高速鐵路典型牽引變電所回流異常分析與抑制方案研究

黃文勛

(軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，西安 710043)

引言

我國(guó)高速鐵路采用單相工頻交流制牽引供電系統(tǒng)和單邊供電模式，牽引回流以鋼軌、大地和其他線纜作為通路返回牽引變電所[1-2]。目前已開通運(yùn)營(yíng)的線路有部分牽引變電所存在地網(wǎng)回流比例偏大、同一變電所兩供電臂回流占比差不同、環(huán)境條件類似的相鄰牽引所回流占比明顯差異等問題。過大的地回流存在加劇牽引變電所主地網(wǎng)腐蝕、抬升牽引變電所地電位以及燒損線纜接頭等風(fēng)險(xiǎn)[3-6]。工程實(shí)際中牽引變電所各牽引回流路徑占比受到多項(xiàng)因素影響，文獻(xiàn)[7-8]基于近年高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了牽引回流分配指標(biāo)的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[9-10]研究了城市軌道交通中回流系統(tǒng)及鋼軌電位特性；文獻(xiàn)[11-12]分析了在隧道及站場(chǎng)中牽引回流系統(tǒng)特性；文獻(xiàn)[13-14]分析了綜合接地對(duì)鋼軌電流及電位的影響；文獻(xiàn)[15-17]分析了牽引變電所地回流與變電所及分區(qū)所地網(wǎng)電阻、土壤電阻率、電力機(jī)車位置等之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[18-19]研究了牽引變壓器接線形式、牽引網(wǎng)供電方式、電力機(jī)車類型、鋼軌泄漏阻抗等因素對(duì)鋼軌電位的影響。上述文獻(xiàn)在牽引變電所地網(wǎng)回流占比分析中，對(duì)接觸網(wǎng)與鋼軌間電磁耦合、鋼軌大地間傳導(dǎo)、牽引變電所接地電阻等因素的影響進(jìn)行了分析，但均未考慮牽引變電所變壓器中性點(diǎn)端子與鋼軌間連接的回流導(dǎo)線(以下簡(jiǎn)稱N線)影響。

本文基于高速鐵路牽引供電系統(tǒng)回流分布模型，給出了包含N線影響的不同位置鋼軌電位和電流計(jì)算公式，分析了N線阻抗變化對(duì)牽引回流的影響。結(jié)合實(shí)際工程案例，得到了不同設(shè)計(jì)參數(shù)下牽引回流分布規(guī)律，得出了牽引變電所地網(wǎng)回流過大的原因，并有針對(duì)性地提出了抑制方案。對(duì)比工程整改前后的差異，驗(yàn)證了上述模型分析和解決方案的正確性，對(duì)高速鐵路牽引回流系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要參考。

1 考慮N線影響的直接供電方式下鋼軌電流、電位理論計(jì)算分析

高速鐵路牽引供電系統(tǒng)采用綜合接地，牽引電流沿著鋼軌、貫通地線、PW線(回流線)、大地及N線返回牽引變壓器。根據(jù)研究目的，將鋼軌、貫通地線、PW線(回流線)可以用等效鋼軌代替。以單線為例，牽引網(wǎng)等效電路如圖1所示。

圖1 單線牽引網(wǎng)等效電路

如圖1所示，接觸網(wǎng)—地和鋼軌—地回路的自阻抗分別z1、z2，這兩個(gè)導(dǎo)線—地回路之間的互阻抗z12，鋼軌—地之間的單位長(zhǎng)分布導(dǎo)納y。假設(shè)鋼軌的參數(shù)均勻分布且無限長(zhǎng)，兩根鋼軌并聯(lián)，電流分布相同。

考慮N線阻抗及N線與供電線互阻抗的鋼軌各區(qū)段電流、電位計(jì)算方法推導(dǎo)如下。

1.1 0≤x≤l區(qū)段

如圖1所示，在0≤x≤l區(qū)段，由傳輸線理論，鋼軌電位、電流在x正方向上有

(1)

式(1)整理得

(2)

式(2)的通解為

(3)

以下根據(jù)邊界條件求A、B。

條件1：在牽引變電所處，根據(jù)圖1可得出如下等式

(4)

式(4)中，ZN為N線阻抗；ZE為牽引變電所接地電阻；KN=ZFN/ZN為N線與供電線感應(yīng)系數(shù)。

對(duì)式(4)進(jìn)行整理，有

(5)

條件2：在機(jī)車處(x=l)，可得

整理可得

(6)

將式(5)代入式(6)可求得

(7)

因此，將式(6)、式(7)代入式(3)，可求得0≤x≤l區(qū)段鋼軌電流、電位為

(8)

1.2 x<0區(qū)段

如圖1所示，在x<0區(qū)段，由傳輸線理論，鋼軌電位、電流有

(9)

當(dāng)x→0，由于電位的連續(xù)性，可得

(10)

將B0=0及式(10)代入式(9)，即得x<0區(qū)段的鋼軌電流、鋼軌電位計(jì)算公式。

1.3 x>l區(qū)段

如圖1所示，在x>l區(qū)段，由傳輸線理論，鋼軌電位、電流有

(11)

當(dāng)x→l，由于電位的連續(xù)性，可得

即

(12)

將Al=0及式(12)代入式(11)，即得x>l區(qū)段的鋼軌電流、鋼軌電位計(jì)算公式。

2 考慮N線影響的AT供電方式下鋼軌電流、電位計(jì)算

AT供電方式下的鋼軌電流、電位計(jì)算，可以根據(jù)替代原理與疊加原理，利用牽引網(wǎng)電流與鋼軌電位計(jì)算的“可解耦”性，在直接供電方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行推導(dǎo)。第1個(gè)AT段的電路示意如圖2所示。

由替代原理，圖2(a)可用圖2(b)所示的等值電路表示。根據(jù)疊加原理，圖2(b)可分解為圖2(c)與圖2(d)。由于圖2(c)中負(fù)饋線電流為零，相當(dāng)于直接供電方式，即可用直接供電方式的式(8)、式(10)、式(12)計(jì)算鋼軌電流、電位。

圖2 第1個(gè)AT段鋼軌電流、電位計(jì)算原理

圖2(d)中，T與F線電流方向相同(均流向牽引變電所)，因此可以將圖2(d)變形為圖2(e)，因此可用圖2(f)等值表示。將鋼軌感應(yīng)系數(shù)K=(zTR+zFR)/(2zR)代入式(8)、式(10)、式(12)，即可計(jì)算鋼軌電流、電位。

復(fù)線、列車在第二個(gè)AT段、多列車運(yùn)行等工況，可利用多導(dǎo)線理論[20]，在求得AT供電系統(tǒng)中列車、AT所、分區(qū)所等處電流后，使用疊加原理進(jìn)行計(jì)算。

3 典型高速鐵路計(jì)算

3.1 計(jì)算條件

以某典型的高速鐵路為例，計(jì)算條件如下：

供電臂長(zhǎng)25 km，AT所位于供電臂中部；

列車距牽引所10 km，列車電流為900 A；

鋼軌對(duì)地泄漏電導(dǎo)為0.01 S/km；

牽引網(wǎng)采用CTMH150+JTMH120導(dǎo)線組合，PW線為JL/LB1A-125。

3.2 N線阻抗影響

設(shè)牽引變電所接地電阻為0.3 Ω，N線與供電線互感系數(shù)為0.3。當(dāng)N線阻抗分別為0.1，0.4，0.7，1.0 Ω時(shí)，鋼軌電流計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 不同N線阻抗鋼軌電流計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算可見，隨著N線阻抗增大，牽引變電所附近鋼軌電流減小，即牽引變電所地網(wǎng)回流占比增大。

3.3 N線與供電互感系數(shù)影響

設(shè)牽引變電所接地電阻為0.3 Ω，設(shè)N線阻抗為0.4 Ω。當(dāng)N線與供電線互感系數(shù)分別取0.1，0.2，0.3，0.4，0.5時(shí)，鋼軌電流計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 不同互感系數(shù)影響鋼軌電流計(jì)算結(jié)果

由此可見，隨著N線與供電線間互感系數(shù)的增加，牽引變電所附近鋼軌電流增大，即牽引變電所地網(wǎng)回流占比減小。

3.4 牽引變電所接地電阻影響

設(shè)N線阻抗為0.4 Ω，當(dāng)牽引變電所地網(wǎng)不同接地電阻時(shí)，鋼軌電流計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 不同牽引所接地電阻鋼軌電流計(jì)算結(jié)果

由圖5可見，隨著牽引所接地電阻增長(zhǎng)，牽引變電所近端鋼軌電流將逐步增大，即牽引變電所地網(wǎng)回流占比逐步減小。

4 抑制方案

4.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況

對(duì)地網(wǎng)異常的某高速鐵路牽引變電所進(jìn)行測(cè)試。該項(xiàng)目速度目標(biāo)值為250 km/h，牽引變電所進(jìn)線電壓等級(jí)為330 kV，牽引供電系統(tǒng)采用AT供電方式，牽引變電所兩側(cè)鐵路均為橋梁形式。

分別在鐵路線路上、牽引變電所回流接地箱處進(jìn)行了測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況如圖6所示，牽引變電所回流測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

4.2 數(shù)據(jù)分析及工程整改措施

根據(jù)表1可見，列車位于牽引變電所右側(cè)時(shí)，牽引變電所地回流占比正常(<50%)，但當(dāng)列車位于牽引變電所左側(cè)時(shí)，牽引變電所地回流占比超標(biāo)(>50%)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查，兩側(cè)供電臂接觸網(wǎng)與鋼軌間電磁耦合特性、鋼軌大地間傳導(dǎo)特性均無明顯差異。

表1 整改前牽引變電所回流測(cè)試數(shù)據(jù)

為此，根據(jù)上節(jié)研究結(jié)論，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，采取的工程措施如下。

(1)優(yōu)化N線路徑，通過在牽引所內(nèi)重新挖溝敷設(shè)N線，避免N線迂回，降低N線阻抗。

(2)自牽引變電所向兩側(cè)最近扼流變壓器增設(shè)絕緣懸掛的回流線(上、下行均采用單根JL/LB1A-250 mm2)。為增加N線與供電線互感系數(shù)采取措施：回流線盡可能采用架空架設(shè)；在供電線獨(dú)立架設(shè)區(qū)段，與供電線合架；在無供電線區(qū)段，與接觸網(wǎng)合架。

整改后，牽引變電所回流測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 整改后牽引變電所回流測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，整改后，當(dāng)列車位于該牽引變電所左側(cè)時(shí)，地網(wǎng)回流占比降低，滿足要求。

5 結(jié)論

本文對(duì)高速鐵路牽引變電所回流異常情況進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下。

(1)首先推導(dǎo)了包含N線阻抗及N線與供電線互感影響、帶回流線直接供電方式下的鋼軌電流、電位理論計(jì)算公式。然后，根據(jù)AT與帶回流線直接供電方式的差異，利用替代原理與疊加原理，得出AT供電方式下鋼軌電流、電位的計(jì)算公式。根據(jù)所得出公式，可以量化計(jì)算N線阻抗、N線與供電線間互感系數(shù)對(duì)牽引變電所回流的影響程度。

(2)提出了通過降低N線阻抗、增加N線與供電線互感系數(shù)以抑制回流異常的工程方案。經(jīng)過實(shí)際工程實(shí)踐，驗(yàn)證了抑制方案的工程效果。

(3)實(shí)際工程中，牽引變電所回流需在聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間才進(jìn)行測(cè)量。由于聯(lián)調(diào)聯(lián)試時(shí)大部分工程已經(jīng)完成，一旦發(fā)現(xiàn)回流異常，可采取的整改措施比較有限。為此，建議結(jié)合工程建設(shè)進(jìn)度，適時(shí)開展?fàn)恳冸娝拥仉娮?、鋼軌泄漏電?dǎo)、N線阻抗等參數(shù)測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果提前制定合理的工程措施。