大型鐵路站場鋼軌電位分析

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(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130000)

0 引言

牽引電流流經(jīng)鋼軌時(shí)，使得鋼軌對地電位顯著升高[1-3]。鋼軌電位的升高給道旁的工作人員的人身安全帶來威脅，也對鐵路沿線與鋼軌連接的電氣設(shè)備帶來干擾，甚至損壞。當(dāng)一些關(guān)鍵設(shè)備如列車運(yùn)行的監(jiān)控、調(diào)度等系統(tǒng)被干擾時(shí)，可能導(dǎo)致線路運(yùn)營失控，造成嚴(yán)重的后果[4]。大型站場附近是一個(gè)特殊的運(yùn)行環(huán)境，道旁工作人員活動密集，而且調(diào)度、監(jiān)控設(shè)備多。此外，站場附近區(qū)域的路況與線路上的不同，集中表現(xiàn)為多股道并聯(lián)，站內(nèi)與站外鋼軌電位衰減系數(shù)(傳播常數(shù))不一致，有些軌道在站場附近即終止，鋼軌與站內(nèi)的綜合地網(wǎng)相連等。參考文獻(xiàn)[5-8]對鋼軌電位的分布規(guī)律進(jìn)行了分析，但采用的分析模型是鋼軌向兩端無限延伸時(shí)的情況，分析結(jié)果并不能代表站場附近軌道的電位分布，因此，以鋼軌視在阻抗為特征量，對大型站場的鋼軌電位分布規(guī)律進(jìn)行了分析，并針對站場不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給出了相應(yīng)的應(yīng)對措施。

1 鋼軌視在阻抗

在考察鋼軌電位分布時(shí)，一般先分析鋼軌上的電流分布，然后根據(jù)歐姆定律，對鋼軌電流與鋼軌阻抗的乘積進(jìn)行積分即可得到鋼軌的電位分布。由于電流沿鋼軌不斷泄漏，鋼軌上各點(diǎn)的電流大小不同，因此在計(jì)算列車左右兩邊鋼軌電流分配時(shí)，不能簡單認(rèn)為是左右兩端鋼軌阻抗之比，而應(yīng)采用鋼軌的視在阻抗。

單點(diǎn)電流輸入的鋼軌視在阻抗(后面簡稱視在阻抗)是指鋼軌的電流輸入點(diǎn)與無窮遠(yuǎn)的零電位間的阻抗。根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]可知，對于單端無限延伸的鋼軌，當(dāng)電流I0從端點(diǎn)注入時(shí)，在穩(wěn)態(tài)下鋼軌電壓、電流有效值的分布為：

(1)

x為距電流注入點(diǎn)的距離，γ為鋼軌衰減系數(shù)；U0=(R+jωL)/γ，是電流注入點(diǎn)電壓；R為單位長度鋼軌的電阻；L為單位長度鋼軌的電感；ω為牽引電流角頻率。

此時(shí)鋼軌的視在阻抗為：

(2)

同理從電流注入點(diǎn)來看，單端無限延伸的鋼軌上兩點(diǎn)之間的視在阻抗為：

(3)

Δl為兩點(diǎn)之間的距離；l是靠近電流注入點(diǎn)側(cè)的點(diǎn)距電流注入點(diǎn)的距離。

圖1給出了鋼軌視在阻抗中的電阻分量與電抗分量與兩點(diǎn)間距離的關(guān)系曲線。通過曲線可以看出，隨著兩點(diǎn)間距離的增加，電阻分量與電抗分量逐漸增大而且趨于飽和，即視在阻抗逐漸由式(3)演變?yōu)槭?2)。

圖1 視在阻抗與兩點(diǎn)間的距離的關(guān)系

2 鐵路站場的鋼軌電壓分布

2.1 線路端部附近鋼軌電壓分布

大型鐵路站場附近，有許多短距離的錯(cuò)車或調(diào)度線路，此時(shí)鋼軌不是向兩端無限延伸，在這種條件下，鋼軌電壓電流不再以機(jī)車電流注入點(diǎn)呈對稱性分布[5]，需要具體分析。如圖2所示。

圖2 列車運(yùn)行于軌道端部

當(dāng)機(jī)車運(yùn)行在線路端部附近時(shí)，由機(jī)車注入鋼軌的電流I0分為兩部分，一部分電流I1向左邊沿鋼軌逐漸泄漏入大地，到線路端部時(shí)鋼軌電流為零；另一部分電流I2向右沿鋼軌泄漏入大地，隨鋼軌逐漸延伸至無窮遠(yuǎn)處。

機(jī)車左端的視在阻抗為Z1，機(jī)車右端的視在阻抗為Z2。機(jī)車左端的視在阻抗可以看成是機(jī)車到線路終端鋼軌阻抗和鋼軌接地電阻之和，可表示為：

(4)

機(jī)車右端的視在阻抗即為單端無限延伸的鋼軌視在阻抗：

(5)

牽引電流由機(jī)車注入鋼軌后，根據(jù)Z1和Z2的大小進(jìn)行分配。Z1和Z2為并聯(lián)關(guān)系，據(jù)此可以求出機(jī)車左端和右端鋼軌電流I1和I2，分別為：

(6)

根據(jù)有限長鋼軌電流分布可知，機(jī)車左側(cè)線路端部的電流分布為：

(7)

則線路端部的電壓分布為：

(8)

2.2 局部多股道并聯(lián)電壓分布

在大型鐵路站場附近存在局部地段多股道并聯(lián)情況，如圖3所示，在線路的A，B兩點(diǎn)之間，有多條股道，鋼軌電流向土壤漏泄量比其它地方要多，這樣使?fàn)恳亓髟阡撥壣系姆植汲霈F(xiàn)新的變化。

圖3 局部多股道并聯(lián)

當(dāng)機(jī)車在線路上運(yùn)行時(shí)，牽引電流I0從A點(diǎn)注入鋼軌，機(jī)車左邊的鋼軌為單線情況，在機(jī)車的右邊鋼軌由n條股道并聯(lián)(假設(shè)每條股道的參數(shù)完全相同)，到達(dá)B點(diǎn)后，又匯聚成單線，AB區(qū)間長度為lAB。n條股道并聯(lián)后，雖然單位長度鋼軌的阻抗減小為1/n，但對地的電導(dǎo)增加了n倍，因此多股道區(qū)間的鋼軌電壓衰減系數(shù)與單線時(shí)相同。此時(shí)機(jī)車右端的鋼軌視在阻抗為AB段與B至右端無限遠(yuǎn)處阻抗的串聯(lián)。根據(jù)上文的分析可知，從A點(diǎn)看，AB段鋼軌的視在阻抗為：

(9)

從A點(diǎn)看，B點(diǎn)右邊鋼軌的視在阻抗為：

ZB=(R+jωL)·e-γlAB/γ

(10)

則機(jī)車右端鋼軌的視在阻抗為：

(11)

機(jī)車左端鋼軌的視在阻抗為：

(12)

同理，將Z1和Z2代入式中即可得到電流注入點(diǎn)左右兩側(cè)的鋼軌的電流分配。

則多股道路況下的鋼軌電壓分布為：

(13)

2.3 集中接地的鋼軌電位分布

站場內(nèi)為了降低鋼軌電壓或人身設(shè)備安全的需要，需要敷設(shè)接地網(wǎng)，進(jìn)行集中接地。如圖4所示，在線路的B點(diǎn)裝設(shè)接地電阻為RJ的接地網(wǎng)。加裝了接地電阻后，當(dāng)牽引電流I0由A點(diǎn)注入鋼軌后，分別向鋼軌左右兩邊傳播，AB點(diǎn)距離為lAB，牽引回流通過B點(diǎn)后，一部分電流通過接地電阻流入土壤中，另一部分電流沿B點(diǎn)右邊的鋼軌繼續(xù)傳導(dǎo)，逐漸漏泄到大地中。

圖4 含集中接地電阻

A點(diǎn)左邊的視在阻抗為：

(14)

B點(diǎn)右端鋼軌的阻抗為(R+jωL)/γ，它與RJ并聯(lián)后AB段的視在阻抗為：

(15)

則從A點(diǎn)看，鋼軌右端的視在阻抗為：

(16)

同理，將Z1和Z2代入式中即可得到電流注入點(diǎn)左右兩側(cè)的鋼軌的電流分配。則含有集中接地網(wǎng)時(shí)，鋼軌的電壓分布為：

(17)

3 鋼軌電位的比較分析

圖5 幾種典型工況下的電壓分布

圖5分別給出了幾種特殊情況與一般情況下的鋼軌電壓分布曲線，參數(shù)的選擇為：衰減系數(shù)取值為0.37(大秦線測得的結(jié)果)，單位長度(每km)的鋼軌電阻為0.135 Ω，感抗為0.533 Ω，股道并聯(lián)數(shù)選擇為3，并聯(lián)股道區(qū)間的長度選擇為2 km，集中接地電阻阻值選擇為1 Ω，牽引電流考慮100A。

由圖5a可以看出，在線路端部附近，鋼軌電位明顯比一般情況高，因此應(yīng)考慮在線路端部附近進(jìn)行集中接地處理，對鋼軌電流進(jìn)行分流，以降低鋼軌電位。通過圖5b可以看出，多股道并聯(lián)后，在初始階段，鋼軌電位明顯降低，但由于多股道并聯(lián)后的電阻較小，故在多股道區(qū)間的電壓降較小，因此出現(xiàn)了在后續(xù)階段，多股道并聯(lián)后的電壓反而比一般情況下的電壓高。此時(shí)應(yīng)考慮在多股道連接點(diǎn)處進(jìn)行集中接地處理。通過圖5c可以看出，對站場附近的鋼軌進(jìn)行集中接地后，鋼軌的電位明顯降低。

4 結(jié)束語

通過對鋼軌的視在阻抗進(jìn)行分析，并以視在阻抗為參數(shù)，對大型鐵路站場附近的鋼軌電壓分布進(jìn)行了分析。研究結(jié)果如下：

①集中接地可以有效地降低鋼軌的電位。

②線路端部附近的鋼軌電位明顯高于普通線路條件下的鋼軌電位，因此應(yīng)進(jìn)行該處進(jìn)行加強(qiáng)接地處理，可以考慮埋設(shè)集中接地極或?qū)⑵渑c附近建筑物的接地鋼筋相連。

③多股道并聯(lián)在初始階段可以有效地降低鋼軌電位，但由于多股道并聯(lián)的電阻較小，因此與一般情況相比，在多股道區(qū)間的壓降較小，因此當(dāng)距離超過一定范圍后，多股道并聯(lián)時(shí)的鋼軌電壓反而比一般情況下高，應(yīng)在多股道連接處進(jìn)行集中接地處理。

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