电气化铁道牵引回流的分析

1关于电气化铁道牵引回流的分析随着铁路向高速重载方向发展，牵引电流越来越大，牵引回流值也相应增加，再加上多采用整体道床，钢轨-大地之间的泄漏电阻高，造成钢轨电位比既有的电气化铁路高得多。本文主要分析了各种供电方式下的牵引回流以及产生的影响，同时简要的提出了解决的建议。一、牵引回流和钢轨电位产生的不利影响钢轨是牵引回流的通道，也是轨道电路中信号电流的通道，由于牵引回流值增加，轨道电路信号设备、道床结构等均受到影响，并可能导致过高的钢轨电位损伤信号设备绝缘，而危协行车安全。不平衡的钢轨电流影响轨道电路正常工作；大量地中电流也会在信号设备尤其是电缆上积蓄电势，影响信号设备正常工作；过高的钢轨电位影响供电系统的运行性能，威胁车站旅客和维修人员安全；出现接触网-钢轨短路时，形成危险的接触电压和跨步电压等。如果在走行轨附近埋有地下管道、电缆和其他金属构件时，一部分杂散电流就会从上面流过。会对地下管道和其他金属构件造成严重腐蚀。二、交流牵引供电系统的供电回流方式交流牵引供电系统是交流电气化铁路从电力系统接引电源，降压转换后给电力机车供电的电力网络。我国交流电气化铁道采用工频单相交流制。接触网架在铁路上方，机车受电弓与其摩擦受电；钢轨既支持列车运行，又是导线，由于钢轨与大地没有绝缘，钢轨、大地一起接受机车的牵引回流；回流线把钢轨、大地中的牵引回流引入牵引变电所的主变压器。1、牵引网的供电方式牵引网的供电方式是由牵引网所完成的特殊输电功能的技术要求和经济性能所决定的，按分区所的运行状态，通常分单边供电、双边供电两种方式。我国现行的都是单边供电。按牵引网设备类型可分为直接供电(DF)方式、带回流线的直接供电2(DN)方式、吸流变压器(BT)供电方式、自耦变压器(AT)供电方式和同轴电缆力电缆(CC)供电方式等。同轴电缆力电缆供电方式在我国尚未采用。(1)直接供电方式这是一种最简单的供电方式，牵引网仅由接触网、钢轨(地)、吸上线组成，如图所示。牵引变电所吸上线接触网钢轨地中电流直接供电方式钢轨、大地中的电流较大，对邻近通信线路的干扰也较大。随着电气化铁路和通讯的发展，电磁干扰问题变得严重，于是在接触网上采用不同的防护措施，便产生了不同的供电方式。(2)BT供电方式BT供电方式即吸流变压器供电方式，有两种形式：有回流线形式和无回流线形式，分别如图所示。BT都是串入接触网的，间隔为1.5-4km，用于吸回地中电流，减少通信干扰。我国采用的BT供电方式都是BT-回流线方式，而英国、法国、瑞典两种方式都有应用，挪威只用BT-钢轨方式。牵引变电所吸上线接触网钢轨BT回流线BTBT供电方式(BT-回流线方式)3牵引变电所吸上线接触网钢轨BTBTBT供电方式(BT-钢轨方式)BT区段因为有吸流变压器“强迫”钢轨、大地中的电流经由回流线流回牵引变电所，钢轨和大地中的电流很小，大大减轻了对通信线路的干扰。BT供电方式增加了接触网的复杂性，提高了造价，因接触网中串联了吸流变压器，牵引网阻抗变大，接触网末端电压下降较快，供电臂长度将减小，约为直接供电方式的3/4。另外，因为存在火花间隙，所以不利于高速、重载等大电流运行。因此，BT供电方式近年来在新建线路已不再采用。(3)带回流线的直接供电方式这种供电方式是BT-回流线供电方式的简化形式，也可以看成是直接供电方式的改进形式。回流线与接触网同杆设置，一般在接触网上方或者外侧偏上架设。回流线与钢轨间的横连线间隔可视具体情况确定，一般可按1.5-5km设置。如图所示。牵引变电所吸上线接触网钢轨回流线带回流线的直接供电方式带回流线的直接供电方式能使钢轨电位大为降低，对通讯干扰有较好的抑制作用，其效果与回流线的布置方式、根数，横连线的间隔及有无串联补偿有关。带回流线的直接供电方式由于没有吸流变压器，降低了牵引网的阻抗，使供电臂延长约30%，同时回流线断线不会影响正常供电，这与BT供电方式不同。研究和实践表明，这是一种有前途的供电方式，应用也较为广泛。4(4)AT供电方式自耦变压器供电方式简称为AT供电方式，由自耦变压器、正馈线、接触网、保护线和钢轨组成。这种供电方式能迫使大部分牵引回流由正馈线和钢轨流回牵引变电所。如图所示。牵引变电所接触网钢轨正馈线ATATATAT供电方式AT供电方式牵引变电所输出电压为55kV，经自耦变压器向接触网供电，一端接正馈线，一端接接触网，中点抽头与钢轨相连。AT并联于牵引网中，不仅克服了BT串入接触网中产生BT分段的缺陷，还使供电电压成倍提高，牵引网阻抗较小，供电距离长，约为直接供电方式的170%-200%，接触网电压损失和电能损失都小，因此，AT供电方式是一种适合高速、重载等大电流运行的牵引供电方式。三、高速铁路供电回流系统的特点1、对于高速铁路，主要有以下几点和常速铁路不同(1)列车牵引电流大。目前我国大功率韶山4型电力机车，最大牵引电流约为380A，而16辆编组的动车组的牵引电流可达1000A。(2)牵引网短路电流大。高速铁路牵引变电所一般从电力系统220kV输电线受电，供电系统三相短路电流容量大，最大可超过10000MVA，可以认为牵引变电所接无穷大电源。对于额定容量50MVA，阻抗电压百分数为10.5的单相变压器，当变电所出口发生牵引网短路时，稳态短路电流可达18kA，变压器容量增大时，短路电流也相应增大。(3)钢轨对地泄露电阻大。高速铁路高架区段多，通常采用无砟轨道整体道床，钢轨泄漏电阻大；由于列车速度高，机车车辆车轮对钢轨冲击力大，因而，钢轨与轨枕间的垫板一般加5厚，该垫板在电气上属于绝缘材料；另外，信号专业要利用轨道电路传输列车控制信号，也要求两轨之间及轨对地间有好的绝缘。这些因素导致钢轨对地泄露电阻很大。2、以上因素致使高速铁路的牵引回流比常速铁路大得多，钢轨电位也高得多，产生了很多危害，主要有：(1)在车站站台上，乘客上下列车时，可能遭受电击或产生电麻感觉。(2)可能造成沿线维修人员的触电事故。(3)容易引起同轨道相连的信号设备的功能不良或故障。(4)会加速钢轨和轨枕之间绝缘垫板的老化，甚至烧毁。(5)两条钢轨之间容易产生大的不平衡电流，影响轨道电路正常工作。因此，对于高速铁路，必须采取适当的技术措施减小轨道电流，降低钢轨电位。在牵引供电系统中，牵引电流从变电所流出，经馈电线、接触网供给机车，然后牵引电流沿钢轨、大地和回流线回到变电所。牵引网电路模型可被简化等效成接触网与大地形成一个回路，轨道与大地形成另一个回路。如图所示。变电所12牵引网分成两个回路的情形轨道泄漏电阻对钢轨电位影响较大，钢轨电位随着泄漏电阻的增大而增大，因此降低钢轨泄漏电阻能达到降低钢轨电位的目的。然而，高速客运专线广泛采用无砟轨道，并且我国客运专线高架区段多，这使得减小钢轨泄漏电阻变得很难，需要通过其他措施降低钢轨电位。通过对不同情况下钢轨电位的分析可以得到以下结论：(1)在机车正常运行时，不设综合地线，钢轨电位最大值已经接近200V，超过了安全标准值；设置综合地线后，钢轨电位最大值不到50V，钢轨电位明显下降，说明综合地线能有效地降低钢轨电位。6(2)在接触网-钢轨发生短路时，不设综合地线，钢轨电位将达到2000V；设置综合地线后，钢轨电位明显降低。但在这种故障情况下，对于轨道附近的人员，接触钢轨和路基上的设备，都是危险的。(3)在接触网-钢轨短路情况下，在牵引变电所附近3km范围内，钢轨电位比其他位置高很多，因为短路电流大部分由此处流入钢轨，然后进入变电所接地系统。所以变电所附近是防护钢轨电位的重点区域，可以在变电所附近车站站台表面实施绝缘。(4)在没有设置综合地线时，钢轨泄漏电阻对钢轨电位的影响比较大，减小泄漏电阻可以起到降低钢轨电位的作用；设置综合地线后，虽然泄漏电阻相差很大，但是钢轨电位变化不大。这说明在设置综合地线后，泄漏电阻对钢轨电位的影响不大。因此，在无砟轨道高架区段等钢轨泄漏电阻大的区段设置综合接地系统是非常必要的。四、降低钢轨电位的措施在高速铁路上，牵引网的综合接地系统通常采用上下行轨道各设置一根综合贯通地线，就可以满足设计要求，钢轨、保护线每隔1.5km与综合地线相连接。高速铁路设计时速在300-350km/h时，综合贯通地线横截面面积不小于70mm2；设计时速为200-250km/h时，综合贯通地线的截面面积可选为35-50mm2，才能满足综合地线接地电阻1Ω的要求。在综合接地系统中，综合地线在变电所、开闭所、AT所、分区所和配电所位置应与地网可靠连接，这样综合地线就为铁路沿线的电气设备和栏杆等提供了可靠的接地措施。轨道接地在完全连接处实现，由于轨道电路断轨检测的需要，横向连接线的间距一般为1.5km。在车站附近，考虑轨道电路因素，横向连接线间距可以减小到600m。为减小短路情况下保护线的电位，可以将保护线和综合地线每隔300-500m横线连接，这样可以将保护线安全接地。在高速铁路牵引供电系统中，设计时需要首先计算出供电臂范围内正常运行和短路故障时钢轨电位，结合安全接地标准，对综合接地系统进行设计和修正，以保证人员和设备的安全。7从本质上讲，降低钢轨电位就是要降低回流路径纵向阻抗、降低钢轨对大地的泄漏电阻和增强回流网络与供电网络之间的电磁耦合。概括起来，降低钢轨电位的措施主要有以下几种：(1)设置综合地线。综合地线可以有效降低钢轨电位。(2)将上下行钢轨充分横向连接。对于复现或多线铁路，可以通过将不同轨道的钢轨进行横向连接，从而减小钢轨阻抗。(3)对AT供电方式的牵引网，需加保护线（PW），曾设CPW线。由于PW线是与钢轨并联的，充分利用它的分流作用，能够减小整个回流网络的串联阻抗。对带回流线的直接供电方式牵引网，增设吸上线。(4)利用接触网支柱基础作接地极，把带回流线的直接供电方式的NF线和AT供电方式的PW线接地。(5)充分利用线路旁边的各种建筑、结构的基础作自然接地极，比如高架区段的桥墩，将有关牵引网导线接地。(6)特设集中接地极，将有关牵引网导线接地。在降低钢轨电位的各种措施中，凡涉及到与钢轨连接的，都要受到信号专业轨道电路的限制，对于无绝缘轨道电路，连接在空心线圈中点，以免在两轨道中产生不平衡牵引回流，对轨道电路造成不良影响。作者：