AT供電方式下影響鋼軌電位的因素分析

杜雪松，段勝朋，申 寧

（西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，碩士研究生，四川 成都 610031）

當(dāng)今鐵路建設(shè)中，AT供電方式適合高速重載大電流運(yùn)行、具有良好防干擾效果〔1〕，同時(shí)還具有現(xiàn)行其他供電方式不具有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，所以廣為采用〔2〕。在AT供電方式中，鋼軌是牽引網(wǎng)回流網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，由于鋼軌同道床間的接觸是電氣上的不良絕緣，存在鋼軌-地的泄露電導(dǎo)率，當(dāng)牽引電流回流時(shí)必然會(huì)形成較高的鋼軌電位。處理不當(dāng)會(huì)對(duì)鐵路沿線的人員安全以及設(shè)備安全造成威脅。

較既有的電氣化鐵路而言，客運(yùn)專線列車(chē)具有運(yùn)行速度高、牽引電流大、短路電流大、行車(chē)密度高、軌地泄漏電阻大等特點(diǎn)，它產(chǎn)生的軌地電位問(wèn)題十分嚴(yán)重〔3〕。因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外專家對(duì)鋼軌電位越來(lái)越關(guān)注〔4〕，只有了解了系統(tǒng)中每個(gè)因素對(duì)鋼軌電位的影響情況,才能有效的采取措施降低鋼軌電位〔5、6〕。

1 CPW線

為了降低鋼軌電位通常會(huì)設(shè)置保護(hù)線（PW線），并用CPW線將鋼軌與保護(hù)線做有效連接。AT段內(nèi)CPW線將AT段平均分成若干份，數(shù)量越多降低鋼軌電位的效果越好，但是投資也就越大。所以CPW設(shè)置數(shù)目需要在效果與經(jīng)濟(jì)之間找到平衡點(diǎn)〔7、8〕。

本文主要研究AT牽引網(wǎng)主要參數(shù)對(duì)鋼軌電位的影響情況。全文計(jì)算導(dǎo)線選?。撼辛λ餍吞?hào)為IJ-95，接 觸 線 TCG-100，饋線 TGJ-185，保 護(hù) 線TGJ-120，鋼軌P60〔1、9〕。

通過(guò)仿真計(jì)算可以看到，在第一個(gè)AT區(qū)段內(nèi)，無(wú)CPW線時(shí)，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行到AT區(qū)段中間段時(shí)鋼軌點(diǎn)位最大值為116.80 V（見(jiàn)圖1）；在一個(gè)AT段中間加設(shè)一條CPW線后，鋼軌電位最大值可降低到98.63 V（見(jiàn)圖2）；兩種情況下鋼軌點(diǎn)位最大值減小18.17 V,降壓比為15.56%。隨著CPW線的增加，對(duì)鋼軌的降壓效果逐漸減弱（見(jiàn)表1）。

圖1 無(wú)CPW線時(shí)第一個(gè)A T區(qū)段內(nèi)鋼軌電位情況

圖2 一個(gè)A T區(qū)段設(shè)置1條CPW線時(shí)鋼軌電位情況

表1 CPW線對(duì)鋼軌電位的影響

2 泄露電導(dǎo)率

鋼軌的泄露電導(dǎo)會(huì)影響鋼軌電位，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼軌電導(dǎo)的取值各有不同，而且差別較大：日本板式軌道泄漏電導(dǎo)取值范圍為0.0 001～0.2 S/km，有渣軌道的泄露電導(dǎo)取值范圍為0.01～0.1 S/km；德國(guó)泄露電導(dǎo)的取值范圍為0.02～50 S/km〔10〕。

鋼軌泄露電導(dǎo)取0.2 S/km，0.4 S/km，0.6 S/km。通過(guò)仿真計(jì)算可以看，鋼軌泄露電導(dǎo)率取值變化時(shí)，鋼軌電位情況變化情況十分明顯，隨著鋼軌泄露電導(dǎo)率的增大，鋼軌電壓呈下降趨勢(shì)，當(dāng)泄漏電導(dǎo)率為0.2 S/km時(shí)，兩種情況下鋼軌電位最大值為137.07 V和115.31 V；當(dāng)泄漏電導(dǎo)率為0.4 S/km時(shí)，兩種情況下鋼軌電位最大值為93.67 V和89.94；當(dāng)泄漏電導(dǎo)率為0.6S/km時(shí)，鋼軌點(diǎn)位最大值為77.92 V和76.87 V（見(jiàn)圖3、圖4），計(jì)算中AT漏抗取值為0.45 Ω。泄露電導(dǎo)率位0.2 S/km時(shí)，兩種情況下降壓比為31.44%與22%（見(jiàn)表2），降壓效果顯著。

圖3 無(wú)CPW線時(shí)取不同泄露電導(dǎo)時(shí)鋼軌電位情況

圖4 設(shè)CPW線時(shí)取不同泄露電導(dǎo)時(shí)鋼軌電位情況

表2 泄露電導(dǎo)變化時(shí)鋼軌電位最大值情況

3 A T漏抗

自耦變壓器漏抗（AT漏抗）為影響鋼軌電位的因素之一，除了影響鋼軌電位外，對(duì)防干擾也有較大影響，自耦變壓器的阻抗越大，鋼軌至饋線間的阻抗就大，每個(gè)變電所將鋼軌和地中電流吸至正饋線的效果小，電磁感應(yīng)影響大，降低了自耦變壓器的防干擾效果，電能損耗也增大；反之亦然。一般計(jì)算中將AT漏抗這算至低壓側(cè)規(guī)定為0.45 Ω〔11〕。

AT漏抗分別取為0.15 Ω，0.45 Ω，0.75 Ω。通過(guò)仿真計(jì)算可以看到，AT漏抗值變化會(huì)對(duì)自耦變壓器附近鋼軌電位產(chǎn)生影響。隨著AT漏抗值的增大，自耦變壓器附近鋼軌電位呈上升趨勢(shì)，當(dāng)AT漏抗取0.15 Ω時(shí)，兩種情況下AT處鋼軌電位為16.51 V和17.50 V；當(dāng)AT漏抗取0.45 Ω時(shí)，兩種情況下AT處鋼軌電位為28.74 V和26.27 V；當(dāng)AT漏抗取0.75 Ω時(shí)，AT處鋼軌電位為37.39 V和32.56 V,同時(shí)AT漏抗值改變只對(duì)自耦變壓器附近鋼軌電位有影響，對(duì)整個(gè)鋼軌電位沿線分布影響不大（見(jiàn)圖5、圖6）。無(wú)CPW線時(shí)AT漏抗取0.15 Ω，0.45 Ω，0.75 Ω時(shí)，AT處鋼軌電位大小分別為16.51 V、28.74 V和37.39 V；AT段內(nèi)設(shè)置一條CPW線時(shí)AT處電位為17.50 V、26.27 V和32.56 V（見(jiàn)表3），可見(jiàn)隨著AT漏抗值增大，AT漏抗處電壓降增大。計(jì)算中鋼軌電導(dǎo)取為0.2 S/km。

圖5 無(wú)CPW線時(shí)取不同A T漏抗時(shí)鋼軌電位情況

圖6 設(shè)CPW線時(shí)取不同A T漏抗時(shí)鋼軌電位情況

表3 A T漏抗變化時(shí)A T變壓器附近鋼軌電位值情況

4 鋼軌橫連

為了降低鋼軌電位，復(fù)線情況下通常還會(huì)采用鋼軌橫連的措施，方法是每隔一段距離便將上下線鋼軌并聯(lián)〔12〕。在AT漏抗值為0.45 Ω，鋼軌泄露電導(dǎo)為0.2 S/km以及一個(gè)AT段設(shè)置一條CPW線的情況下仿真計(jì)算。假設(shè)列車(chē)只運(yùn)行在上行線路上，通過(guò)仿真計(jì)算看到，增設(shè)鋼軌橫連線后，上行線路的鋼軌電位得到了極大的降低，在設(shè)置鋼軌橫連線處降壓情況較為明顯。每隔6 km設(shè)置鋼軌橫連線時(shí)，上行線路電壓為108.96 V；每隔2 km設(shè)置鋼軌橫連線時(shí)，上行線路電壓為82.96 V（見(jiàn)圖7、圖8）。當(dāng)設(shè)置橫連線時(shí)，列車(chē)所在鋼軌的電壓得到了明顯降低，降壓效果明顯，設(shè)置鋼軌橫連線為每隔6 km與每隔2km時(shí)，電壓降為34.52 V，降壓率為31.6%（見(jiàn)表4）。下行線路點(diǎn)位如表5所示。由此可以看出，鋼軌橫連線數(shù)目增加時(shí)，上下行鋼軌電位大小越接近。

圖7 每隔6k m設(shè)置鋼軌橫連情況

圖8 每隔2k m設(shè)置鋼軌橫連情況

表4 橫連間隔不同時(shí)上行線鋼軌電位情況

表5 橫連間隔不同時(shí)下行線鋼軌電位情況

5 結(jié)論

在Matlab/Simulink數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，選擇實(shí)際的線路進(jìn)行仿真計(jì)算。在不同泄露電導(dǎo)、有無(wú)CPW線以及不同AT漏抗的情況下進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：

1）由圖形和分析結(jié)果可以看出，設(shè)置CPW線、改變泄露電導(dǎo)，使用鋼軌橫連均能對(duì)鋼軌電位造成較大影響，其中泄漏電導(dǎo)值改變對(duì)鋼軌電位的影響最大，從0.2 S/km至0.6 S/km，最高壓降達(dá)到了59.1 V，降低達(dá)到了43.15%，并且可以看到在變化過(guò)程中每個(gè)AT段中間位置的變化最大。設(shè)置CPW線與鋼軌橫連后，設(shè)置裝置處的鋼軌電位得到了較大的降低。AT漏抗值的改變時(shí)，自耦變壓器周?chē)匿撥夒娢粫?huì)受到影響，但其他位置鋼軌電位影響較小。

2）增加的CPW線，加大鋼軌泄露電導(dǎo)，增加鋼軌橫連數(shù)目是降低鋼軌電位的有效途徑，通過(guò)合理選擇可以在經(jīng)濟(jì)性和安全性上找到平衡點(diǎn)，可使經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)降到最低同時(shí)達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。

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