基于CDEGS的牽引變電所回流不暢分析及解決措施

夏夢怡

摘 要：牽引回流系統是電氣化鐵路的重要組成部分，各回流路徑電流比例也是驗收過程的重要指標。本文利用CDEGS軟件的仿真結果，分析某牽引變電所在聯調聯試過程中產生的回流不暢問題，并提出解決辦法，最終在牽引變電所實地測試，以驗證解決辦法的可行性。

關鍵詞：牽引回流系統;回流不暢;牽引變電所;CDEGS軟件

中圖分類號：U224;TM934.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）14-0132-03

Analysis and Solution of Unsmooth Backflow of Traction Substation

Based on CDEGS

XIA Mengyi

（Electrification Division， China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043）

Abstract： The traction return system is an important part of the electrified railway， and the current ratio of each return path is also an important indicator in the acceptance process. This paper used the simulation results of the CDEGS software to analyze the problem of poor backflow during the joint commissioning test of a traction substation， and put forward a solution， and finally tested it on the traction substation to verify the feasibility of the solution.

Keywords： traction reflux system;poor reflux;traction substation;CDEGS software

牽引供電回流系統是高速電氣化鐵路的重要組成部分，其主要由鋼軌回流、PW線回流、地網回流以及綜合地線回流共同構成。不同回流路徑在回流系統中所占比例應合理分配。鋼軌回流過大，則會導致鋼軌電位升高，危及人身安全;PW線回流比例太小，會減弱通信、信號設備防電磁干擾效果，從而影響設備正常運行;所內地網回流過大，在故障短路或雷擊時會導致所內電位升高，危及所內人員安全[1]。因此，各回流途徑所占回流比例也是牽引變電所驗收過程中的重要指標，對于不合格工程，要查找不合格因素并提出解決辦法，限期整改。

CDEGS軟件是由加拿大SES公司耗時十余年開發而成的解決電力系統接地、電磁場和電磁干擾等工程問題的強大軟件。在建模過程中利用圖形化數據輸入程序SESCAD來簡化和加速形成AutoGrid、MALT、MALZ和HIFREQ的導體網絡。

本文利用CDEGS軟件，基于平行多導體理論和現場實際數據建立仿真模型，將仿真結果和現場實測數據進行對比分析，提出了牽引變電所回流不暢的解決方案。

1 基于CDEGS的牽引變電所回流系統模型

1.1 平行多導體傳輸線模型

從整體來看，牽引網的骨架都是平行多導體傳輸線，在拓撲結構上構成鏈式網絡[2]。牽引網可以等效成為圖1所示的網絡形式。設平行導體數為[m]，則圖中各阻抗矩陣和導納矩陣的階數均為[m]×[m]，表示可能于各切面的注入電流源向量[Ik]為[m]維。

式（1）可以簡寫為：

[YU=I] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式（2）可以轉化為：

[U=Y-1I] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

因此，第k節點有：

[UN-UN+1=ZNI'N] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

[I'k=Z-1k（Uk-Uk+1）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

求解式（3）可以得到導線節點電壓矩陣[U]，帶入式（5）可以得到每一分段各導線電流矩陣[I'k][3]。

鋼軌作為牽引回流網的主要導體，沿線路實際上是不間斷的。然而，在牽引供電系統的分析中，通常只需要對一個供電臂的牽引網詳細建模。在建模過程中，牽引網端部的回流網視作向無限遠延伸的多導體傳輸線，端部采用特征阻抗矩陣來模擬。

1.2 計算模型的建立

通過建立沿線回流系統、牽引所地網、土壤特性以及綜合接觸網回流系統的仿真模型，可以模擬牽引變電所附近回流特性。

仿真模型參數如下。一是N線（LBGLJ300），內電阻為0.092 Ω/km，半徑為0.002 4 m;二是PW線（LBGLJ120），內電阻為0.239 Ω/km，半徑為0.014 5 m;三是鋼軌，內電阻為0.18 Ω/km，半徑為0.012 79 m;四是貫通地線，內電阻為0.271 4 Ω/km，半徑為0.004 7m。建立仿真模型，如圖2所示。

2 牽引變電所實測數據

某AT牽引變電所自帶負載運行，通過對回流數據的監測、分析，結果發現，所內地網回流占總回流的比重為65%～75%，各供電臂在帶負荷運行狀態下均存在此問題。表1、表2、表3為該牽引變電所不同時刻一列列車通過供電臂時回流（單位：A）統計數據。

根據表4[4]判據可以看出，該所地網回流比例超標，即存在所謂回流不暢的問題。為避免在后期運營過程中產生因回流不暢、架空地線斷線、設備線夾燒熔等故障，要對地回流比例較高的問題進行分析并提出整改方案。

3 CDEGS建模仿真及問題分析

通過對牽引變電所實測數據分析可知，當列車位于距離AT所約2 km處，牽引電流最大，利用圖1仿真模型將列車放置于該位置處進行計算分析，得出理論計算下各回流路徑電流及分配比例值，如表5所示。

將表5仿真數據理論值同現場實際值進行對比分析，可排除由綜合地線引起的回流不暢。

為了檢驗橋墩接地對回流的影響，利用夜間天窗時間，以牽引變電所對面的橋墩為中心線，分別向兩邊各拆除30座橋墩上的兩條接地引下線。次日對所內回流數據進行分析，與之前的數據相比，地回流占總回流的占比無明顯變化。

綜合上述檢測結果分析，造成牽引變電所回流不暢有以下兩個原因：回流各回路電纜電阻大于牽引變電所外橋上接地體至回流箱電阻，PW線回流大部分經支柱—橋墩接地—主地網回到主變壓器，導致地回流比例遠大于計算值;扼流變處PW線至扼流變中心點連接電阻過大。

4 整治措施及結果

4.1 新增4根回流電纜

在牽引變電所正對面橋墩上方，各新增2根70 mm2電纜，分別接到上下行支柱的PW線上，共計4根電纜（上行新增兩根電纜線長度分別為100 m、106 m;下行新增兩根電纜長度分別為96 m、95 m）。次日檢測所內地回流占比恢復至正常范圍，地回流數據比軌回流小，地回流占總回流比例為27%左右。新增電纜后不用時刻的回流統計結果如表6、表7和表8所示。

4.2 對GW線進行改造

該牽引變電所供電線單獨架設，供電線頂部設有GW線，GW線兩端通過引下線接地。通過對GW線進行檢測，筆者發現GW線內未有電流通過。

將GW線一側與牽引變電所接地端子箱相連接，另一側與上網點附近的上下行扼流變中性點連接，此時變電所作為臨時措施的4根70 mm2電纜就近與PW線連接（上行2根、下行2根）。4組測試數據如表9所示。

4.3 整治措施小結

由表6至表9測量值對比可知，改造后GW線起一定回流作用，但上下行新增4根70 mm2回流電纜對回流結果影響較大。為進一步降低地回流比例，可適當增大導線橫截面積，該牽引變電所可新增4根150 mm2電纜。

5 結論

本文基于CDESG軟件建模仿真，對牽引網回流模型進行分析。研究表明，牽引網回流網與地回流的阻抗關系是影響牽引變電所地回流大小的主要因素，減小各回流路徑阻抗、增大大地電阻率以及縮短電流泄露至大地的路徑等都是減小地回流的有效措施;當各回路電纜電阻大于牽引變電所外接地體至回流箱電阻時，地回流比例會遠大于計算值，可采用將PW線改為絕緣懸掛或增大PW線電纜截面等方式降低回路電纜電阻;牽引變電所附近吸上線連接以及吸上線布置都會對回流比例造成一定影響，在架設過程中應盡量避免較長距離的電流通路。

參考文獻：

[1]李天石.鐵路綜合接地系統回流指標研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2017.

[2]張俊騏，吳命利.電氣化鐵路牽引網節點方程組數值解法比較[J].電工技術學報，2016（31）：109-116.

[3]王越.牽引供電系統復核過程的建模與計算機仿真研究[D].北京：北京交通大學，2015.

[4]李天石，李明祥，霍斌.高速鐵路變電所牽引電流回流指標研究[J].中國鐵路，2017（2）：21-25.