高速鐵路典型牽引變電所回流異常分析與抑制方案研究

黃文勛

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

引言

我國高速鐵路采用單相工頻交流制牽引供電系統和單邊供電模式，牽引回流以鋼軌、大地和其他線纜作為通路返回牽引變電所[1-2]。目前已開通運營的線路有部分牽引變電所存在地網回流比例偏大、同一變電所兩供電臂回流占比差不同、環境條件類似的相鄰牽引所回流占比明顯差異等問題。過大的地回流存在加劇牽引變電所主地網腐蝕、抬升牽引變電所地電位以及燒損線纜接頭等風險[3-6]。工程實際中牽引變電所各牽引回流路徑占比受到多項因素影響，文獻[7-8]基于近年高速鐵路聯調聯試實測數據，研究了牽引回流分配指標的變化規律；文獻[9-10]研究了城市軌道交通中回流系統及鋼軌電位特性；文獻[11-12]分析了在隧道及站場中牽引回流系統特性；文獻[13-14]分析了綜合接地對鋼軌電流及電位的影響；文獻[15-17]分析了牽引變電所地回流與變電所及分區所地網電阻、土壤電阻率、電力機車位置等之間的關系；文獻[18-19]研究了牽引變壓器接線形式、牽引網供電方式、電力機車類型、鋼軌泄漏阻抗等因素對鋼軌電位的影響。上述文獻在牽引變電所地網回流占比分析中，對接觸網與鋼軌間電磁耦合、鋼軌大地間傳導、牽引變電所接地電阻等因素的影響進行了分析，但均未考慮牽引變電所變壓器中性點端子與鋼軌間連接的回流導線(以下簡稱N線)影響。

本文基于高速鐵路牽引供電系統回流分布模型，給出了包含N線影響的不同位置鋼軌電位和電流計算公式，分析了N線阻抗變化對牽引回流的影響。結合實際工程案例，得到了不同設計參數下牽引回流分布規律，得出了牽引變電所地網回流過大的原因，并有針對性地提出了抑制方案。對比工程整改前后的差異，驗證了上述模型分析和解決方案的正確性，對高速鐵路牽引回流系統優化設計提供了重要參考。

1 考慮N線影響的直接供電方式下鋼軌電流、電位理論計算分析

高速鐵路牽引供電系統采用綜合接地，牽引電流沿著鋼軌、貫通地線、PW線(回流線)、大地及N線返回牽引變壓器。根據研究目的，將鋼軌、貫通地線、PW線(回流線)可以用等效鋼軌代替。以單線為例，牽引網等效電路如圖1所示。

圖1 單線牽引網等效電路

如圖1所示，接觸網—地和鋼軌—地回路的自阻抗分別z1、z2，這兩個導線—地回路之間的互阻抗z12，鋼軌—地之間的單位長分布導納y。假設鋼軌的參數均勻分布且無限長，兩根鋼軌并聯，電流分布相同。

考慮N線阻抗及N線與供電線互阻抗的鋼軌各區段電流、電位計算方法推導如下。

1.1 0≤x≤l區段

如圖1所示，在0≤x≤l區段，由傳輸線理論，鋼軌電位、電流在x正方向上有

(1)

式(1)整理得

(2)

式(2)的通解為

(3)

以下根據邊界條件求A、B。

條件1：在牽引變電所處，根據圖1可得出如下等式

(4)

式(4)中，ZN為N線阻抗；ZE為牽引變電所接地電阻；KN=ZFN/ZN為N線與供電線感應系數。

對式(4)進行整理，有

(5)

條件2：在機車處(x=l)，可得

整理可得

(6)

將式(5)代入式(6)可求得

(7)

因此，將式(6)、式(7)代入式(3)，可求得0≤x≤l區段鋼軌電流、電位為

(8)

1.2 x<0區段

如圖1所示，在x<0區段，由傳輸線理論，鋼軌電位、電流有

(9)

當x→0，由于電位的連續性，可得

(10)

將B0=0及式(10)代入式(9)，即得x<0區段的鋼軌電流、鋼軌電位計算公式。

1.3 x>l區段

如圖1所示，在x>l區段，由傳輸線理論，鋼軌電位、電流有

(11)

當x→l，由于電位的連續性，可得

即

(12)

將Al=0及式(12)代入式(11)，即得x>l區段的鋼軌電流、鋼軌電位計算公式。

2 考慮N線影響的AT供電方式下鋼軌電流、電位計算

AT供電方式下的鋼軌電流、電位計算，可以根據替代原理與疊加原理，利用牽引網電流與鋼軌電位計算的“可解耦”性，在直接供電方式的基礎上進行推導。第1個AT段的電路示意如圖2所示。

由替代原理，圖2(a)可用圖2(b)所示的等值電路表示。根據疊加原理，圖2(b)可分解為圖2(c)與圖2(d)。由于圖2(c)中負饋線電流為零，相當于直接供電方式，即可用直接供電方式的式(8)、式(10)、式(12)計算鋼軌電流、電位。

圖2 第1個AT段鋼軌電流、電位計算原理

圖2(d)中，T與F線電流方向相同(均流向牽引變電所)，因此可以將圖2(d)變形為圖2(e)，因此可用圖2(f)等值表示。將鋼軌感應系數K=(zTR+zFR)/(2zR)代入式(8)、式(10)、式(12)，即可計算鋼軌電流、電位。

復線、列車在第二個AT段、多列車運行等工況，可利用多導線理論[20]，在求得AT供電系統中列車、AT所、分區所等處電流后，使用疊加原理進行計算。

3 典型高速鐵路計算

3.1 計算條件

以某典型的高速鐵路為例，計算條件如下：

供電臂長25 km，AT所位于供電臂中部；

列車距牽引所10 km，列車電流為900 A；

鋼軌對地泄漏電導為0.01 S/km；

牽引網采用CTMH150+JTMH120導線組合，PW線為JL/LB1A-125。

3.2 N線阻抗影響

設牽引變電所接地電阻為0.3 Ω，N線與供電線互感系數為0.3。當N線阻抗分別為0.1，0.4，0.7，1.0 Ω時，鋼軌電流計算結果見圖3。

圖3 不同N線阻抗鋼軌電流計算結果

根據計算可見，隨著N線阻抗增大，牽引變電所附近鋼軌電流減小，即牽引變電所地網回流占比增大。

3.3 N線與供電互感系數影響

設牽引變電所接地電阻為0.3 Ω，設N線阻抗為0.4 Ω。當N線與供電線互感系數分別取0.1，0.2，0.3，0.4，0.5時，鋼軌電流計算結果見圖4。

圖4 不同互感系數影響鋼軌電流計算結果

由此可見，隨著N線與供電線間互感系數的增加，牽引變電所附近鋼軌電流增大，即牽引變電所地網回流占比減小。

3.4 牽引變電所接地電阻影響

設N線阻抗為0.4 Ω，當牽引變電所地網不同接地電阻時，鋼軌電流計算結果見圖5。

圖5 不同牽引所接地電阻鋼軌電流計算結果

由圖5可見，隨著牽引所接地電阻增長，牽引變電所近端鋼軌電流將逐步增大，即牽引變電所地網回流占比逐步減小。

4 抑制方案

4.1 現場實測情況

對地網異常的某高速鐵路牽引變電所進行測試。該項目速度目標值為250 km/h，牽引變電所進線電壓等級為330 kV，牽引供電系統采用AT供電方式，牽引變電所兩側鐵路均為橋梁形式。

分別在鐵路線路上、牽引變電所回流接地箱處進行了測試。現場測試情況如圖6所示，牽引變電所回流測試數據如表1所示。

圖6 現場測試

4.2 數據分析及工程整改措施

根據表1可見，列車位于牽引變電所右側時，牽引變電所地回流占比正常(<50%)，但當列車位于牽引變電所左側時，牽引變電所地回流占比超標(>50%)。根據現場檢查，兩側供電臂接觸網與鋼軌間電磁耦合特性、鋼軌大地間傳導特性均無明顯差異。

表1 整改前牽引變電所回流測試數據

為此，根據上節研究結論，結合現場情況，采取的工程措施如下。

(1)優化N線路徑，通過在牽引所內重新挖溝敷設N線，避免N線迂回，降低N線阻抗。

(2)自牽引變電所向兩側最近扼流變壓器增設絕緣懸掛的回流線(上、下行均采用單根JL/LB1A-250 mm2)。為增加N線與供電線互感系數采取措施：回流線盡可能采用架空架設；在供電線獨立架設區段，與供電線合架；在無供電線區段，與接觸網合架。

整改后，牽引變電所回流測試數據如表2所示。

表2 整改后牽引變電所回流測試數據

根據表2數據，整改后，當列車位于該牽引變電所左側時，地網回流占比降低，滿足要求。

5 結論

本文對高速鐵路牽引變電所回流異常情況進行了分析，主要結論如下。

(1)首先推導了包含N線阻抗及N線與供電線互感影響、帶回流線直接供電方式下的鋼軌電流、電位理論計算公式。然后，根據AT與帶回流線直接供電方式的差異，利用替代原理與疊加原理，得出AT供電方式下鋼軌電流、電位的計算公式。根據所得出公式，可以量化計算N線阻抗、N線與供電線間互感系數對牽引變電所回流的影響程度。

(2)提出了通過降低N線阻抗、增加N線與供電線互感系數以抑制回流異常的工程方案。經過實際工程實踐，驗證了抑制方案的工程效果。

(3)實際工程中，牽引變電所回流需在聯調聯試期間才進行測量。由于聯調聯試時大部分工程已經完成，一旦發現回流異常，可采取的整改措施比較有限。為此，建議結合工程建設進度，適時開展牽引變電所接地電阻、鋼軌泄漏電導、N線阻抗等參數測試，根據測試結果提前制定合理的工程措施。