AT供電方式下影響鋼軌電位的因素分析

杜雪松，段勝朋，申 寧

（西南交通大學 電氣工程學院，碩士研究生，四川 成都 610031）

當今鐵路建設中，AT供電方式適合高速重載大電流運行、具有良好防干擾效果〔1〕，同時還具有現行其他供電方式不具有的技術優勢，所以廣為采用〔2〕。在AT供電方式中，鋼軌是牽引網回流網絡的重要組成部分，由于鋼軌同道床間的接觸是電氣上的不良絕緣，存在鋼軌-地的泄露電導率，當牽引電流回流時必然會形成較高的鋼軌電位。處理不當會對鐵路沿線的人員安全以及設備安全造成威脅。

較既有的電氣化鐵路而言，客運專線列車具有運行速度高、牽引電流大、短路電流大、行車密度高、軌地泄漏電阻大等特點，它產生的軌地電位問題十分嚴重〔3〕。因此，近年來國內外專家對鋼軌電位越來越關注〔4〕，只有了解了系統中每個因素對鋼軌電位的影響情況,才能有效的采取措施降低鋼軌電位〔5、6〕。

1 CPW線

為了降低鋼軌電位通常會設置保護線（PW線），并用CPW線將鋼軌與保護線做有效連接。AT段內CPW線將AT段平均分成若干份，數量越多降低鋼軌電位的效果越好，但是投資也就越大。所以CPW設置數目需要在效果與經濟之間找到平衡點〔7、8〕。

本文主要研究AT牽引網主要參數對鋼軌電位的影響情況。全文計算導線選取：承力索型號為IJ-95，接 觸 線 TCG-100，饋線 TGJ-185，保 護 線TGJ-120，鋼軌P60〔1、9〕。

通過仿真計算可以看到，在第一個AT區段內，無CPW線時，當列車運行到AT區段中間段時鋼軌點位最大值為116.80 V（見圖1）；在一個AT段中間加設一條CPW線后，鋼軌電位最大值可降低到98.63 V（見圖2）；兩種情況下鋼軌點位最大值減小18.17 V,降壓比為15.56%。隨著CPW線的增加，對鋼軌的降壓效果逐漸減弱（見表1）。

圖1 無CPW線時第一個A T區段內鋼軌電位情況

圖2 一個A T區段設置1條CPW線時鋼軌電位情況

表1 CPW線對鋼軌電位的影響

2 泄露電導率

鋼軌的泄露電導會影響鋼軌電位，目前國內外對鋼軌電導的取值各有不同，而且差別較大：日本板式軌道泄漏電導取值范圍為0.0 001～0.2 S/km，有渣軌道的泄露電導取值范圍為0.01～0.1 S/km；德國泄露電導的取值范圍為0.02～50 S/km〔10〕。

鋼軌泄露電導取0.2 S/km，0.4 S/km，0.6 S/km。通過仿真計算可以看，鋼軌泄露電導率取值變化時，鋼軌電位情況變化情況十分明顯，隨著鋼軌泄露電導率的增大，鋼軌電壓呈下降趨勢，當泄漏電導率為0.2 S/km時，兩種情況下鋼軌電位最大值為137.07 V和115.31 V；當泄漏電導率為0.4 S/km時，兩種情況下鋼軌電位最大值為93.67 V和89.94；當泄漏電導率為0.6S/km時，鋼軌點位最大值為77.92 V和76.87 V（見圖3、圖4），計算中AT漏抗取值為0.45 Ω。泄露電導率位0.2 S/km時，兩種情況下降壓比為31.44%與22%（見表2），降壓效果顯著。

圖3 無CPW線時取不同泄露電導時鋼軌電位情況

圖4 設CPW線時取不同泄露電導時鋼軌電位情況

表2 泄露電導變化時鋼軌電位最大值情況

3 A T漏抗

自耦變壓器漏抗（AT漏抗）為影響鋼軌電位的因素之一，除了影響鋼軌電位外，對防干擾也有較大影響，自耦變壓器的阻抗越大，鋼軌至饋線間的阻抗就大，每個變電所將鋼軌和地中電流吸至正饋線的效果小，電磁感應影響大，降低了自耦變壓器的防干擾效果，電能損耗也增大；反之亦然。一般計算中將AT漏抗這算至低壓側規定為0.45 Ω〔11〕。

AT漏抗分別取為0.15 Ω，0.45 Ω，0.75 Ω。通過仿真計算可以看到，AT漏抗值變化會對自耦變壓器附近鋼軌電位產生影響。隨著AT漏抗值的增大，自耦變壓器附近鋼軌電位呈上升趨勢，當AT漏抗取0.15 Ω時，兩種情況下AT處鋼軌電位為16.51 V和17.50 V；當AT漏抗取0.45 Ω時，兩種情況下AT處鋼軌電位為28.74 V和26.27 V；當AT漏抗取0.75 Ω時，AT處鋼軌電位為37.39 V和32.56 V,同時AT漏抗值改變只對自耦變壓器附近鋼軌電位有影響，對整個鋼軌電位沿線分布影響不大（見圖5、圖6）。無CPW線時AT漏抗取0.15 Ω，0.45 Ω，0.75 Ω時，AT處鋼軌電位大小分別為16.51 V、28.74 V和37.39 V；AT段內設置一條CPW線時AT處電位為17.50 V、26.27 V和32.56 V（見表3），可見隨著AT漏抗值增大，AT漏抗處電壓降增大。計算中鋼軌電導取為0.2 S/km。

圖5 無CPW線時取不同A T漏抗時鋼軌電位情況

圖6 設CPW線時取不同A T漏抗時鋼軌電位情況

表3 A T漏抗變化時A T變壓器附近鋼軌電位值情況

4 鋼軌橫連

為了降低鋼軌電位，復線情況下通常還會采用鋼軌橫連的措施，方法是每隔一段距離便將上下線鋼軌并聯〔12〕。在AT漏抗值為0.45 Ω，鋼軌泄露電導為0.2 S/km以及一個AT段設置一條CPW線的情況下仿真計算。假設列車只運行在上行線路上，通過仿真計算看到，增設鋼軌橫連線后，上行線路的鋼軌電位得到了極大的降低，在設置鋼軌橫連線處降壓情況較為明顯。每隔6 km設置鋼軌橫連線時，上行線路電壓為108.96 V；每隔2 km設置鋼軌橫連線時，上行線路電壓為82.96 V（見圖7、圖8）。當設置橫連線時，列車所在鋼軌的電壓得到了明顯降低，降壓效果明顯，設置鋼軌橫連線為每隔6 km與每隔2km時，電壓降為34.52 V，降壓率為31.6%（見表4）。下行線路點位如表5所示。由此可以看出，鋼軌橫連線數目增加時，上下行鋼軌電位大小越接近。

圖7 每隔6k m設置鋼軌橫連情況

圖8 每隔2k m設置鋼軌橫連情況

表4 橫連間隔不同時上行線鋼軌電位情況

表5 橫連間隔不同時下行線鋼軌電位情況

5 結論

在Matlab/Simulink數學模型基礎上，選擇實際的線路進行仿真計算。在不同泄露電導、有無CPW線以及不同AT漏抗的情況下進行計算，結果表明：

1）由圖形和分析結果可以看出，設置CPW線、改變泄露電導，使用鋼軌橫連均能對鋼軌電位造成較大影響，其中泄漏電導值改變對鋼軌電位的影響最大，從0.2 S/km至0.6 S/km，最高壓降達到了59.1 V，降低達到了43.15%，并且可以看到在變化過程中每個AT段中間位置的變化最大。設置CPW線與鋼軌橫連后，設置裝置處的鋼軌電位得到了較大的降低。AT漏抗值的改變時，自耦變壓器周圍的鋼軌電位會受到影響，但其他位置鋼軌電位影響較小。

2）增加的CPW線，加大鋼軌泄露電導，增加鋼軌橫連數目是降低鋼軌電位的有效途徑，通過合理選擇可以在經濟性和安全性上找到平衡點，可使經濟耗費降到最低同時達到安全標準。

〔1〕李群湛;賀建閩,牽引供電系統分析〔M〕.2007,四川成都：西南交通大學出版社.

〔2〕繆耀珊,交流電氣化鐵道的鋼軌對地電位問題〔J〕.電氣化鐵道,2007（04）：p.1-6.

〔3〕吳德范,電氣化鐵路AT供電參數選擇的研究〔J〕.中國鐵路,1994（01）：p.23-25+32.

〔4〕辛成山,關于省掉變電所AT的討論〔J〕.電氣化鐵道,1998（01）：p.1-4.

〔5〕馮金博,高速鐵路車網匹配研究〔D〕.2008,西南交通大學

〔6〕何俊文;李群湛;劉偉;周曉輝,交流牽引供電系統仿真通用數學模型及其應用〔J〕.2007.

〔7〕李愛武;解紹鋒;牛朋超;馬志剛,電氣化鐵道復線AT供電網絡研究〔J〕.鐵道運營技術,2010（03）：p.44-47.

〔8〕吳命利;黃足平;辛成山.降低電氣化鐵道鋼軌電位技術措施的研究〔J〕.鐵路客運專線建設技術交流會.2005.中國湖北武漢.

〔9〕解紹鋒;汪吉健;魏宏偉;馬勁飛.高速鐵路鋼軌電位計算及限制方案研究〔J〕.中國鐵道學會電氣化委員會2006年學術會議.2006.中國陜西.

〔10〕張民,何正友;方雷;錢清泉,自耦變壓器供電方式下降低高速鐵路鋼軌電位的方法及其仿真分析〔J〕.電網技術,2011（03）：p.80-84.

〔11〕彭晨,AT供電方式在高速電氣化鐵路中的應用〔J〕.電氣技術,2009（09）：p.76-79+88.

〔12〕何俊文,牽引供電系統負荷過程仿真〔D〕.2010,西南交通大學.