交流電氣化鐵路鋼軌電位影響因素及防護(hù)策略

高 保孟獻(xiàn)儀王浩先.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司；.徐州和緯信電科技有限公司

交流電氣化鐵路鋼軌電位影響因素及防護(hù)策略

高 保1孟獻(xiàn)儀2王浩先2
1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司；2.徐州和緯信電科技有限公司

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的逐步增長(zhǎng)，交流電氣化鐵路建設(shè)也處于快速發(fā)展階段，而電氣化鐵路的鋼軌不僅作為機(jī)車的鋼軌，而且還是牽引電流回流系統(tǒng)的一部分。在道床上鋪設(shè)鋼軌時(shí)雖然加裝了絕緣墊板、絕緣套靴等部件，但由于油漬、鐵屑、灰塵及雨水等因素，軌地之間過(guò)渡電阻不能無(wú)限大，于是當(dāng)軌道上有電流流過(guò)時(shí)，便有部分電流泄漏至大地形成雜散電流，同時(shí)也是鋼軌電位差存在的原因。

與普通鐵路相較而言，電氣化鐵路具有速度快、負(fù)載重、牽引電流大、系統(tǒng)回流大等特點(diǎn)，從而使得鋼軌電位過(guò)高。鋼軌電位過(guò)高會(huì)造成很多方面的不良影響，例如：給沿線工作人員帶來(lái)人身安全、對(duì)線路設(shè)備元器件造成損壞、引發(fā)沿線信號(hào)裝置的故障、加速軌道與軌枕之間絕緣墊板的老化、機(jī)車牽引回流系統(tǒng)異常等。因此國(guó)內(nèi)外對(duì)如何降低鋼軌電位這一問(wèn)題進(jìn)行了大量的分析與研究，以減小鋼軌電位所帶來(lái)的不良影響。

目前我國(guó)交流電氣化鐵路鋼軌電位安全標(biāo)準(zhǔn)主要參考EN50122-1997《鋼軌電位防護(hù)》，該標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)電壓作用時(shí)間將鋼軌電位分為三種情況：短時(shí)（t≤0.5s）、暫時(shí)（0.5s＜t≤300s ）、長(zhǎng)時(shí)（t＞300s），不同情況下鋼軌電位允許值不同，具體數(shù)值如表1所示。

表1 電氣化鐵路鋼軌電位最大允許接觸電壓

長(zhǎng)時(shí)情況下交流電氣化鐵路鋼軌電位最大允許接觸電壓不能超過(guò)60V，特殊地段不能超過(guò)25V。

本文介紹鋼軌電位產(chǎn)生機(jī)理及其主要影響因素，并對(duì)其防護(hù)策略進(jìn)行詳細(xì)介紹，為以后鋼軌電位防護(hù)工作提供參考。

影響鋼軌電位的主要因素

供電方式對(duì)鋼軌電位的影響

隨著列車運(yùn)行方式的改變，牽引供電方式也隨之發(fā)生變化，不同的牽引供電方式其鋼軌中電流回流長(zhǎng)度及特點(diǎn)也不相同，從而使得產(chǎn)生的鋼軌電位也不相同。早期采用直接供電方式，鋼軌回流長(zhǎng)度很大，最長(zhǎng)可為整個(gè)供區(qū)間。當(dāng)鋼軌環(huán)境一般時(shí)，回流系統(tǒng)中的自由分量基本全部泄漏至大地，因此機(jī)車所在位置的鋼軌電位普遍偏高；同時(shí)由于雜散電流在變電所負(fù)極集中回流，導(dǎo)致?tīng)恳冸娝庝撥壍匿撥夒娢煌蝗辉龃蟆Ｔ谥苯庸╇姺绞降幕A(chǔ)上加設(shè)回流線之后，鋼軌與架空回流線并聯(lián)，有效地減小了回流通路阻抗，從而使得鋼軌電位降低了40%左右?，F(xiàn)在電氣化鐵路大多采用AT方式供電，該方式下鋼軌回流長(zhǎng)度僅為AT段的一半，且回流點(diǎn)也在列車所在AT段兩端自耦變壓器的中性點(diǎn)。列車所需電流由其所處AT段兩端的兩個(gè)AT同時(shí)并聯(lián)供電，自耦變壓器中性點(diǎn)處的電位比列車處的鋼軌電位小，同時(shí)變電所回流點(diǎn)的鋼軌電位也比較低。AT供電方式下鋼軌電位與帶回流線的直接供電方式相比，大約下降15%。

鋼軌阻抗對(duì)鋼軌電位的影響

鋼軌縱向電阻是影響鋼軌電位的一個(gè)重要參數(shù)，鋼軌單位長(zhǎng)度阻抗與鋼軌型號(hào)有關(guān)，在出廠時(shí)已經(jīng)確定，并且鋼軌單位長(zhǎng)度阻抗與鋼軌電位理論上成反比。電氣化鐵路鋼軌是由短軌焊接形成，因此焊接縫的阻抗也是影響鋼軌電位的一個(gè)因素，焊接縫阻抗越小鋼軌電位越低。

鋼軌泄漏電阻對(duì)鋼軌電位的影響

鋼軌電位與鋼軌泄漏阻抗有著直接個(gè)關(guān)系，通常情況下鋼軌泄漏電阻的增大會(huì)使得鋼軌電位上升。在泄漏電阻初期增大階段，鋼軌電位隨著泄漏電阻的增加迅速上升，但當(dāng)鋼軌電位上升達(dá)到一定值之后，鋼軌泄漏電阻再增加時(shí)鋼軌電位上升不明顯，當(dāng)泄漏電阻增大10Ω時(shí)，鋼軌電位僅上升3.5V。新建電氣化鐵路大多為無(wú)砟軌道，相比于有砟軌道環(huán)境較好，鋼軌泄漏電阻一般較高，從而使得鋼軌電位值也普遍偏高。

單復(fù)線對(duì)鋼軌電位的影響

在單線鐵路中，鋼軌的電阻為兩根鋼軌并聯(lián)之后的等效電阻，電導(dǎo)同樣為兩根鋼軌并聯(lián)之后對(duì)大地的等效電導(dǎo)；在復(fù)線鐵路中，由于存在上下行四根鋼軌，鋼軌的電阻和電導(dǎo)均為四根鋼軌并聯(lián)之后的等效數(shù)值，因此在數(shù)值上，復(fù)線電阻為單線的一半，復(fù)線電導(dǎo)為單線的兩倍。因此，在復(fù)線中上行與下行鋼軌通過(guò)扼流變壓器等電壓連接之后，鋼軌電壓、電流衰減常數(shù)的大小不變，且復(fù)線中的輸入阻抗為單線中輸入阻抗的一半。由于存在這種特使性質(zhì)，使得在同等大小的牽引電流下，復(fù)線鋼軌電位數(shù)值僅為單線鋼軌電位數(shù)值的1/2。

降低鋼軌電位的主要措施

采用AT供電方式

其余條件相同情況下，AT供電方式所產(chǎn)生的鋼軌電位比直接供電方式所產(chǎn)生的鋼軌電位降低40%左右，AT供電方式對(duì)鋼軌電位的降低效果顯著，因此在工程項(xiàng)目預(yù)算范圍之內(nèi)建議電氣化鐵路采用AT供電方式。同時(shí)AT供電方式還具有其他優(yōu)點(diǎn)，例如：減少線路牽引變電所所需建設(shè)數(shù)量、降低供電系統(tǒng)對(duì)外部電源的依賴程度、減少對(duì)沿線通信線路的電磁干擾、提高電力能源利用率、提升接觸網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境等，滿足目前電氣化鐵路高速運(yùn)行的特點(diǎn)。隨著人們對(duì)全并聯(lián)AT供電方式和相關(guān)技術(shù)的深入研究，AT牽引供電方式的優(yōu)越性在電氣化鐵路中將會(huì)更加明顯。

牽引網(wǎng)加裝回流線

當(dāng)沿線加設(shè)回流線之后，原本從鋼軌流回牽引變電所的電流會(huì)有一部分被回流線分流，從而降低鋼軌電位?；亓骶€的回流效果主要與三個(gè)參數(shù)有關(guān)：衰減常數(shù)、回流線截面積、與鋼軌橫向連接線的間距。其它條件相同時(shí)，回流線截面積越大，即回流線電阻越小，分流效果越好；衰減常數(shù)越小，分流效果越好，同時(shí)也說(shuō)明干旱地區(qū)加裝回流線比濕潤(rùn)地區(qū)加裝回流線的分流效果好；與鋼軌橫向連接線的距離越短，分流效果越好，但應(yīng)滿足通信設(shè)備的相關(guān)要求。

上下行鋼軌橫向連接

在復(fù)線運(yùn)行環(huán)境中，可以將上行與下行鋼軌進(jìn)行橫向連接，該方法經(jīng)濟(jì)性高，且對(duì)降低鋼軌電位效果明顯。將上下行兩點(diǎn)鋼軌橫向連接后，鋼軌電位變?yōu)樵瓉?lái)兩點(diǎn)鋼軌電位之和的平均值。假設(shè)上行線路有列車行駛，則上行線路鋼軌電位要比下行鋼軌電位大得多，連接之后上行鋼軌電位則變?yōu)樵瓉?lái)的1/2左右。并且由于上下行鋼軌電位極性相反，上下行鋼軌電位之和的平均值小于上行鋼軌電位的一半。但該方案也有明顯的缺點(diǎn)，當(dāng)上下線有列車會(huì)車時(shí)，上下行鋼軌橫向連接對(duì)降低鋼軌電位效果不明顯；同時(shí)，上下行鋼軌橫向連接會(huì)使無(wú)列車運(yùn)行側(cè)的鋼軌電位升高，給工作人員帶來(lái)安全隱患。

增設(shè)CPW線

CPW線，即鋼軌與保護(hù)線連接線。在AT供電區(qū)間加設(shè)CPW線可以有效減少鋼軌電位數(shù)值。AT供電區(qū)間APW線加設(shè)數(shù)目及位置沒(méi)有明確的規(guī)定，但普遍遵循的基本原則是每?jī)蓚€(gè)CPW線之間的長(zhǎng)度相同，同時(shí)兩根CPW線間距至少等于兩個(gè)阻抗連接器在軌道上安裝的間距（通常為1.5km左右）。增設(shè)1根CPW線時(shí)，對(duì)降低鋼軌電位效果較為明顯，但當(dāng)超過(guò)3根之后，對(duì)降低鋼軌電位效果不明顯，因此從經(jīng)濟(jì)方面考慮，應(yīng)該適當(dāng)加設(shè)CPW線的數(shù)量。

圖1 交流鋼軌電位限制裝置工作原理示意圖

改善局部地區(qū)土壤率

在工作人員經(jīng)常出現(xiàn)、重要設(shè)備放置或者鋼軌電位超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定等特殊區(qū)段，可以采用改變特殊區(qū)段土壤結(jié)構(gòu)的方法。降低局部特殊地區(qū)土壤率，可以降低人員的跨步電壓以及較大設(shè)備不同位置的電壓差，從而保證工作人員的安全及設(shè)備的正常工作。通常采用的方法有三種：敷設(shè)降阻劑、更換土層以及審美接地體與低電阻率土壤法。敷設(shè)降阻劑是一種通過(guò)化學(xué)方法來(lái)降低土壤電阻率，具體做法是在接地體附近添加離子生成物質(zhì)，從而增強(qiáng)土壤的導(dǎo)電性。但土壤添加劑應(yīng)具有以下基本性質(zhì)：①無(wú)毒、無(wú)污染；②良好的導(dǎo)電性；③耐腐蝕、耐沖擊等。換土法即把原來(lái)土壤電阻率較高的土壤鏟去，重新鋪設(shè)電阻率較低的土壤，例如黏土、泥炭等。換土法一般僅將接地體周圍1m～4m內(nèi)的土壤換去，這樣更為簡(jiǎn)便。通常將敷設(shè)降阻劑與換土法相結(jié)合，從而達(dá)到理想的效果。如果土壤電阻率隨深度迅速減小，則可采用深埋接地體方案，以減小接地體的電阻值，該方法應(yīng)用靈活，不受地理空間限制，同時(shí)可以有效降低跨步電壓數(shù)值。

特設(shè)綜合地線

鋼軌電位和鋼軌回路特性阻抗成正比關(guān)系，而鋼軌泄漏電阻是影響鋼軌回路特性阻抗的主要因素。線路鋼軌對(duì)地導(dǎo)納數(shù)值受所處環(huán)境因素影響較大，數(shù)值變化可能達(dá)到幾十倍，這對(duì)鋼軌電位的波動(dòng)影響很大。如果沿鐵路線埋設(shè)鍍鋅或者銅質(zhì)接地體，接地體全線連通并與鋼軌橫向并聯(lián)，則對(duì)降低鋼軌泄漏電阻起到很好的效果，從而可以降低鋼軌電位。

交流鋼軌電位限制裝置

交流鋼軌電位限制裝置工作原理示意圖如圖1所示。

正常情況下，交流接觸器的觸頭是閉合的，可控硅處于非觸發(fā)狀態(tài)；非正常情況下，通過(guò)電壓檢測(cè)系統(tǒng)控制短路裝置與大地有效短接。鋼軌電位限制裝置測(cè)得的電壓值大于電壓安全限啟動(dòng)值，經(jīng)過(guò)一段設(shè)定的延時(shí)后，該裝置將回流回路有效短接，短接后，測(cè)量的電流超過(guò)限定值，斷路器將斷開(kāi)。如果測(cè)量到的電壓超過(guò)電壓極限啟動(dòng)值，斷路器將斷開(kāi)，防止過(guò)高的電壓損壞裝置。當(dāng)短路裝置短接時(shí)，若在鋼軌和大地間仍有一個(gè)電壓，則設(shè)備被認(rèn)為出了故障，此時(shí)由硬接點(diǎn)向SCADA系統(tǒng)發(fā)送故障信息。

總結(jié)

本文對(duì)交流電氣化鐵路鋼軌電位產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了不同供電方式、不同鋼軌阻抗、不同鋼軌泄漏電阻及單復(fù)線等主要因素對(duì)鋼軌電位產(chǎn)生的影響，從而得到降低鋼軌電位的主要措施，主要有采用AT供電方式、牽引網(wǎng)加裝回流線、上下行鋼軌橫向連接、增設(shè)CPW線、改善局部地區(qū)土壤率、特設(shè)綜合地線等，不同的措施對(duì)鋼軌電位的降低效果不同，有時(shí)還需將幾種方案同時(shí)使用才能保證鋼軌電位符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。