直供方式下影響鋼軌電位分布的因素研究

周子槊，汪繁榮

(1 湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2 湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

相較于普速鐵路，電氣化鐵路在高速區(qū)段需要更大的牽引負(fù)荷，從而需要增大牽引電流來(lái)提供牽引能量[1-3]，牽引功率的提升增大了鋼軌對(duì)地泄流，從而影響到信號(hào)系統(tǒng)的外部電磁環(huán)境，如更為嚴(yán)重的電磁干擾(EMI)等。功耗低、靈敏度高是基于微電子技術(shù)的信號(hào)系統(tǒng)具有的特征，其信號(hào)系統(tǒng)的信號(hào)電平以及工作電流均較小，因此抗電磁干擾能力相對(duì)較弱。當(dāng)鐵路牽引供電系統(tǒng)給機(jī)車供電時(shí)，牽引電流會(huì)通過(guò)機(jī)車流向鋼軌，鋼軌對(duì)地泄流時(shí)會(huì)產(chǎn)生鋼軌對(duì)地電位差，一般將該電位差稱為鋼軌電位。因此，若增大牽引電流，鋼軌對(duì)地泄流也會(huì)同時(shí)增大，從而使得鋼軌電位升高，鋼軌附近的信號(hào)設(shè)備甚至工作人員的生命安全均會(huì)在鋼軌電位升高時(shí)受到威脅，尤其是與軌道存在連接的信號(hào)設(shè)備，在泄漏電流過(guò)大而造成的鋼軌電位過(guò)高時(shí)極有可能出現(xiàn)功能不良或故障的情況，鋼軌對(duì)地泄流增大同時(shí)會(huì)腐蝕鋼軌與軌枕間絕緣墊板，使鋼軌與軌枕間絕緣能力降低，鋼軌泄漏電流進(jìn)一步增大就會(huì)造成牽引回流發(fā)生異常[4-6]。鋼軌是牽引電流回流牽引變電所的關(guān)鍵路徑，但鋼軌電流過(guò)大又會(huì)造成鋼軌電位升高，若不能將鋼軌電位值控制在安全范圍內(nèi)，將會(huì)影響行車安全。因此，為了抑制鋼軌電位升高并保證鋼軌電位在安全范圍內(nèi)，迫切需要科研工作者研究出有效的技術(shù)措施、合適的降電位方案，否則過(guò)高的鋼軌電位會(huì)使機(jī)車的運(yùn)行存在安全隱患。

1 鐵路牽引供電系統(tǒng)仿真模型的建立

本文所探討的牽引電流為工頻50 Hz下的交流電流，因此可利用CDEGS軟件中的輸入模塊HIFREQ模塊進(jìn)行仿真建模以及設(shè)定參數(shù)，模型具體的建立方法將在下面進(jìn)行詳細(xì)敘述。

1)輸入模塊的選擇 由于直供加回流線方式下的鐵路牽引供電系統(tǒng)是采用工頻激勵(lì)，因此可采用CDEGS中的輸入模塊HIFREQ進(jìn)行仿真建模。

2)參數(shù)的設(shè)置及模型的建立 HIFREQ模塊內(nèi)設(shè)為3個(gè)部分:計(jì)算、土壤類型、系統(tǒng)設(shè)置。

系統(tǒng)的頻率設(shè)置是通過(guò)MALZ以及HIFREQ模塊內(nèi)設(shè)的計(jì)算模塊完成的，由于鐵路牽引供電系統(tǒng)是采用工頻激勵(lì)，因此需要將起始頻率和基頻均調(diào)為50 Hz。MALZ以及HIFREQ模塊內(nèi)設(shè)的土壤類型模塊可進(jìn)行土壤電阻率分層設(shè)置，由于實(shí)際情況中土壤存在分層問(wèn)題，不同厚度下土壤的電阻率存在差異，因此可通過(guò)土壤類型模塊靈活設(shè)置土壤分層，選擇好土壤分層類型后，只需在土壤特性網(wǎng)格內(nèi)填入不同土壤層的相應(yīng)參數(shù)，所需填寫參數(shù)包括土壤電阻率、土壤層厚度、相對(duì)磁導(dǎo)率以及相對(duì)介電常數(shù)。構(gòu)建鐵路牽引供電系統(tǒng)的模型需要在HIFREQ模塊內(nèi)設(shè)的系統(tǒng)設(shè)置模塊進(jìn)行設(shè)置。由于不同的導(dǎo)體類型具有不同的導(dǎo)體參數(shù)，因此在建模前首先需要確定模型中存在哪些不同類型的導(dǎo)體，并在導(dǎo)體類型中進(jìn)行設(shè)置。

1.1 鐵路牽引供電仿真模型的建立

根據(jù)上文介紹的建模方法及步驟，完成了在CDEGS仿真軟件HIFREQ模塊中對(duì)鐵路牽引供電模型的建立：1)在仿真模型中共設(shè)有2根長(zhǎng)度為50 km的水平鋼軌；2)回流線設(shè)置在鋼軌上方8 m處，長(zhǎng)度與鋼軌相同；3)共設(shè)置了19根吸上線，吸上線將一側(cè)鋼軌與回流線相連，使回流線與鋼軌并聯(lián)；4)通過(guò)在牽引站A及牽引站B處設(shè)置接地電阻為0.44 Ω的地網(wǎng)來(lái)等效牽引站的引流；5)將牽引變壓器等效成27.5 kV的交流電壓源；6)牽引站A及牽引站B地網(wǎng)與軌道回流系統(tǒng)通過(guò)回流線相連；7)仿真模型中總共分為2層，第一層為鋼軌和大地之間的道床層，由于道床層相對(duì)復(fù)雜，包括絕緣板、道枕、碎石，因此通過(guò)均勻電阻率來(lái)等效道床層，可通過(guò)設(shè)置等效電阻率來(lái)解決，厚度為0.9 m；第二層為土壤層。仿真模型見圖1。仿真模型中的吸上線坐標(biāo)見表1，牽引站A的位置設(shè)置在x坐標(biāo)0處。

圖1 鐵路牽引供電仿真模型

表1 鐵路牽引供電模型吸上線坐標(biāo)

1.2 參數(shù)的選擇

鐵路牽引供電系統(tǒng)中各參數(shù)見表2和表3，基于CDEGS仿真模型截圖見圖2。第2節(jié)中的仿真參數(shù)若無(wú)特別說(shuō)明，均以表2和表3參數(shù)為準(zhǔn)。

表2 鐵路牽引供電模型土壤分層參數(shù)

表3 導(dǎo)體參數(shù)

圖2 鐵路供電仿真模型中部分區(qū)域示意圖

2 影響鋼軌電位分布規(guī)律的因素研究

鋼軌電位過(guò)高會(huì)造成信號(hào)設(shè)備損壞以及危及線路維護(hù)人員和旅客的人身安全，因此需要對(duì)降低鋼軌電位的方法進(jìn)行探究，為了能夠更有針對(duì)性的探究降低鋼軌電位的方法，不僅需要了解鋼軌電位的形成機(jī)理，同時(shí)有必要對(duì)影響鋼軌電位分布的因素進(jìn)行深入研究，為此，本節(jié)分別討論了機(jī)車與牽引變電所距離、吸上線的距離、機(jī)車在吸上線之間的相對(duì)位置、鋼軌對(duì)地泄流以及牽引站地網(wǎng)電阻大小對(duì)鋼軌電位分布影響。

2.1 機(jī)車距離牽引變電站的距離對(duì)鋼軌電位的影響

在整個(gè)鐵路牽引回流系統(tǒng)中，牽引電流通過(guò)機(jī)車傳輸給鋼軌，一部分鋼軌電流通過(guò)道床層向大地泄流，另一部分鋼軌電流通過(guò)吸上線傳輸給回流線，因此機(jī)車可以看作是電流源激勵(lì)，并向鐵路系統(tǒng)注入電流。而牽引變電所的牽引變壓器為整個(gè)牽引網(wǎng)供電，由基爾霍夫電流定律得，注入機(jī)車的牽引電流最終將在牽引變電所的牽引變壓器處回流，因此牽引變壓器也可看做引流點(diǎn)或回流點(diǎn)。其中機(jī)車的位置是變化的，那么注流點(diǎn)與回流點(diǎn)的距離也在發(fā)生變化，為了探究鐵路牽引供電系統(tǒng)中注流點(diǎn)和回流點(diǎn)的距離變化對(duì)鋼軌電位分布的影響，仿真計(jì)算以牽引變電所位置設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，總共設(shè)置了6種機(jī)車與牽引站的距離，為了避免吸上線造成的影響，機(jī)車位置設(shè)定在相鄰兩根吸上線的中心點(diǎn)處，分別為3800 m、6300 m、9100 m、13 700 m、16 800 m、19 000 m處，仿真模型見圖1。

仿真模型中的導(dǎo)體參數(shù)見表3，土壤分層見表2，地網(wǎng)接地電阻設(shè)為0.44 Ω，若無(wú)特殊說(shuō)明，仿真所用參數(shù)以及土壤分層情況以表2和表3為準(zhǔn)。6組機(jī)車與牽引變電所不同位置時(shí)的鋼軌電位分布如圖2所示。其中，為了便于分析，鋼軌在各個(gè)位置的電位均為有效值，并沒(méi)有考慮參考方向。若無(wú)特殊說(shuō)明，后續(xù)仿真所得鋼軌電流分布曲線、鋼軌電位分布曲線上的電流值以及電位值均代表有效值。

從圖3圖4可以看出，機(jī)車與牽引變電所的距離增大時(shí)，鋼軌最大對(duì)地電位逐步升高，當(dāng)機(jī)車與牽引變電所的距離增大到6000～8000 m時(shí)，最大鋼軌電位達(dá)到最大值，隨著機(jī)車與牽引變電所的距離繼續(xù)增大，鋼軌的最大電位卻呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，當(dāng)機(jī)車與牽引變電所的距離增大到14 000 m時(shí)，鋼軌的最大電位又呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。

圖3 機(jī)車與牽引變電所在不同距離時(shí)的鋼軌電位分布

圖4 機(jī)車與牽引變電所在不同距離時(shí)的鋼軌電流分布

牽引變電所附近最大鋼軌電位隨著機(jī)車與牽引變電所距離的增加而增大，但隨著機(jī)車與牽引變電所的距離進(jìn)一步增大，牽引變電所附近最大鋼軌電位趨于飽和。

當(dāng)機(jī)車與牽引變電所的距離為4000～9000 m時(shí)，鋼軌最大電流隨著機(jī)車與牽引變電所距離的增大而減小，當(dāng)機(jī)車與牽引變電所的距離為15 000～20 000 m時(shí)，鋼軌最大電流又開始隨著機(jī)車與牽引變電所距離的增大而增大。

2.2 吸上線間距對(duì)鋼軌電位分布的影響

為了解釋2.1節(jié)中，機(jī)車距牽引變電所6300 m以及9100 m時(shí)最大鋼軌電位高于其它位置的原因，對(duì)吸上線間距對(duì)鋼軌電位分布的影響進(jìn)行探討，由于仿真模型是參照C線建立的，因此每根吸上線的相對(duì)位置也是按照C線所給坐標(biāo)建立的，由表1可知，機(jī)車距牽引變電所6300 m處是x坐標(biāo)為4817 m與x坐標(biāo)為7892 m的兩根吸上線的中心位置，機(jī)車距牽引變電所9100 m處是x坐標(biāo)為7892 m與x坐標(biāo)為10 333 m兩根吸上線的中心位置，可以發(fā)現(xiàn)，這3根吸上線之間的兩段間距分別為3075 m和2441 m，相比于其它吸上線之間的間距較大。

為了探究吸上線的距離是否會(huì)影響到最大鋼軌電位值，本節(jié)對(duì)距x坐標(biāo)為0的牽引變電所2000～10 000 m處的吸上線位置進(jìn)行了重新設(shè)定，將相鄰兩根吸上線的距離縮短到了約1500 m，設(shè)定結(jié)果見表4，其它吸上線的位置以及參數(shù)均不變，在新的吸上線位置下，分別將機(jī)車設(shè)置在3200 m、4800 m、6300 m、7750 m、9300 m處，機(jī)車位置均為相鄰兩根吸上線之間的中心，同時(shí)還將2.1節(jié)中機(jī)車設(shè)置在3800 m、6300 m、9100 m處的鋼軌電位分布與吸上線位置改變后的模型進(jìn)行比較，道床層電阻率設(shè)為63 000 Ω·m，土壤電阻率設(shè)為200 Ω·m。

表4 更改吸上線坐標(biāo)參數(shù)后的吸上線坐標(biāo)

表5 原模型中的吸上線坐標(biāo)

由圖5可知，當(dāng)把吸上線之間的距離縮短以后，列車位于相鄰兩根吸上線中心處時(shí)，最大鋼軌電位滿足隨機(jī)車與牽引變電所的距離增大而增大的規(guī)律。同時(shí)，在不改變?cè)Ｐ臀暇€的位置的計(jì)算結(jié)果中，根據(jù)圖6可以看出，在不改變吸上線位置的情況下，機(jī)車在3800 m處的鋼軌最大對(duì)地電位比吸上線位置變化后機(jī)車在3200 m以及4800 m時(shí)的鋼軌最大對(duì)地電位均大；機(jī)車位置同為6300 m時(shí)，若相鄰吸上線距離為1400 m，鋼軌最大對(duì)地電位為1049 V，而相鄰吸上線的距離為3075 m，鋼軌最大對(duì)地電位為1320 V，相比相鄰吸上線距離為1400 m時(shí)升高20.5%；機(jī)車位置為9300 m時(shí)，相鄰兩根吸上線距離為1741 m，鋼軌最大對(duì)地電位為1180 V，機(jī)車位置在9100 m時(shí)，相鄰兩根吸上線的距離為2441 m，鋼軌最大對(duì)地電位為1325 V，相比機(jī)車位置為9300 m，相鄰兩根吸上線距離為1741 m時(shí)的最大鋼軌電位升高10.94%，由此可以看出，相鄰兩根吸上線的距離相差越大，機(jī)車通過(guò)相鄰兩根吸上線中心點(diǎn)時(shí)的鋼軌對(duì)地電位越高。

圖5 機(jī)車與牽引變電所在不同距離時(shí)的鋼軌電位分布

圖6 機(jī)車與牽引變電所在不同距離時(shí)的鋼軌電位分布

2.3 機(jī)車在吸上線之間的不同位置時(shí)的鋼軌電位分布

為了進(jìn)一步探究機(jī)車位于吸上線之間各個(gè)位置時(shí)的鋼軌電位分布情況，特取x坐標(biāo)為17 928 m和20 475 m的兩根吸上線，并將機(jī)車位置分別設(shè)置在17 930 m、18 500 m、19 000 m、19 500 m、20 000 m、20 475 m處。

由圖7可以看出，在17 928 m和20 475 m的兩根吸上線之間機(jī)車位置發(fā)生變化時(shí)，對(duì)牽引變電所附近的鋼軌對(duì)地電位幾乎不產(chǎn)生影響，但由圖8可以看出，機(jī)車位于兩根吸上線之間的中心位置時(shí)，鋼軌的最大對(duì)地電位較機(jī)車靠近吸上線時(shí)較大，而機(jī)車在吸上線處時(shí)的鋼軌最大對(duì)地電位最小，17 928～20 475 m區(qū)間內(nèi)最大鋼軌對(duì)地電位的差值達(dá)到了425 V，因此吸上線之間鋼軌的位置對(duì)鋼軌對(duì)地電位升的影響不可忽略，這是由于機(jī)車在相鄰吸上線的中心位置時(shí)，牽引電流不能直接通過(guò)吸上線分給回流線，會(huì)導(dǎo)致機(jī)車附近電流較大，從而導(dǎo)致鋼軌電位差增大，而機(jī)車靠近吸上線處時(shí)，鋼軌電流能夠盡快通過(guò)吸上線傳給回流線，因此機(jī)車附近電流在吸上線處會(huì)明顯降低，從而保證了鋼軌電位下降速度減慢，因此在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中需要考慮機(jī)車在吸上線之間的位置發(fā)生變化時(shí)對(duì)最大鋼軌電位的影響。

圖7 機(jī)車在相鄰吸上線之間不同距離時(shí)的鋼軌電位分布

圖8 機(jī)車在相鄰吸上線之間不同距離時(shí)的鋼軌電位分布局部放大圖

3 結(jié)論

經(jīng)仿真分析，通過(guò)遞進(jìn)的方式得到了3種因素對(duì)鋼軌電位的影響規(guī)律以及各因素之間的關(guān)系，并為抑制鋼軌電位的方法提供了思考方向。

1)基于結(jié)論：機(jī)車在相鄰兩根吸上線中點(diǎn)處的鋼軌電位最大的啟發(fā)，通過(guò)在相鄰吸上線中點(diǎn)的鋼軌處接上接地電阻，可以在不影響且不改變吸上線位置的情況下，有效抑制鋼軌電位。

2)下一階段的重點(diǎn)工作之一就是在本文所建立的仿真模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)1)中提到的抑制鋼軌最大電位的仿真模型，并驗(yàn)證該方案的可行性以及得到相應(yīng)的抑制效果。