高速鐵路變電所牽引電流回流指標(biāo)研究

李天石，李明祥，霍斌

（中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號研究所，北京 100081）

高速鐵路變電所牽引電流回流指標(biāo)研究

李天石，李明祥，霍斌

（中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號研究所，北京 100081）

利用近年來高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試獲取的大量檢測數(shù)據(jù)，開展高速鐵路牽引變電所牽引回流分配指標(biāo)的研究。確定牽引變電所地網(wǎng)回流比例和貫通地線回流比例2個(gè)考核參數(shù)，對其以往測試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算，得出適用于高速鐵路牽引變電所牽引回流質(zhì)量的判定依據(jù)，填補(bǔ)了聯(lián)調(diào)聯(lián)試中變電所牽引回流領(lǐng)域判定依據(jù)的空白，為綜合接地系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試、動(dòng)態(tài)驗(yàn)收和工程整改提供參考。

高速鐵路；變電所；牽引電流；回流指標(biāo)；聯(lián)調(diào)聯(lián)試；數(shù)理統(tǒng)計(jì)；回流比例

0 引言

我國高速鐵路正處于高速發(fā)展期，為確保高速鐵路的工程質(zhì)量和運(yùn)營安全，在開通運(yùn)營前要進(jìn)行高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試和動(dòng)態(tài)檢測工作。在新建高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試和動(dòng)態(tài)檢測過程中，發(fā)現(xiàn)個(gè)別變電所測點(diǎn)牽引回流系統(tǒng)不同回流途徑的回流比例與以往大量測得值相比偏離較大，或與設(shè)計(jì)預(yù)期值有較大偏差（如變電所地網(wǎng)回流）。但由于目前沒有這方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，即使測試結(jié)果明顯異常，動(dòng)態(tài)驗(yàn)收報(bào)告也無法評判，整改也無依據(jù)，對高鐵工程建設(shè)質(zhì)量和動(dòng)態(tài)驗(yàn)收造成一定影響。因此，充分利用高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試動(dòng)態(tài)檢測獲取的大量數(shù)據(jù)和階段成果，開展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定工作，為工程整改、聯(lián)調(diào)聯(lián)試和動(dòng)態(tài)檢測提供依據(jù)。該研究工作的主要技術(shù)內(nèi)容為：制定牽引變電所（或AT所、分區(qū)所）各牽引回流途徑電流比例的技術(shù)指標(biāo)。

1 高速鐵路牽引變電所回流指標(biāo)考核參數(shù)

高速鐵路均采用電力牽引系統(tǒng)，當(dāng)牽引電流在變電所內(nèi)回流比例不正常時(shí)，其產(chǎn)生的危害體現(xiàn)為：牽引變電所地網(wǎng)回流（簡稱所地網(wǎng)回流）比例過大，鋼軌、PW線和貫通地線的回流比例就會(huì)較小，如果金屬回流通道回流過小，說明存在連接不良、線纜損壞等問題導(dǎo)致回流不暢；所地網(wǎng)回流過大，架空回流線回流必將減少，接觸網(wǎng)靠架空回流線抵消磁影響的作用降低，整個(gè)牽引網(wǎng)對地平衡性下降，對路內(nèi)外金屬線纜（包括鐵路信號電纜、路外通信線纜及輸油管線）磁影響會(huì)顯著增大；所地網(wǎng)回流比例過大在故障短路和雷擊時(shí)導(dǎo)致所內(nèi)電位上升，人員安全性下降[1]；長期地網(wǎng)回流過大還會(huì)導(dǎo)致地網(wǎng)電化學(xué)腐蝕加快；所地網(wǎng)回流比例過小，可能存在變電所接地電阻過大的情況；貫通地線回流比例過大，會(huì)使變電所附近的弱電設(shè)備的地電位有較大波動(dòng)，產(chǎn)生地電位差，使通信信號設(shè)備的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性降低，在雷擊或者接觸網(wǎng)短路情況下，可能會(huì)導(dǎo)致貫通地線燒毀。所以將牽引變電所（或AT所、分區(qū)所）內(nèi)不同回流途徑回流占總回流比例作為考核參數(shù)是必要的。

該研究工作主要通過2個(gè)參數(shù)來制定牽引變電所（或AT所、分區(qū)所）各回流途徑電流分配比例的技術(shù)指標(biāo)：

（1）牽引變電所（或AT所、分區(qū)所）地網(wǎng)回流占總回流比例（ηpe），反映回流網(wǎng)絡(luò)是否符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)ηpe過大或者過小時(shí)，則認(rèn)為明顯不正常。

（2）牽引變電所（或AT所、分區(qū)所）貫通地線入所回流占總回流比例（ηee）。近年來，大部分變電所用電纜從線路上貫通地線T接引入所內(nèi)集中接地箱，貫通地線會(huì)承擔(dān)一部分回流功能[2]。當(dāng)ηee過大時(shí)，則認(rèn)為明顯不正常。

2 高速鐵路牽引變電所回流指標(biāo)的依據(jù)

高鐵工程設(shè)計(jì)一旦確定后，變電所（或AT所、分區(qū)所）各回流途徑的回流占總回流比例等考核參數(shù)就應(yīng)存在各自客觀的確定值（真值）?？蓪⒄嬷底鳛閰⒄罩担瑢?shí)測值與之比較，越接近該值工程質(zhì)量越好；越偏離該值則工程質(zhì)量越差。但真值難以確定，解析計(jì)算的方法因邊界條件復(fù)雜，相關(guān)因素太多而不易得出準(zhǔn)確結(jié)果，只能得出近似結(jié)果。但在實(shí)測樣本量足夠大的條件下，可采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，用大樣本均值逼近真值，且樣本量越大與真值近似程度越好，從而解決沒有準(zhǔn)確參照值的問題，同時(shí)也可驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果是否符合實(shí)際情況。

通過多年的聯(lián)調(diào)聯(lián)試動(dòng)態(tài)檢測，已積累大量綜合接地回流實(shí)測數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)分析采用的樣本來自43條高鐵線路，115個(gè)測點(diǎn)，4 000余次過車數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包括各種不同類型的線路，樣本量足夠大，充分滿足數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析中經(jīng)常采用的假設(shè)檢驗(yàn)、方差分析及區(qū)間估計(jì)等方法對于樣本量的要求。

3 高速鐵路牽引變電所各回流途徑實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

3.1 分布特性和差異顯著性檢驗(yàn)[3]

3.1.1 正態(tài)分布

表1—表3分別為3種類型線路各所地網(wǎng)回流比例等間隔數(shù)值段上限對應(yīng)的累積概率值。其中n為樣本量，250AT為250 km/h AT供電線路，350AT為350 km/h AT供電線路，250直為250 km/h直供加回流線線路。

表1 350AT各所ηpe累積概率值（n=46）

表2 250AT各所ηpe累積概率值（n=14）

表3 250直各所ηpe累積概率值（n=11）

表4、表5為2種類型線路各所貫通地線回流比例等間隔數(shù)值段上限對應(yīng)的累積概率值。測試的250 km/h直供加回流線線路只有一條線路變電所有貫通地線引回線，因此未作統(tǒng)計(jì)分析。

表4 350AT各所ηee累積概率值（n=23）

表5 250AT各所ηee累積概率值（n=18）

以表1—表5中的數(shù)據(jù)為依據(jù)，以相應(yīng)累積概率值為縱坐標(biāo)，在正態(tài)概率紙上繪出散點(diǎn)圖，結(jié)果表明，各種線路變電所地網(wǎng)回流比例和貫通地線回流比例均服從或近似服從正態(tài)分布。

3.1.2 方差齊性

3種不同類型線路實(shí)測各所地網(wǎng)回流比例可采用方差齊性檢驗(yàn)（F檢驗(yàn)），見表6。

表6 3種不同類型線路實(shí)測各所ηpe方差齊性檢驗(yàn)

表6得出，F(xiàn)（α=0.01）查表值均大于相應(yīng)的方差比，即在水平α=0.01時(shí)認(rèn)為二者總體方差相等，說明對應(yīng)3種不同類型線路的3個(gè)數(shù)據(jù)總體方差兩兩相等，即具有方差齊性。

3.1.3 差異顯著性

3種不同類型線路牽引變電所（或AT所、分區(qū)所）地網(wǎng)回流比例實(shí)測數(shù)據(jù)樣本量、均值、方差見表7。

表7 3種不同類型線路牽引變電所ηpe實(shí)測數(shù)據(jù)樣本量、均值、方差

3種不同類型線路實(shí)測得出的3個(gè)鋼軌回流比例樣本在水平α=0.05時(shí)，有無顯著差異的單因素方差分析見表8。

表8 3種不同類型線路牽引變電所ηpe方差分析

表8中，因F0.05（2，68）=3.15>1.94，所以在顯著性水平α=0.05時(shí)，樣本間無顯著差異。即350AT、250AT和250直線路之間牽引變電所（或AT所、分區(qū)所）地網(wǎng)回流比例無顯著差異，可制定統(tǒng)一的所地網(wǎng)回流比例質(zhì)量判據(jù)。

2種線路實(shí)測得出的貫通地線回流比例樣本在水平α=0.05時(shí)，有無顯著差異的單因素方差分析見表10。

表9 2種不同類型線路牽引變電所ηee實(shí)測數(shù)據(jù)樣本量、均值、方差

表10 2種不同類型線路牽引變電所ηee方差分析

表10中，因F0.05（1，40）=4.08>1.37，所以在顯著性水平α=0.05時(shí)，樣本間無顯著差異。即350AT、250AT線路之間牽引變電所（或AT所、分區(qū)所）貫通地線回流比例無顯著差異，可制定統(tǒng)一的所貫通地線回流比例質(zhì)量判據(jù)。

通過對不同類型線路實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)，并對各檢驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)得出：對于不同供電方式的高速鐵路（350AT線路、250AT線路和250直線路），牽引變電所（或AT所、分區(qū)所）ηpe和ηee可認(rèn)為來自同一母體（3個(gè)樣本組的組間差異未顯著大于組內(nèi)差異）。因此，針對牽引變電所（或AT所、分區(qū)所）ηpe和ηee只需制定一套質(zhì)量判據(jù)，不必區(qū)分線路類型。

3.2 樣本統(tǒng)計(jì)特征值

表11為不同類型線路上各考核參數(shù)實(shí)測大樣本統(tǒng)計(jì)特征值，這些特征值為構(gòu)建牽引變電所回流質(zhì)量等級判據(jù)提供依據(jù)。

急 性 毒 性LD50大 于5 g/kg（大 鼠 經(jīng) 口）。ADI 0.15～ 2 mg/kg（FAO/WHO，1994）。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)（GB 2760）》的規(guī)定，可作為營養(yǎng)強(qiáng)化劑添加在食品之中[12]。

表11 不同類型線路各回流途徑回流比例均值與方差

4 高速鐵路牽引變電所回流指標(biāo)等級判據(jù)

4.1 判據(jù)方法

根據(jù)方差偏離均值的程度進(jìn)行質(zhì)量評估，是工業(yè)質(zhì)量控制中常用的方法。通過對各考核參數(shù)實(shí)測樣本的統(tǒng)計(jì)分析，得出每個(gè)參數(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)的均值和均方差，即可對每個(gè)回流指標(biāo)考核參數(shù)構(gòu)建出優(yōu)良、合格與較差3個(gè)質(zhì)量等級的判據(jù)。

（1）ηpe的評定。

當(dāng)ηpe=（均值±均方差）時(shí)，工程質(zhì)量為一級，回流指標(biāo)優(yōu)良；

當(dāng)（均值±均方差）＜ηpe＜（均值±2×均方差）時(shí)，工程質(zhì)量為二級，回流指標(biāo)合格；

當(dāng)ηpe＞（均值±2×均方差）時(shí)，工程質(zhì)量為三級，回流指標(biāo)較差。

（2）ηee的評定。

貫通地線本應(yīng)承擔(dān)弱電接地母線和等電位連接線功能，如過多分擔(dān)回流任務(wù)會(huì)使等電位性能降低，ηee按照下述辦法評定。

當(dāng)ηee＜均值時(shí)，工程質(zhì)量為一級，回流指標(biāo)優(yōu)良；

當(dāng)均值＜ηee＜（均值+1.5×均方差）時(shí)，工程質(zhì)量為二級，回流指標(biāo)合格；

當(dāng)ηee＞（均值+1.5×均方差）時(shí)，工程質(zhì)量為三級，回流指標(biāo)較差。

（3）特殊情況的處理。

當(dāng)ηpe＞入所總回流50%、ηee＞入所總回流45%即為超限。從機(jī)理分析上看，這2個(gè)途徑回流比例過大，應(yīng)該整改，但整改常常較為耗時(shí)費(fèi)力。當(dāng)整改較為困難，且短時(shí)間不影響行車的情況下，可以考慮將這2個(gè)考核參數(shù)的限值短時(shí)間內(nèi)放寬至ηpe不超過70%和ηee不超過60%。放寬后的限值可稱之為短期允許限值，即相對較短的一段時(shí)間內(nèi)可以允許的限值，相應(yīng)的，采用統(tǒng)計(jì)分析得出的限值稱之為長期限值。聯(lián)調(diào)聯(lián)試和動(dòng)態(tài)檢測中，如發(fā)現(xiàn)某個(gè)考核參數(shù)超過長期限值，在線路開通前，應(yīng)努力整改達(dá)到長期限值要求。如到線路開通時(shí)仍不能滿足長期限值要求，在沒有超過短期限值的情況下，可允許線路開通，線路開通后將此問題作為遺留問題限期整改，使之最終達(dá)到長期限值要求。

4.2 各考核參數(shù)回流質(zhì)量判據(jù)

根據(jù)牽引變電所回流指標(biāo)的確定方法，提出適合我國高速鐵路的牽引變電所回流質(zhì)量各考核參數(shù)的判據(jù)（見表12、表13）。

表12 地網(wǎng)回流比例質(zhì)量等級判據(jù)

表13 貫通地線入所回流比例質(zhì)量等級判據(jù)

4.3 維護(hù)整改措施

不同質(zhì)量等級回流狀況和應(yīng)采取的維護(hù)整改措施見表14。

表14 不同判定等級回流狀況和應(yīng)采取的維護(hù)整改措施

5 結(jié)束語

通過研究確定高速鐵路牽引變電所回流指標(biāo)的2個(gè)考核參數(shù)，即牽引變電所（或AT所、分區(qū)所）地網(wǎng)回流比例和貫通地線入所回流比例。這2個(gè)參數(shù)積累數(shù)據(jù)量較大，測試技術(shù)成熟，通過對這2個(gè)參數(shù)的測量和考核，可以客觀反映出變電所牽引回流系統(tǒng)的工程質(zhì)量，為動(dòng)態(tài)檢測提供依據(jù)。

回流指標(biāo)的考核參數(shù)均分3個(gè)質(zhì)量等級，各等級邊界以數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征值（均值、方差等）為主要依據(jù)。質(zhì)量等級劃分中合格與較差的邊界，即質(zhì)量限值，在以統(tǒng)計(jì)結(jié)果為依據(jù)的同時(shí)，根據(jù)危害程度、整改難易和開通時(shí)限等因素進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使所制定的質(zhì)量判據(jù)具有較好的實(shí)用性和可行性，可以適當(dāng)做為聯(lián)調(diào)聯(lián)試和動(dòng)態(tài)檢測的評判依據(jù)。

[1] 吳廣寧，曹曉斌，李瑞芳．軌道交通供電系統(tǒng)的防雷與接地[M]．北京：科學(xué)出版社，2011．

[2] 淮平．鐵路貫通地線系統(tǒng)[J]．中國鐵路，2014(4)：88-90．

[3] 浙江大學(xué)數(shù)學(xué)系高等數(shù)學(xué)教研組．概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)[M]．北京：人民教育出版社，1979．

責(zé)任編輯 李鳳玲

A Research on Ref ux Indicator of Traction Current of HSR Traction Substation

LI Tianshi，LI Mingxiang，HUO Bin
（Signal and Communication Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Based on huge inspection data acquired from integration testing and commissioning for high speed railways over recent years, the research on ref ux distribution indicator of HSR traction substation has been rolled out and two evaluation parameters are determined, namely, ref ux ratio of earthing network and ref ux ratio of through earth wire. After mathematical statistics and computation of the inspected data of these two parameters, the assessment foundation for ref ux quality of HSR traction substation has been concluded, which f lls in gapes of assessing reflux quality of traction substation during integration testing and commissioning and provides references for the integration testing and commissioning, dynamic acceptance and engineering rectif cation of the integrated grounding system.

high speed railway；traction substation；traction current；reflux indicator；integrated commissioning and test；mathematical statistics；ref ux ratio

U22

A

1001-683X（2017）02-0021-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.02.021

2017-01-18

李天石（1981—），男，副研究員。E-mail：99247351@qq.com