交流電氣化鐵路鋼軌電位影響因素及防護策略

高 保孟獻儀王浩先.中鐵二院工程集團有限責任公司；.徐州和緯信電科技有限公司

交流電氣化鐵路鋼軌電位影響因素及防護策略

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1.中鐵二院工程集團有限責任公司；2.徐州和緯信電科技有限公司

隨著我國經濟的逐步增長，交流電氣化鐵路建設也處于快速發展階段，而電氣化鐵路的鋼軌不僅作為機車的鋼軌，而且還是牽引電流回流系統的一部分。在道床上鋪設鋼軌時雖然加裝了絕緣墊板、絕緣套靴等部件，但由于油漬、鐵屑、灰塵及雨水等因素，軌地之間過渡電阻不能無限大，于是當軌道上有電流流過時，便有部分電流泄漏至大地形成雜散電流，同時也是鋼軌電位差存在的原因。

與普通鐵路相較而言，電氣化鐵路具有速度快、負載重、牽引電流大、系統回流大等特點，從而使得鋼軌電位過高。鋼軌電位過高會造成很多方面的不良影響，例如：給沿線工作人員帶來人身安全、對線路設備元器件造成損壞、引發沿線信號裝置的故障、加速軌道與軌枕之間絕緣墊板的老化、機車牽引回流系統異常等。因此國內外對如何降低鋼軌電位這一問題進行了大量的分析與研究，以減小鋼軌電位所帶來的不良影響。

目前我國交流電氣化鐵路鋼軌電位安全標準主要參考EN50122-1997《鋼軌電位防護》，該標準中根據電壓作用時間將鋼軌電位分為三種情況：短時（t≤0.5s）、暫時（0.5s＜t≤300s ）、長時（t＞300s），不同情況下鋼軌電位允許值不同，具體數值如表1所示。

表1 電氣化鐵路鋼軌電位最大允許接觸電壓

長時情況下交流電氣化鐵路鋼軌電位最大允許接觸電壓不能超過60V，特殊地段不能超過25V。

本文介紹鋼軌電位產生機理及其主要影響因素，并對其防護策略進行詳細介紹，為以后鋼軌電位防護工作提供參考。

影響鋼軌電位的主要因素

供電方式對鋼軌電位的影響

隨著列車運行方式的改變，牽引供電方式也隨之發生變化，不同的牽引供電方式其鋼軌中電流回流長度及特點也不相同，從而使得產生的鋼軌電位也不相同。早期采用直接供電方式，鋼軌回流長度很大，最長可為整個供區間。當鋼軌環境一般時，回流系統中的自由分量基本全部泄漏至大地，因此機車所在位置的鋼軌電位普遍偏高；同時由于雜散電流在變電所負極集中回流，導致牽引變電所處鋼軌的鋼軌電位突然增大。在直接供電方式的基礎上加設回流線之后，鋼軌與架空回流線并聯，有效地減小了回流通路阻抗，從而使得鋼軌電位降低了40%左右。現在電氣化鐵路大多采用AT方式供電，該方式下鋼軌回流長度僅為AT段的一半，且回流點也在列車所在AT段兩端自耦變壓器的中性點。列車所需電流由其所處AT段兩端的兩個AT同時并聯供電，自耦變壓器中性點處的電位比列車處的鋼軌電位小，同時變電所回流點的鋼軌電位也比較低。AT供電方式下鋼軌電位與帶回流線的直接供電方式相比，大約下降15%。

鋼軌阻抗對鋼軌電位的影響

鋼軌縱向電阻是影響鋼軌電位的一個重要參數，鋼軌單位長度阻抗與鋼軌型號有關，在出廠時已經確定，并且鋼軌單位長度阻抗與鋼軌電位理論上成反比。電氣化鐵路鋼軌是由短軌焊接形成，因此焊接縫的阻抗也是影響鋼軌電位的一個因素，焊接縫阻抗越小鋼軌電位越低。

鋼軌泄漏電阻對鋼軌電位的影響

鋼軌電位與鋼軌泄漏阻抗有著直接個關系，通常情況下鋼軌泄漏電阻的增大會使得鋼軌電位上升。在泄漏電阻初期增大階段，鋼軌電位隨著泄漏電阻的增加迅速上升，但當鋼軌電位上升達到一定值之后，鋼軌泄漏電阻再增加時鋼軌電位上升不明顯，當泄漏電阻增大10Ω時，鋼軌電位僅上升3.5V。新建電氣化鐵路大多為無砟軌道，相比于有砟軌道環境較好，鋼軌泄漏電阻一般較高，從而使得鋼軌電位值也普遍偏高。

單復線對鋼軌電位的影響

在單線鐵路中，鋼軌的電阻為兩根鋼軌并聯之后的等效電阻，電導同樣為兩根鋼軌并聯之后對大地的等效電導；在復線鐵路中，由于存在上下行四根鋼軌，鋼軌的電阻和電導均為四根鋼軌并聯之后的等效數值，因此在數值上，復線電阻為單線的一半，復線電導為單線的兩倍。因此，在復線中上行與下行鋼軌通過扼流變壓器等電壓連接之后，鋼軌電壓、電流衰減常數的大小不變，且復線中的輸入阻抗為單線中輸入阻抗的一半。由于存在這種特使性質，使得在同等大小的牽引電流下，復線鋼軌電位數值僅為單線鋼軌電位數值的1/2。

降低鋼軌電位的主要措施

采用AT供電方式

其余條件相同情況下，AT供電方式所產生的鋼軌電位比直接供電方式所產生的鋼軌電位降低40%左右，AT供電方式對鋼軌電位的降低效果顯著，因此在工程項目預算范圍之內建議電氣化鐵路采用AT供電方式。同時AT供電方式還具有其他優點，例如：減少線路牽引變電所所需建設數量、降低供電系統對外部電源的依賴程度、減少對沿線通信線路的電磁干擾、提高電力能源利用率、提升接觸網運行環境等，滿足目前電氣化鐵路高速運行的特點。隨著人們對全并聯AT供電方式和相關技術的深入研究，AT牽引供電方式的優越性在電氣化鐵路中將會更加明顯。

牽引網加裝回流線

當沿線加設回流線之后，原本從鋼軌流回牽引變電所的電流會有一部分被回流線分流，從而降低鋼軌電位。回流線的回流效果主要與三個參數有關：衰減常數、回流線截面積、與鋼軌橫向連接線的間距。其它條件相同時，回流線截面積越大，即回流線電阻越小，分流效果越好；衰減常數越小，分流效果越好，同時也說明干旱地區加裝回流線比濕潤地區加裝回流線的分流效果好；與鋼軌橫向連接線的距離越短，分流效果越好，但應滿足通信設備的相關要求。

上下行鋼軌橫向連接

在復線運行環境中，可以將上行與下行鋼軌進行橫向連接，該方法經濟性高，且對降低鋼軌電位效果明顯。將上下行兩點鋼軌橫向連接后，鋼軌電位變為原來兩點鋼軌電位之和的平均值。假設上行線路有列車行駛，則上行線路鋼軌電位要比下行鋼軌電位大得多，連接之后上行鋼軌電位則變為原來的1/2左右。并且由于上下行鋼軌電位極性相反，上下行鋼軌電位之和的平均值小于上行鋼軌電位的一半。但該方案也有明顯的缺點，當上下線有列車會車時，上下行鋼軌橫向連接對降低鋼軌電位效果不明顯；同時，上下行鋼軌橫向連接會使無列車運行側的鋼軌電位升高，給工作人員帶來安全隱患。

增設CPW線

CPW線，即鋼軌與保護線連接線。在AT供電區間加設CPW線可以有效減少鋼軌電位數值。AT供電區間APW線加設數目及位置沒有明確的規定，但普遍遵循的基本原則是每兩個CPW線之間的長度相同，同時兩根CPW線間距至少等于兩個阻抗連接器在軌道上安裝的間距（通常為1.5km左右）。增設1根CPW線時，對降低鋼軌電位效果較為明顯，但當超過3根之后，對降低鋼軌電位效果不明顯，因此從經濟方面考慮，應該適當加設CPW線的數量。

圖1 交流鋼軌電位限制裝置工作原理示意圖

改善局部地區土壤率

在工作人員經常出現、重要設備放置或者鋼軌電位超過標準規定等特殊區段，可以采用改變特殊區段土壤結構的方法。降低局部特殊地區土壤率，可以降低人員的跨步電壓以及較大設備不同位置的電壓差，從而保證工作人員的安全及設備的正常工作。通常采用的方法有三種：敷設降阻劑、更換土層以及審美接地體與低電阻率土壤法。敷設降阻劑是一種通過化學方法來降低土壤電阻率，具體做法是在接地體附近添加離子生成物質，從而增強土壤的導電性。但土壤添加劑應具有以下基本性質：①無毒、無污染；②良好的導電性；③耐腐蝕、耐沖擊等。換土法即把原來土壤電阻率較高的土壤鏟去，重新鋪設電阻率較低的土壤，例如黏土、泥炭等。換土法一般僅將接地體周圍1m～4m內的土壤換去，這樣更為簡便。通常將敷設降阻劑與換土法相結合，從而達到理想的效果。如果土壤電阻率隨深度迅速減小，則可采用深埋接地體方案，以減小接地體的電阻值，該方法應用靈活，不受地理空間限制，同時可以有效降低跨步電壓數值。

特設綜合地線

鋼軌電位和鋼軌回路特性阻抗成正比關系，而鋼軌泄漏電阻是影響鋼軌回路特性阻抗的主要因素。線路鋼軌對地導納數值受所處環境因素影響較大，數值變化可能達到幾十倍，這對鋼軌電位的波動影響很大。如果沿鐵路線埋設鍍鋅或者銅質接地體，接地體全線連通并與鋼軌橫向并聯，則對降低鋼軌泄漏電阻起到很好的效果，從而可以降低鋼軌電位。

交流鋼軌電位限制裝置

交流鋼軌電位限制裝置工作原理示意圖如圖1所示。

正常情況下，交流接觸器的觸頭是閉合的，可控硅處于非觸發狀態；非正常情況下，通過電壓檢測系統控制短路裝置與大地有效短接。鋼軌電位限制裝置測得的電壓值大于電壓安全限啟動值，經過一段設定的延時后，該裝置將回流回路有效短接，短接后，測量的電流超過限定值，斷路器將斷開。如果測量到的電壓超過電壓極限啟動值，斷路器將斷開，防止過高的電壓損壞裝置。當短路裝置短接時，若在鋼軌和大地間仍有一個電壓，則設備被認為出了故障，此時由硬接點向SCADA系統發送故障信息。

總結

本文對交流電氣化鐵路鋼軌電位產生機理進行分析，詳細闡述了不同供電方式、不同鋼軌阻抗、不同鋼軌泄漏電阻及單復線等主要因素對鋼軌電位產生的影響，從而得到降低鋼軌電位的主要措施，主要有采用AT供電方式、牽引網加裝回流線、上下行鋼軌橫向連接、增設CPW線、改善局部地區土壤率、特設綜合地線等，不同的措施對鋼軌電位的降低效果不同，有時還需將幾種方案同時使用才能保證鋼軌電位符合相關標準要求。