AT供電系統鋼軌電位的靈敏度分析

米澤輝 李群湛 馬慶安 胡景瑜 劉小涵

（西南交通大學電氣工程學院，成都 610031）

牽引網以鋼軌和大地作為負荷電流的返回路徑[1-2]，在正常運行過程中，鋼軌相對大地具有一定的電位，會對人體、設備造成危害[3]，國際標準 IEC62128-1規定了其允許值[4]。

近些年，國內外專家對鋼軌電位問題進行了相關研究。文獻[5]從兩相對稱分量法和序網絡角度，研究了鋼軌電位分布，該方法具有簡單可行、物理概念清晰等特點。文獻[6-7]從基于多導體傳輸線的鏈式網絡角度，討論了鋼軌電位分布規律。文獻[8]總結了計算鋼軌電位的三種方法，序網模型、基于多導體傳輸線的鏈式網絡模型以及等效模型，用三種方法研究了鋼軌電位。文獻[9-10]研究了鋼軌對地泄露電導率、上下行橫連等措施對降低鋼軌電位的效果。文獻[11]研究了新模式、法國模式與日本模式3種 AT供電模式對鋼軌電位的影響。文獻[12-13]結合我國高速鐵路建設實際情況介紹了綜合接地設計方案，研究了綜合接地對降低鋼軌電位的效果。

本文從基于多導體傳輸線的鏈式網絡模型角度，利用Matlab/Simulink建立了AT供電系統模型，對鋼軌電位進行仿真計算，研究各種因素對鋼軌電位的影響。

1 牽引網模型

各種類型的牽引網都可用以多導體傳輸線為骨架的鏈式網絡統一描述，牽引網中的各種電氣元件，都可描述為兩類元件：縱向串聯元件和橫向并聯元件。對串聯元件和并聯元件適當建模，通過節點的設置可以計算每一節點上各個傳輸線的電壓、電流分布情況[6,8]。

高速鐵路一般使用 AT供電方式[11]。本文主要對全并聯復線AT牽引網的鋼軌電位進行仿真計算，圖1給出了有綜合接地的全并聯復線AT牽引網示意圖，每隔6km上下行鋼軌、PW線、GW線作橫向連接，每隔3km將上下行PW線、GW線作橫向連接[13]。

圖1 全并聯復線AT牽引網(有綜合接地)示意圖

2 鋼軌電位的允許標準

鋼軌電位允許標準按電壓作用時間可分為短時（t≤0.5s）、暫時（0.5s＜t≤300s=和長時（t＞300s）3種情況，不同工況的允許值不同，根據國際標準IEC62128-1的規定，交流電氣化鐵道短時和暫時工況下的最大允許電壓見表1[4]。長時工況下交流電氣化鐵道的最大允許接近電壓一般不超過 60V。在特殊困難場所不得超過 25V。所謂接觸電壓是指人或牲畜在接觸網故障時同時觸及短路徑路中兩點所遭受的電壓。而接近電壓則是指在接觸網正常工作條件下人和牲畜可能作為導體的一部分跨接于部分鋼軌電位間的電壓[10]。根據國際經驗,用作計算接觸電壓的短路電流切斷時間一般采用 100ms[12]，接觸電壓可以軌道電位的50%計算[13]。

3 鋼軌電位的靈敏度分析

本文從基于多導體傳輸線的鏈式網絡模型角度，利用Matlab/Simulink建立了全并聯復線AT供電系統模型，正常運行與T-R短路時，對負荷點、鋼軌電位取得最大值點（測試點）與短路點進行鋼軌電位仿真計算，擬合計算結果，對鋼軌電位進行靈敏度分析。

3.1 鋼軌電位的影響因素

鋼軌電位的影響因素有很多，包括牽引網供電方式、上下行橫連、CPW 線、鋼軌對地泄露電導率、AT漏抗以及貫通地線等。本文假設牽引變壓器為單相接線，額定容量為 31.5MVA，短路電壓百分比為15%，AT變壓器容量為 8MVA，AT變壓器漏抗為0.45Ω，電力機車電流為600A，速度為350km/h[6]。AT段長度為12km，軌道為無砟軌道，鋼軌對地泄露電導率為0.002S/km[8-10]。綜合接地系統采用TJ70貫通地線GW，每隔1.5km上下行鋼軌、PW線、GW線作橫向連接，每隔500m將上下行PW線、GW線作橫向連接，每隔100m在無砟軌道內設置接地鋼筋，并將其以“T”形連接方式接入綜合接地系統，貫通地線接地電導率為1.5S/km。牽引網參數見表2[12-13]。

表2 牽引網參數

3.2 鋼軌電位的仿真計算

1）正常運行時的鋼軌電位

（1）上下行橫連對鋼軌電位的影響

上下行鋼軌、PW 線、GW 線每隔 6km、3km與1.5km全橫連時，負荷點與測試點鋼軌電位分布情況如圖2所示，上下行橫連對鋼軌電位的影響情況見表3。

從圖2和表3中負荷點鋼軌電位可見，在無綜合接地時，上下行鋼軌、PW線每隔3km與1.5km全橫連時的鋼軌電位最大值（209.4V與167.6V）比6km時的鋼軌電位最大值（260.8V）降低51.4V與93.2V，降低了19.7%與35.7%。從測試點鋼軌電位可見，鋼軌電位高于IEC62128-1規定的最大允許鋼軌電位。在有綜合接地時，上下行鋼軌、PW 線、GW線每隔3km與1.5km全橫連時的鋼軌電位最大值（111.7V與58.9V）比6km時的鋼軌電位最大值（225.3V）降低112.1V與164.9V，降低了50.1%與73.7%。從測試點鋼軌電位可見，6km時的鋼軌電位高于IEC62128-1規定的最大允許鋼軌電位[6-8]。可見，增加上下行橫連對鋼軌電位降低效果明顯。

表3 上下行橫連對鋼軌電位的影響

圖2 負荷點與測試點鋼軌電位

（2）鋼軌對地泄露電導率對鋼軌電位的影響

鋼軌對地泄露電導率為0.002S/km與0.01S/km時，負荷點與測試點鋼軌電位分布情況見圖 3，鋼軌對地泄露電導率對鋼軌電位的影響情況見表4。

圖3 負荷點與測試點鋼軌電位

表4 鋼軌對地泄露電導率對鋼軌電位的影響

從圖3和表4中負荷點鋼軌電位可見，在無綜合接地時，鋼軌對地泄露電導率為0.01S/km時的鋼軌電位最大值（162.5V）比0.002S/km時的鋼軌電位最大值（167.6V）降低6.6V，降低了2.5%。從測試點鋼軌電位可見，鋼軌電位高于IEC62128-1的最大允許鋼軌電位。在有綜合接地時，鋼軌對地泄露電導率為0.01S/km時的鋼軌電位最大值（58.5V）比0.002S/km時的鋼軌電位最大值（58.9V）降低0.4V，降低了0.7%。從測試點鋼軌電位可見，鋼軌電位低于IEC62128-1規定的最大允許鋼軌電位。可見，增大鋼軌對地泄露電導率對鋼軌電位降低效果不明顯，影響鋼軌的對地絕緣性能，降低信號的傳輸距離，使通過鋼軌的牽引回流量減少，對軌道電路，鋼軌對地泄露電導率越小越好，因此不能增大鋼軌對地泄露電導率[12-13]。

（3）AT漏抗對鋼軌電位的影響

AT漏抗為0.45Ω、0.90Ω與1.80Ω時，負荷點與測試點鋼軌電位分布情況見圖4，AT漏抗對鋼軌電位的影響情況見表5。

圖4 負荷點與測試點鋼軌電位

表5 AT漏抗對鋼軌電位的影響

從圖4與表5中負荷點鋼軌電位可見，在無綜合接地時，AT漏抗為0.90Ω與0.45Ω時的鋼軌電位最大值（168.0V與167.6V）比為1.80Ω時的鋼軌電位最大值（168.0V）降低0V與0.3V，降低了0%與0.3%。從測試點鋼軌電位可見，鋼軌電位高于IEC62128-1規定的最大允許鋼軌電位。在有綜合接地時，AT漏抗為0.90Ω與1.80Ω時的鋼軌電位最大值（58.9V與58.7V）比為0.45Ω時的鋼軌電位最大值（58.9V）降低0V與0.2V，降低了0%與0.3%。從測試點鋼軌電位可見，鋼軌電位低于IEC62128-1規定的最大允許鋼軌電位。可見，改變AT漏抗對鋼軌電位降低效果不明顯，同時改變AT漏抗會增加變壓器的制造難度。

（4）貫通地線接地電導率對鋼軌電位的影響

貫通地線接地電導率為1S/km與2S/km時，負荷點與測試點鋼軌電位分布情況如圖5所示，貫通地線接地電導率對鋼軌電位的影響情況見表6。

圖5 負荷點與測試點鋼軌電位

表6 貫通地線接地電導率對鋼軌電位的影響

從圖5和表6中可見，貫通地線接地電導率為2S/km時的鋼軌電位最大值(57.7V)比1S/km時的鋼軌電位最大值(61.3V)降低0.6V，降低了1.0%。從測試點鋼軌電位可見，鋼軌電位低于IEC62128-1規定的最大允許鋼軌電位。可見，增大貫通地線接地電導率對鋼軌電位降低效果不明顯。

2）T-R短路時的鋼軌電位

上行線T-R短路時的鋼軌電位分布情況如圖6所示，綜合接地對鋼軌電位的影響情況見表7。

表7 綜合接地對鋼軌電位的影響

圖6 短路點鋼軌電位

從圖6和表7中可見，有綜合接地時的鋼軌電位最大值（1917.5V）比無綜合接地時的鋼軌電位最大值（654.9V）降低377.5V，降低了65.8%，鋼軌電位低于IEC62128-1規定的最大允許鋼軌電位[2,9]。

4 結論

本文基于Matlab/Simulink仿真工具建立了AT供電系統模型，對鋼軌電位進行了靈敏度分析。結果表明：增加上下行橫連對鋼軌電位降低效果明顯，增大鋼軌對地泄露電導率，增大AT漏抗，增大貫通地線接地電導率對鋼軌電位降低效果不明顯。

[1] 曹建猷.電氣化鐵道供電系統[M].北京：中國鐵道出版社, 1983：172-177.

[2] 李群湛,賀建閩.牽引供電系統分析 [M].四川成都：西南交通大學出版社, 2007 ： 69-102.

[3] XIE S F.Study on methods to reducing rail potential of high-speed railway[C]//IEEE industrial electronics society.32nd Annual Conference on Industrial Electronics.Pariss IEEE, 2006： 1042-1046.

[4] Railway Applications—Fixed Installations—Part 1：Protective Provisions Relating to Electrical Safety and Earthing, International Standard IEC62128-1, 2003

[5] 李群湛,郭鍇,周福林.交流電氣化鐵路 AT供電牽引網電氣分析[J].西南交通大學學報,2012, 47(1)：1-6.

[6] 吳命利.牽引供電系統電氣參數與數學模型研究[D].北京交通大學, 2006 ： 113-150.

[7] 何俊文,李群湛,劉煒,等.交流牽引供電系統仿真通用數學模型及其應用[J].電網技術,2010,34(07)：25-29.

[8] 杜雪松.AT牽引網軌地電位參數研究[D].西南交通大學, 2012.

[9] 吳廣寧,曹曉斌,李瑞芳.軌道交通供電系統的防雷與接地[M].北京：科學出版社,2011：257-312.

[10] 繆耀珊.交流電氣化鐵道的鋼軌電位問題[J].供變電, 2007(4)： 1-6.

[11] 馬慶安,朱小軍,郭楷,等.三種AT供電模式的比較[J].鐵道學報, 2012, 34(3)： 34-39.

[12] 蔣先國.高速鐵路綜合接地研究[D].西南交通大學,2009 ： 34-62.

[13] 中華人民共和國鐵道部.鐵路綜合接地和信號設備防雷系統工程設計指南[M].中國鐵道出版社,2009：40-65.

[14] 中國中鐵二院工程集團有限責任公司.通號 9301-鐵路綜合接地系統[S].鐵道部經濟規劃研究院,2009.