±500kV直流輸電系統(tǒng)采用雙極兩端接地,額定輸送功率3000MW,額定電流3000A,持續(xù)過負(fù)荷電流3300A,最大過負(fù)荷電流4200A,不平衡電流30A;±800kV云廣直流輸電系統(tǒng)采用雙極兩端接地,額定輸送功率5000MW,額定電流3125A,持續(xù)過負(fù)荷電流3440A,最大過負(fù)荷電流4375A,不平衡電流31A。對京廣電氣化鐵路的電磁影響分析應(yīng)根據(jù)造成每一種電磁影響所需的作用時(shí)間確定采用哪一種入地電流。根據(jù)作用時(shí)間,本研究作如下定義:將魚龍嶺直流接地極的入地電流分類為“長時(shí)電流”、“持續(xù)電流”、“短時(shí)電流”和“暫態(tài)電流”。長時(shí)電流是指作用時(shí)間長達(dá)數(shù)十年的電流,是由于貴廣Ⅱ回±500kV和云廣±800kV直流各自的不平衡電流疊加造成的直流接地極入地電流;持續(xù)電流是指作用時(shí)間為幾十min至數(shù)d的電流。一般表現(xiàn)為一條線路的某一極出現(xiàn)故障或檢修,另一極工作在過負(fù)荷狀態(tài)時(shí)流過直流接地極的電流。考慮到兩條線路同時(shí)由于故障處在同極性單極大地返回狀態(tài)的概率很低,在本研究中最大持續(xù)電流只限于考慮±800kV云廣直流的最大持續(xù)電流加上±500kV貴廣Ⅱ回的不平衡電流;短時(shí)電流是指作用時(shí)間約為數(shù)s至數(shù)十min的直流接地極入地電流。此時(shí)考慮2條線路均為同極性單極大地返回的直流接地極工作方式。最嚴(yán)重的情況為2條線路發(fā)生故障的時(shí)間相近,此時(shí)最大短時(shí)電流為±800kV云廣直流的最大過負(fù)荷電流加上±500kV貴廣Ⅱ回的最大過負(fù)荷電流;暫態(tài)電流是指直流線路由雙極運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O大地返回運(yùn)行時(shí)電流的暫態(tài)過程,作用時(shí)間約幾十ms。2條線路同一時(shí)刻出現(xiàn)故障的概率幾乎為零,因此最大暫態(tài)電流考慮一條線路處于單極運(yùn)行的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)另一條線路由雙極運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O大地返回運(yùn)行的暫態(tài)過程。其暫態(tài)過程的電流波形如圖5所示。從圖5可以看出,最大暫態(tài)電流的峰值可達(dá)12.5kA。不同類型電流的作用時(shí)間和最大計(jì)算幅值列于表3。根據(jù)直流接地極對電氣化鐵路各種影響的性質(zhì)分析可得在計(jì)算不同的問題時(shí)應(yīng)采用哪一個(gè)計(jì)算電流。對于跨步電壓,由于人體感受閾值與電壓作用時(shí)間有關(guān)。一般說來,人體感受閾值以3s為分界線。作用時(shí)間>3s則屬于長時(shí)間的電壓作用效果,閾值不變。其跨步電壓限值應(yīng)按照式(2)計(jì)算,計(jì)算電流應(yīng)取最大短時(shí)電流;作用時(shí)間<3s則為短時(shí)間的作用效果,人體感受閾值較高,其跨步電壓限值應(yīng)按照式(3)計(jì)算,計(jì)算電流應(yīng)取最大暫態(tài)電流。對于電纜的轉(zhuǎn)移電壓,其影響對象是維修人員。由于最大短時(shí)電流的作用時(shí)間只有數(shù)s,而此時(shí)正好有維修人員對電纜進(jìn)行維修的概率是很低的,因此可以采用最大持續(xù)電流對電纜的轉(zhuǎn)移電壓進(jìn)行計(jì)算分析。對于鐵路信號接收機(jī)的干擾問題,可根據(jù)接收機(jī)的延時(shí)確定作用時(shí)間。文獻(xiàn)中規(guī)定:UM71型軌道電路的接收器延時(shí)為0.2~0.5s。而直流系統(tǒng)由雙極運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O大地返回運(yùn)行的暫態(tài)過程作用時(shí)間只有約0.05s,不必考慮直接對信號的干擾問題,因此直流接地極對鐵路信號回路的干擾應(yīng)采用最大短時(shí)電流進(jìn)行計(jì)算。對于電纜的絕緣安全問題,出于安全考慮,一般按照幅值最大的最大暫態(tài)電流進(jìn)行考核。對變壓器的直接影響是磁致伸縮帶來的變壓器振動(dòng)以及磁致飽和。根據(jù)表3所示的直流接地極各種運(yùn)行工況的持續(xù)時(shí)間可知,最大短時(shí)電流維持的時(shí)間可達(dá)數(shù)s至數(shù)十min,因此應(yīng)按照最大短時(shí)入地電流對變壓器直流電流進(jìn)行分析。對接地裝置的腐蝕是一個(gè)長時(shí)間的過程,應(yīng)采用最大長時(shí)電流進(jìn)行計(jì)算。出于保守考慮,計(jì)算中包括在直流接地極建成初期可能以額定電流單極大地運(yùn)行183d的情況。不同電磁影響應(yīng)采用的計(jì)算電流如表4所示。3.2羅龍嶺直接地震源對北京廣電氣化鐵路磁體的影響3.2.1從流接地進(jìn)入較遠(yuǎn)區(qū)域的電壓根據(jù)計(jì)算,鐵路沿線的鋼軌電位、地表面電位及它們之間的電位差如圖6所示。從圖6中可以看出,鋼軌和地表面的電位變化規(guī)律一致,在距離直流接地極較近的地方電位也較高,隨著到直流接地極距離的增大,電位逐漸衰減,但是衰減的速度與土壤的不同。在距離直流接地極較近的位置,電流從土壤中向鋼軌中流入,使得鋼軌電位比附近土壤略低。該電流順著導(dǎo)電性能良好的鋼軌向遠(yuǎn)處流動(dòng),在流動(dòng)過程中逐漸回到土壤中,因此在距離直流接地極較遠(yuǎn)的區(qū)域,鋼軌電位較土壤電位略高。鋼軌電位與地表面電位之差的最大值出現(xiàn)在坐標(biāo)為零的位置,也是距離直流接地極最近的位置,其電壓達(dá)到49V左右。根據(jù)第2章分析,京廣電氣化鐵路的第2類跨步電壓限值為80V,因此雖然京廣電氣化鐵路鋼軌附近的鋼軌與地表間電壓較大,但仍然僅為允許值的61%。在一回線路已經(jīng)單極運(yùn)行另一回線路由雙極運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O大地返回運(yùn)行的暫態(tài)過程中,鐵路沿線的鋼軌和地表面之間的電位差如圖7所示。從圖7中可以看出,最大值約71V。根據(jù)第2章的分析,此時(shí)跨步電壓的限值較高,約778V?？梢?在入地電流暫態(tài)過程中基本不用考慮跨步電壓的影響。3.2.2信號電纜所在區(qū)域根據(jù)前文分析可知,電纜的轉(zhuǎn)移電壓并不是某點(diǎn)相對于無窮遠(yuǎn)點(diǎn)的電位差,而是相對其自身接地點(diǎn)的電位差。自身接地點(diǎn)的位置決定了電纜的有效長度。對于信號電纜,其作用是為了將閉塞區(qū)間傳來的信號傳送回車站,因此其最大長度為兩車站之間距離的一半;對于通信電纜,其主要負(fù)責(zé)相鄰車站的通話,長度為兩車站之間距離。根據(jù)不同的參考點(diǎn)電位,圖8給出了信號電纜沿線的轉(zhuǎn)移電壓幅值分布。a、b、c、d、e分別代表距離直流接地極最近的銀盞坳站(K2211+380)、清遠(yuǎn)站(K2198+320)、潖江口站(K2187+100)、飛來峽站(K2177+150)、黎洞站(K2163+860)的信號電纜所在區(qū)域。從圖8中可以看出,在每個(gè)車站所在位置,轉(zhuǎn)移電壓為零;距離車站越遠(yuǎn),轉(zhuǎn)移電壓越大。這與轉(zhuǎn)移電壓的物理意義相符。由于參考點(diǎn)(車站)不同,因此在坐標(biāo)連續(xù)的地方曲線并不連續(xù),這種現(xiàn)象是正常的。在5個(gè)車站的信號電纜所在范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)移電壓最大值為32V,為允許值的53%。圖9為通信電纜沿線的轉(zhuǎn)移電壓幅值分布,橫坐標(biāo)為場點(diǎn)的位置,坐標(biāo)為0的地方代表距離直流接地極最近的K2188+600處。(1)、(2)、(3)、(4)分別代表距離直流接地極最近的銀盞坳站與清遠(yuǎn)站之間、清遠(yuǎn)站與潖江口站之間、潖江口站與飛來峽站之間、飛來峽站與黎洞站之間的通信電纜所在區(qū)域。與信號電纜的轉(zhuǎn)移電壓曲線不同,在某一個(gè)車站處的轉(zhuǎn)移電壓應(yīng)以另一個(gè)車站的位置作為參考點(diǎn),因此圖9中轉(zhuǎn)移電壓不再過零點(diǎn),這是由通信電纜連接兩車站的性質(zhì)決定的。在5個(gè)車站的通信電纜所在范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)移電壓最大值約50V,為允許值的83%。從以上分析可知,通信電纜和信號電纜上可能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移電壓均沒有超過60V的限值。3.2.3京廣電氣化鐵路電纜沿網(wǎng)運(yùn)行模式圖10給出了貴廣Ⅱ回和云廣±800kV線路一回單極大地返回運(yùn)行、另一回由雙極運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O大地返回運(yùn)行時(shí)京廣電氣化鐵路電纜沿線的地電位分布。從圖10中可以看出,在最大暫態(tài)電流的作用下,鐵路電纜的最大電位達(dá)到約1000V,滿足電纜絕緣安全電壓限值1800V的要求。3.2.4入地電流vd經(jīng)計(jì)算,在距離直流接地極最近的K2188+600處,2條鋼軌之間的電位差<0.1V,不到該干擾限值(5V)的2%?？梢?直流接地極入地電流造成的輸入端電感線圈上的電壓非常小,魚龍嶺直流接地極的入地電流對鐵路的信號回路不會(huì)造成直接的干擾。這是因?yàn)?條鋼軌之間的距離相比直流接地極到鐵軌的距離非常小。而且,此計(jì)算中采用的電流為直流入地電流的幅值。實(shí)際上,其交流分量以及耦合到信號回路接收器二次側(cè)的幅值也非常小。3.2.5牽引變壓器用量根據(jù)第3.1節(jié)介紹的計(jì)算模型可分析電氣化機(jī)車在鐵路的不同位置時(shí)牽引變壓器內(nèi)流過的直流電流。圖11中橫坐標(biāo)為場點(diǎn)的位置,坐標(biāo)為0的地方代表距離直流接地極最近的K2188+600處。其中(5)、(6)、(7)分別代表距離直流接地極最近的2座牽引變電站(漣江口站和清遠(yuǎn)站)之間的區(qū)域,(5)、(6)為漣江口站的供電臂區(qū)域,(7)為清遠(yuǎn)站的供電臂區(qū)域。圖11中不同曲線斷開的位置代表變化供電臂的位置。計(jì)算結(jié)果表明,隨著機(jī)車的前進(jìn),流過牽引變壓器的直流電流不斷變化,對牽引變壓器的影響應(yīng)考慮在一段時(shí)間內(nèi)的平均效果。經(jīng)過分析,在機(jī)車通過整條供電臂的過程中,平均值約17A。由于沒有參考標(biāo)準(zhǔn),無法評價(jià)此數(shù)值是否超標(biāo)。若以電力變壓器的標(biāo)準(zhǔn)衡量,17A的數(shù)值比普通電力變壓器的允許數(shù)值大。但是,牽引變壓器是一種特殊的變壓器,它的功能是向金屬接觸網(wǎng)提供電能驅(qū)動(dòng)電力機(jī)車前進(jìn)。它的負(fù)載為大功率整流設(shè)備或變頻設(shè)備。此外,隨著機(jī)車在鐵軌上不同位置的變化和所需功率的調(diào)整,牽引變壓器經(jīng)常處于負(fù)載變化的過程。因此牽引變壓器設(shè)計(jì)時(shí)已考慮能夠承受較高的諧波干擾。盡管如此,應(yīng)盡量避免2條直流線路同極性單極大地返回的運(yùn)行工況。當(dāng)該工況出現(xiàn)時(shí),可考慮減小線路上的系統(tǒng)電流。3.2.6入地電流腐蝕特征鐵路附近與土壤有接觸的金屬物主要包括含有道渣的鐵軌以及電纜的接地銅排。直流接地極入地電流對金屬物的腐蝕程度取決于前者導(dǎo)致后者與周圍介