電氣化鐵路分區(qū)所接地電阻研究

侯東光

0 引言

牽引變電所接地系統(tǒng)是維持所內(nèi)設(shè)備可靠運(yùn)行及人員安全的重要保障。隨著鐵路運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，對(duì)鐵路牽引供電系統(tǒng)的安全可靠性提出了更高的要求，各所亭內(nèi)接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)及參數(shù)的選取也逐漸成為了工程設(shè)計(jì)中關(guān)注的焦點(diǎn)。同時(shí)，牽引變電所正朝著智能化和緊湊化方向發(fā)展，變電所內(nèi)一次和二次設(shè)備對(duì)接地系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。所內(nèi)一旦發(fā)生短路故障，故障電流涌入接地網(wǎng)，造成接地系統(tǒng)電位抬升，可能會(huì)對(duì)變電所內(nèi)的設(shè)備和人員安全造成一定的危害。因此，研究牽引變電設(shè)施接地系統(tǒng)接地參數(shù)在故障情況下對(duì)牽引供電系統(tǒng)的影響具有重要的工程意義。

借助理論分析及計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù)，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)對(duì)牽引變電所接地網(wǎng)接地參數(shù)[1]及綜合接地系統(tǒng)[2，3]有了較多的分析和研究，但對(duì)于分區(qū)所接地網(wǎng)接地參數(shù)的研究相對(duì)較少。本文將借助電路仿真軟件搭建電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)模型，對(duì)分區(qū)所接地網(wǎng)接地參數(shù)進(jìn)行分析和研究。

1 牽引供電系統(tǒng)仿真模型建立及參數(shù)設(shè)置

牽引網(wǎng)各導(dǎo)體之間的耦合關(guān)系，牽引及回流路徑，牽引變電所、AT所及分區(qū)所的等效電路等，并結(jié)合工程實(shí)際確定仿真模型中的各項(xiàng)參數(shù)。

1.1 仿真模型建立

牽引供電系統(tǒng)中各導(dǎo)體主要以平行的位置關(guān)系布置，每個(gè)導(dǎo)體的阻抗由自阻抗及導(dǎo)體間互阻抗構(gòu)成。在利用電路仿真軟件建立牽引供電系統(tǒng)仿真模型時(shí)，可將牽引網(wǎng)分割為一定長(zhǎng)度的子網(wǎng)模型，通過(guò)π型等效電路搭建子網(wǎng)模型，并將子網(wǎng)模型進(jìn)行級(jí)聯(lián)，構(gòu)成牽引網(wǎng)鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)模型。

如圖1所示，AT供電方式牽引網(wǎng)導(dǎo)線主要由接觸線CW、承力索MW、正饋線AF、鋼軌、保護(hù)線PW及貫通地線GW組成。在仿真中，將承力索和接觸線等效為T(mén)線，2條鋼軌合并為R，因此等效后的復(fù)線牽引網(wǎng)模型中共包含10個(gè)導(dǎo)體[4]。同時(shí)仿真中還需考慮牽引變壓器、自耦變壓器及橫向連接等模塊，與牽引網(wǎng)鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)模型共同構(gòu)成牽引供電系統(tǒng)仿真模型。

圖1 AT牽引供電系統(tǒng)導(dǎo)線懸掛示意圖

1.2 仿真參數(shù)選取

仿真中選取牽引供電系統(tǒng)電壓等級(jí)為220 kV，供電臂長(zhǎng)度為30 km，分為2個(gè)AT段，AT所距離牽引變電所15 km。牽引網(wǎng)鏈路模型以1 km為單元進(jìn)行模塊劃分，同時(shí)每隔1 km將保護(hù)線、鋼軌及綜合地線進(jìn)行橫向連接。牽引變壓器及自耦變壓器仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 牽引變壓器及自耦變壓器仿真參數(shù)

結(jié)合牽引網(wǎng)各導(dǎo)體的空間位置，利用經(jīng)典公式計(jì)算各導(dǎo)體的自阻抗及互阻抗[5]，其中為簡(jiǎn)化仿真模型，綜合貫通地線與各導(dǎo)體之間的互阻抗暫不考慮。仿真中選取鋼軌對(duì)地泄漏電阻為100 Ω/km，綜合貫通地線接地電阻為1 Ω。將AT所及分區(qū)所自耦變壓器退出，即可進(jìn)行直供方式的牽引供電系統(tǒng)仿真。

2 牽引供電系統(tǒng)分區(qū)所短路故障仿真分析

牽引供電系統(tǒng)中分區(qū)所內(nèi)部發(fā)生對(duì)地短路故障時(shí)，部分故障電流經(jīng)過(guò)主接地網(wǎng)注入大地，部分通過(guò)PW線、鋼軌、回流線及貫通地線流向牽引變電所，除此之外對(duì)于AT分區(qū)所，還會(huì)有部分故障電流流入自耦變壓器的接地端。因此不同的供電方式下，故障電流的流通路徑及各部分的比例會(huì)有所不同，故仿真中針對(duì)直供無(wú)綜合接地、直供帶綜合接地及AT供電帶綜合接地3種供電方式下分區(qū)所接地電阻對(duì)牽引供電系統(tǒng)短路故障時(shí)的影響進(jìn)行分析。

2.1 直供無(wú)綜合接地系統(tǒng)供電方式仿真分析

對(duì)于直接供電方式且鐵路沿線無(wú)綜合接地線的供電方式，分區(qū)所內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí)，故障電流一部分經(jīng)過(guò)主接地網(wǎng)進(jìn)入大地，另一部分通過(guò)鋼軌和回流線流向牽引變電所。

選取分區(qū)所處對(duì)地短路電流為3 000 A，仿真中選取了不同的分區(qū)所接地電阻，對(duì)分區(qū)所地網(wǎng)電位、入地電流及沿線鋼軌電位進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如表2和圖2所示。

表2 分區(qū)所接地電阻對(duì)地網(wǎng)電位及入地電流的影響

圖2 鐵路沿線鋼軌電位的分布

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，隨著分區(qū)所接地電阻值的增大，短路故障時(shí)分區(qū)所主地網(wǎng)電位也隨之升高，而經(jīng)主地網(wǎng)入地的故障電流及入地電流與短路電流比逐漸減小。

從圖2的鋼軌電位分布可發(fā)現(xiàn)，短路點(diǎn)處的電位最高，距離牽引變電所越近，軌道電位呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。分區(qū)所接地電阻的增加將會(huì)引起大范圍的鋼軌電位抬升。

選取分區(qū)所接地電阻為4 Ω，分析不同短路電流對(duì)分區(qū)所地網(wǎng)電位及入地電流的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 分區(qū)所短路電流對(duì)地網(wǎng)電位及入地電流的影響

由仿真結(jié)果可得，分區(qū)所接地電阻一定時(shí)，分區(qū)所地網(wǎng)電位及入地電流隨短路電流的增大而增加，且呈正比例關(guān)系。結(jié)合表2和表3，分區(qū)所的地網(wǎng)入地電流比不受短路電流的影響，主要與接地電阻有關(guān)。

2.2 直供帶綜合接地系統(tǒng)供電方式仿真分析

對(duì)于直供且?guī)ЬC合接地的供電方式，分區(qū)所內(nèi)發(fā)生短路故障時(shí)，故障電流部分經(jīng)分區(qū)所地網(wǎng)入地，其余部分經(jīng)鋼軌、回流線及綜合接地線流向牽引變電所。結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置綜合接地系統(tǒng)接地電阻為1 Ω。

選取分區(qū)所處對(duì)地短路電流為3 000 A，不同分區(qū)所接地電阻時(shí)仿真結(jié)果如表4和圖3所示。

表4 分區(qū)所接地電阻對(duì)地網(wǎng)電位等參數(shù)的影響

圖3 鐵路沿線鋼軌電位的分布

由表4數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著分區(qū)所接地電阻的增大，短路故障時(shí)分區(qū)所地網(wǎng)入地電流逐漸減小，綜合貫通地線中的電流逐漸增大。分區(qū)所接地電阻為50 Ω時(shí)，主地網(wǎng)的入地電流比僅為0.4%，綜合貫通地線中的電流比為16.2%，此時(shí)絕大部分短路電流經(jīng)綜合貫通地線、鋼軌及回流線流回牽引變電所。分區(qū)所接地電阻從50 Ω增加至100 Ω時(shí)，接地網(wǎng)電位、入地電流及綜合貫通地線電流等參數(shù)變化較小。

選取分區(qū)所接地電阻為4 Ω，分析短路電流對(duì)分區(qū)所地網(wǎng)電位、入地電流及綜合貫通地線電流的影響，結(jié)果如表5所示。從仿真結(jié)果可得，短路電流的增加會(huì)引起分區(qū)所地網(wǎng)電位、地網(wǎng)入地電流及貫通地線內(nèi)電流的增加，但對(duì)于分區(qū)所入地電流比及綜合貫通地線電流比沒(méi)有影響。

表5 分區(qū)所短路電流對(duì)地網(wǎng)電位等參數(shù)的影響

對(duì)比表3和表5可發(fā)現(xiàn)，在相同的短路電流及接地電阻下，鐵路沿線敷設(shè)綜合貫通地線可以將分區(qū)所地網(wǎng)的入地電流比從17%降低至4.2%，從而降低了短路故障時(shí)分區(qū)所地網(wǎng)電位的抬升。同時(shí)，綜合接地系統(tǒng)的接地電阻遠(yuǎn)小于鋼軌對(duì)地泄漏電阻，因此可以有效降低短路故障時(shí)的鋼軌電位。

2.3 AT供電帶綜合接地系統(tǒng)供電方式仿真分析

對(duì)于AT供電方式帶綜合接地系統(tǒng)，當(dāng)分區(qū)所內(nèi)部發(fā)生對(duì)地短路故障時(shí)，由于自耦變壓器的作用，部分故障電流會(huì)流入自耦變壓器內(nèi)，部分電流經(jīng)主地網(wǎng)入地，剩余部分電流經(jīng)PW線、鋼軌及綜合貫通地線流回牽引變電所。選取綜合貫通地線接地電阻為1 Ω進(jìn)行仿真。

選取分區(qū)所內(nèi)短路電流為5 000 A，不同分區(qū)所接地電阻時(shí)仿真結(jié)果如表6、圖4所示。由表6數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，在AT供電方式且?guī)ЬC合貫通地線的情況下，分區(qū)所接地電阻在1～100 Ω范圍內(nèi)變化時(shí)，短路電流引起的地網(wǎng)電位僅為75.6～117.7 V，同時(shí)綜合貫通地線內(nèi)流入的電流也僅占短路電流的1.3%～2.0%。

表6 分區(qū)所接地電阻對(duì)地網(wǎng)電位等參數(shù)的影響

圖4 鐵路沿線鋼軌電位的分布

從圖4中可看出，鐵路沿線鋼軌電位的2個(gè)極值點(diǎn)出現(xiàn)在分區(qū)所和AT所處，分區(qū)所接地電阻對(duì)鋼軌電位的影響效果明顯減弱。

取分區(qū)所接地電阻為4 Ω，分析短路電流對(duì)分區(qū)所、AT所地網(wǎng)電位及分區(qū)所入地電流、綜合貫通地線電流的影響，結(jié)果如表7所示。表7中結(jié)果表明，分區(qū)所接地電阻為4 Ω，短路電流從2 000 A增加至5 000 A時(shí)，分區(qū)所的地網(wǎng)電位由42.1 V增加到103.6 V，貫通地線內(nèi)的電流從36.3 A增加至89.4 A。在AT供電方式下短路故障電流經(jīng)主地網(wǎng)入地的電流占短路電流的比例較小，分區(qū)所接地電阻變化對(duì)于地網(wǎng)電位及綜合貫通地線內(nèi)的電流影響較小。

表7 分區(qū)所短路電流對(duì)地網(wǎng)電位等參數(shù)的影響

3 結(jié)論

結(jié)合規(guī)范要求，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，接地網(wǎng)電位抬升不得超過(guò)2 000 V，在難以滿足的情況下可放寬至5 000 V[6]。根據(jù)3種供電方式的仿真結(jié)果可得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于直接供電且鐵路沿線無(wú)綜合接地線的供電方式，分區(qū)所接地電阻的變化對(duì)短路時(shí)地網(wǎng)電位抬升的影響較大。當(dāng)短路電流為3 000 A，接地電阻為4 Ω時(shí)，地網(wǎng)電位已經(jīng)達(dá)到2 039 V，超過(guò)規(guī)范允許值。因此，該供電方式下的分區(qū)所接地電阻不宜過(guò)大。

（2）對(duì)于直接供電且?guī)ЬC合接地的供電方式，由于貫通地線可分擔(dān)一部分短路電流，減少了分區(qū)所地網(wǎng)入地電流，因此分區(qū)所地網(wǎng)電位抬升均未超過(guò)2 000 V。但隨著分區(qū)所接地電阻的增大，貫通地線內(nèi)的電流也隨之增大，可能會(huì)對(duì)與綜合貫通地線相連接的其他設(shè)備及與貫通地線同溝敷設(shè)的信號(hào)電纜產(chǎn)生一定的干擾。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，該供電方式下的分區(qū)所接地電阻在綜合考慮工程經(jīng)濟(jì)性及對(duì)沿線設(shè)備的影響后，可適當(dāng)增大。

（3）對(duì)于AT供電且?guī)ЬC合接地系統(tǒng)的供電方式，分區(qū)所短路故障電流僅有一小部分通過(guò)地網(wǎng)入地，進(jìn)入綜合貫通地線的電流也較少，因此接地電阻對(duì)地網(wǎng)電位抬升的影響很小，接地電阻的裕量較大。但AT供電方式在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中存在解列成直供方式的可能，因此在選取分區(qū)所接地電阻時(shí)需參考直供且?guī)ЬC合接地系統(tǒng)供電方式參數(shù)選擇原則。