減少電氣化鐵道的大地回流降低軌道電位-敷設(shè)貫通地線(共16頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上減少電氣化鐵道的大地回流降低軌道電位安裝綜合接地系統(tǒng)摘要：本文從電氣化鐵道牽引供電電流的一般回流過(guò)程及主要路徑，分析了大地回流及軌道電位產(chǎn)生的原因及危害，并從各種供電方式原理分析對(duì)比中提出了安裝綜合接地系統(tǒng)，用以減少大地回流、降低軌道電位、完善供電方式的迫切必要性，同時(shí)對(duì)綜合接地系統(tǒng)作了簡(jiǎn)要介紹。引言：電氣化鐵道牽引電流是機(jī)車受電弓通過(guò)接觸導(dǎo)線取流并向機(jī)車供電的電流，牽引電流必須具備回流路徑。由于考慮了電流路徑要構(gòu)成閉合回路，按照能量守恒，總的回流應(yīng)等于流經(jīng)接觸線的電流。為最大限度地減少十分有害的大地回流，迅速消除短路故障狀態(tài)下鋼軌和大地之間的電位差，保障人身安全和電

2、氣化鐵道系統(tǒng)設(shè)備安全，應(yīng)該采用綜合接地系統(tǒng)，沿電氣化鐵道敷設(shè)貫通地線，這是完善供電方式的一項(xiàng)重要舉措，也是適應(yīng)當(dāng)前我國(guó)大規(guī)模建設(shè)大功率、高密度、高速鐵路以及地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)鐵路形勢(shì)的迫切需要。1.電氣化鐵道牽引電流的大地回流不容忽視1.1牽引電流的一般回流過(guò)程及主要路徑。牽引變電所接觸線軌道大地圖1 牽引電流一般回流示意圖如圖所示，牽引電流是由牽引變電所饋出，沿接觸導(dǎo)線送給電力機(jī)車，然后經(jīng)軌道和大地流回牽引變電所。1.2一般情況下，經(jīng)大地流入牽引變電所的電流比例還相當(dāng)大。走行軌可作為回流的導(dǎo)體，但由于鋼軌敷設(shè)在地面上，其長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寬度，其縱向電阻的存在以及交流牽引網(wǎng)在其周圍空間存在電場(chǎng)和產(chǎn)

3、生交變磁場(chǎng)，接觸網(wǎng)與地回路，軌道與地回路存在感性耦合，必然導(dǎo)致部分回流流入大地，再經(jīng)大地流回牽引變電所的接地系統(tǒng)。在實(shí)際中，電路參數(shù)的分析與測(cè)定基本上是按該回路構(gòu)成進(jìn)行的，即牽引網(wǎng)架空線路與地形成一個(gè)回路，軌道與地形成另一個(gè)回路，基于這種情況可以對(duì)地中電流的值作近似計(jì)算。單線區(qū)段：一般單線區(qū)段接觸網(wǎng)等效電路如下圖所示：IdJgZ12Z2IdI=IgZ12Z1-Z12Z2-Z12圖2 一般單線區(qū)段接觸網(wǎng)等效電路示意圖Z1圖中Z1與Z2分別表示接觸網(wǎng)與地回路和軌道與地回路的自阻抗，Z12表示兩回路的互阻抗，I為流經(jīng)接觸網(wǎng)的總電流，其中一路Ig流經(jīng)鋼軌，另一路為地中電流Id，其電流分配系數(shù)為：鋼軌電

4、流分配系數(shù)：Kg= Ig/I= Z12/Z2地中電流分配系數(shù)： Kd= Id/I=(Z2 -Z12）/Z2根據(jù)電路原理，代入接觸網(wǎng)一般單鏈形懸掛實(shí)際數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算（計(jì)算過(guò)程從略），可求得：Z1=0.228+j0.686Z2=0.198+j0.560Z12=0.05+j0.315因此可得Kg= Z12/Z2= (0.05+j 0.315)/(0.198+j0.560)=0.53610.50Kd=( Z2-Z12)/ Z2= (0.148+j0.245)/(0.198+j0.560)=0.481-11.60說(shuō)明在一般單線情況下，軌道電流約為牽引網(wǎng)電流的53.6%，地中電流約為牽引網(wǎng)電流的48.1%

5、，將近有50%牽引電流入地。復(fù)線區(qū)段：實(shí)際有3個(gè)感應(yīng)回路：上行接觸網(wǎng)與地回路；下行接觸網(wǎng)與地回路；軌道與地回路。和同時(shí)在中感應(yīng)電流。u1I1Z1Z3Igu2I2Z2Z12Z13Z23圖3 復(fù)線區(qū)段接觸網(wǎng)感應(yīng)回路示意圖圖中Z1、Z2、Z3均表示其自阻抗，Z13、Z23、Z12均表示其互阻抗，I1為上行接觸網(wǎng)電流，I2為下行接觸網(wǎng)電流，設(shè)I為總電流，因此，I=I1+I2 (1)對(duì)鋼軌地回路可有平衡方程式：Z13I1+Z23I2+Z3Ig=0且Z12=Z13 (2)(1)式與(2)式合并求得軌道電流分配系數(shù) Kg=Z13/Z3地中電流分配系數(shù) Kd=(Z3-Z13)/Z3根據(jù)電路原理，代入接觸網(wǎng)復(fù)線

6、鏈形懸掛有關(guān)實(shí)際數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算（計(jì)算過(guò)程略），可求得Z3=0.124+j0.445Z13=0.05+j0.307因此可得 Kg=(0.05+j0.307)/(0.124+j0.445)=0.6736.30 Kd=(0.074+j0.138)/(0.124+j0.445)=0.340-12.60由此可知，一般復(fù)線情況下，軌道電流約為上、下行牽引網(wǎng)總電流的67.3%；地中電流約為34%，即在復(fù)線情況下，約有1/3的牽引電流入地。1.3地中電流危害嚴(yán)重。大地包含了組成大地外殼的所有類型的土壤和巖石，它能傳導(dǎo)電流，像金屬一樣土壤也有電阻。人們習(xí)慣認(rèn)為，大地任一點(diǎn)的電位都等于零，但實(shí)際由于大地并不是一個(gè)均

7、勻介質(zhì)，土壤導(dǎo)電率的值處處隨土質(zhì)而異。特別是當(dāng)?shù)叵略O(shè)有金屬管道或金屬表皮電纜時(shí)，地中電流將很大程度地集中沿金屬管道流通，隨之使金屬溫度升高，另外，由于電流在其中產(chǎn)生電壓降而使金屬物出現(xiàn)對(duì)地電壓，與鐵路并行的金屬導(dǎo)體包括電纜、管道，愈靠近鐵路，上述現(xiàn)象就愈加顯著，溫度升高將加速金屬腐蝕，對(duì)地電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)還將危及操作人員的安全。1.4走行軌對(duì)地電位升高危及行人及周圍鐵路系統(tǒng)設(shè)備使用安全。鋼軌無(wú)論是釘固在軌枕上還是敷設(shè)在混凝土整體道床上，部分回流經(jīng)過(guò)走行軌漏泄到大地中，使軌道產(chǎn)生對(duì)地電位，在正常運(yùn)行過(guò)程中，高達(dá)上千安培，走行軌和列車的導(dǎo)電部分產(chǎn)生可接近電壓，但該電壓存在潛在的危險(xiǎn)，因?yàn)榱鹘?jīng)大地的

8、電流愈強(qiáng)，危險(xiǎn)性就愈大，如錯(cuò)車時(shí)鋼軌對(duì)大地的電壓出現(xiàn)疊加，使軌電位增加一倍，萬(wàn)一發(fā)生接觸網(wǎng)斷線，發(fā)生短路，更使軌電位驟升，短路電流即可達(dá)數(shù)十千安，惡劣的氣候及嚴(yán)重的環(huán)境污染都可能造成漏泄電流的增加，從而引起軌電位升高，產(chǎn)生危險(xiǎn)接觸電壓，造成人員跨接。所以電氣化鐵道要求有特殊的防護(hù)措施以消除電位差來(lái)保障人身安全和系統(tǒng)設(shè)備使用安全，尤其是建設(shè)大功率、高密度、高速鐵路以及地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)鐵路更應(yīng)該注意。2.減少大地回流及相關(guān)影響的主要措施：我國(guó)電氣化鐵道自1968年第二次開(kāi)工建設(shè)以來(lái)，一直注重開(kāi)發(fā)和研究應(yīng)用各種不同供電方式以減少經(jīng)大地流回變電所的電流及其相關(guān)影響。2.1BT（吸流變壓器）供電方式。

9、上個(gè)世紀(jì)70年代我國(guó)首先在寶成線馬綿段試驗(yàn)成功。隨后在陽(yáng)安線、石太線等多條長(zhǎng)大干線廣泛采用，收效顯著。牽引變電所回流線接觸線鋼軌吸流變吸流變圖4 BT供電示意圖如上圖所示，這種在接觸網(wǎng)中安裝吸流變壓器，原邊串接在接觸導(dǎo)線上，副邊串接在與接觸線平行等高架設(shè)的田野側(cè)回流線上，變比為1：1。當(dāng)牽引電流流經(jīng)吸流變?cè)厱r(shí)，副邊在回流線產(chǎn)生很大的互感電勢(shì)，極大地削弱了周圍磁場(chǎng)，顯著地降低了電磁干擾的影響，在兩個(gè)吸流變壓器中間位置，使用吸上線連接走行軌與回流線，其電位大致等于軌電位，迫使由鋼軌大地流回牽引變電所的電流，大部分改由回流線流回變電所。這種供電方式的缺陷：每隔24km，大量安裝吸流變、開(kāi)關(guān)等設(shè)備；

10、尤其是在多線鐵路系統(tǒng)中投資大，運(yùn)行費(fèi)用高等。使用該裝置牽引網(wǎng)阻抗加大約50%，從而加大了電壓降和功率損失。高速、大功率機(jī)車通過(guò)吸流變分段時(shí)，在接觸網(wǎng)分段絕緣器上產(chǎn)生的電弧加速了接觸線和集電弓的磨損。當(dāng)電力機(jī)車在兩個(gè)吸流變壓器間運(yùn)行并取用牽引電流時(shí)，根據(jù)距離和線路參數(shù)不同，仍將有牽引電流流過(guò)部分區(qū)段的鋼軌和大地。2.2AT（自耦變壓器）供電方式：1984年，我國(guó)從日本引進(jìn)這種供電方式，首先在京秦線吸收消化總結(jié)提高，安裝成功，隨后在大秦、隴海、鄭武等長(zhǎng)大干線廣泛采用，收效顯著。牽引變電所接觸線鋼軌正饋線u n2u n1n2n1AT1AT2圖5 AT供電示意圖如上圖所示，AT變壓器，變比為2：1，其

11、一端接入接觸網(wǎng)，中點(diǎn)接入鋼軌，另一端接入正饋線。理論分析認(rèn)為，原邊的激磁電流貫穿在n1、n2兩個(gè)線圈之中，副邊線圈n2在電源看來(lái)也是原邊線圈的一部分，在負(fù)載下，兩個(gè)線圈中的負(fù)載電流總是大小相等，方向相反，兩個(gè)線圈中的負(fù)載電流的勵(lì)磁作用相互抵消。電流由變電所沿接觸網(wǎng)送給電力機(jī)車，然后沿正饋線流回，軌道中電流為零，實(shí)際是用正饋線代替了回流線。這種供電方式大大降低了牽引網(wǎng)中的電壓損失，從而擴(kuò)大了牽引變電所間隔，同時(shí)，也消除了在接觸網(wǎng)中安裝吸流變必須安裝絕緣分段的突出問(wèn)題。這種供電方式的缺陷：牽引網(wǎng)投資顯著增加。鋼軌電流和地電流雖然很小，但依然存在于所有的AT區(qū)段中。在牽引供電網(wǎng)絡(luò)短路時(shí)，自耦變壓器的

12、短路電流增加。2.3直供加回流。這種供電方式，現(xiàn)在在我國(guó)被廣泛采用。牽引變電所回流線接觸線鋼軌圖6 直供+回流供電示意圖從BT到AT，有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是在牽引網(wǎng)中增加了回流線（AT正饋線代替了BT中的回流線），通過(guò)吸上線與鋼軌連接（在自動(dòng)閉塞區(qū)段與扼流變壓器中點(diǎn)接線端子連接），為牽引電流回歸牽引變電所提供主通道。同時(shí)在接觸懸掛處與雙重絕緣的接地跳線連接，即使由于某種原因，支持正饋線F的絕緣子和支持接觸懸掛T的絕緣子一旦發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，將會(huì)迅速通過(guò)閃絡(luò)直接構(gòu)成故障電流的金屬回路，使變電所等處的距離保護(hù)迅速、可靠動(dòng)作，起到保護(hù)作用，由于站場(chǎng)和大橋地段安裝了架空地線，一旦發(fā)生絕緣子擊穿短路，故障電流

13、也會(huì)立即經(jīng)架空地線轉(zhuǎn)移到車站、大橋兩端接地，避免產(chǎn)生跨步電壓。正是由于安裝了回流線，在很大程度上減少了流經(jīng)軌道和大地的回流，有資料表明，架設(shè)回流線后至少將流經(jīng)大地的電流可減少到15%20%；軌電位顯著降低，有資料表明，軌電位可減少50%55%；與鐵路并行安裝的導(dǎo)線中產(chǎn)生的感應(yīng)縱向電壓，也減少了將近一半；鐵路附近的磁場(chǎng)也得到很大削弱；牽引網(wǎng)單位長(zhǎng)度阻抗也減小了，提高了回流的導(dǎo)通性。這種供電方式的缺陷；鋼軌電流和地電流雖然很小了，依然存在于電氣化區(qū)段中；無(wú)論是在運(yùn)行狀態(tài)還是在故障狀態(tài)下，軌電位都會(huì)在走行軌和與之相連的導(dǎo)體上產(chǎn)生，尤其是接觸網(wǎng)斷線接地短路后，更為嚴(yán)重,極易造成電擊傷害和對(duì)周圍系統(tǒng)設(shè)備

14、的嚴(yán)重破壞。3.安裝綜合接地系統(tǒng)完善供電方式。為最大限度地減少電氣化鐵道的大地回流，消除十分有害的漏泄電流對(duì)鐵道沿線金屬導(dǎo)體的腐蝕，尤其是隨著大功率、高密度、高速鐵路、地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)鐵路大規(guī)模建成，當(dāng)運(yùn)行電流或短路電流流經(jīng)電氣化鐵道鋼軌時(shí)，發(fā)生接觸網(wǎng)斷線時(shí)，迅速消除鋼軌和大地之間電位差，保護(hù)人體不遭受電擊、相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備不遭受破壞，確保牽引電流、再生制動(dòng)電流、故障短路電流在低阻抗下迅速回流，距離保護(hù)快速可靠動(dòng)作，筆者認(rèn)為：在“直供加回流”供電方式下，安裝完善的綜合接地系統(tǒng)，非常必要。如下圖所示：牽引變電所回流線接觸線鋼軌貫通地線1234圖7 改進(jìn)型“直供+回流”供電方式示意圖上圖是“直供加回

15、流”供電方式的改進(jìn)和優(yōu)化。主要是增加了綜合接地系統(tǒng)。3.1綜合接地系統(tǒng)的組成綜合接地系統(tǒng)由貫通地線、接地裝置及引接線構(gòu)成。綜合接地系統(tǒng)以沿線敷設(shè)的貫通地線為主干，充分利用沿線橋梁、隧道、路基地段構(gòu)筑物設(shè)施內(nèi)的接地裝置作為接地體，形成低阻抗等電位綜合接地平臺(tái)。主要有：橋梁綜合接地；隧道綜合接地；路基綜合接地；車站范圍綜合接地；無(wú)砟軌道綜合接地；接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)等構(gòu)筑物接地等，各分系統(tǒng)接地通過(guò)設(shè)置接地端子，連接引接線與貫通主干線可靠連接。距接觸網(wǎng)帶電體5m范圍內(nèi)的金屬構(gòu)件和需要接地的設(shè)施設(shè)備應(yīng)接入綜合接地系統(tǒng)；距線路兩側(cè)20m范圍內(nèi)鐵路設(shè)備房屋的接地裝置應(yīng)接入綜合接地系統(tǒng)；不便與鐵路綜合接地系統(tǒng)等電

16、位連接的第三方設(shè)施（路外公共建筑物、公共電力系統(tǒng)、金屬管線等設(shè)施）必須采取可靠的隔離或絕緣等措施。3.2各專業(yè)接入綜合接地系統(tǒng)的主要地線種類信號(hào)：沿線信號(hào)設(shè)備（所有相關(guān)金屬設(shè)備外殼）的安全接地和屏蔽接地以及工作接地。通信：沿線漏泄電纜懸吊鋼索、通信電纜金屬外皮等的屏蔽地線、通信設(shè)備接地、避雷器的安全接地。通信站、微波站、無(wú)線基站在滿足綜合接地總體接入原則時(shí)，可接入綜合接地系統(tǒng)。電力：電力電纜的金屬外皮屏蔽地線，電力變壓器中性點(diǎn)接地及設(shè)備外殼接地。電氣化：接觸網(wǎng)PW接地保護(hù)線的接地，沿線接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)及隧道懸掛裝置基礎(chǔ)接地。車輛：紅外軸溫探測(cè)站、復(fù)示站的接地。給排水：新興客車上水栓的工作地線和外

17、殼安全接地。獨(dú)立避雷針和架空避雷線（網(wǎng)）的接地應(yīng)設(shè)獨(dú)立接地裝置，接地裝置與被保護(hù)建筑物或變、配電所接地網(wǎng)中的地中距離不應(yīng)小于3m；當(dāng)有困難時(shí)，可與綜合接地系統(tǒng)相連，但其地下連接點(diǎn)至建筑物內(nèi)的電氣、電子設(shè)備或變、配電所35kv及以下設(shè)備與接地網(wǎng)的地下連接點(diǎn)之間，沿接地體的地中長(zhǎng)度不應(yīng)小于15m。站臺(tái)上金屬構(gòu)筑物的安全接地。車站信號(hào)樓、行車室、區(qū)間中繼站等的綜合接地網(wǎng)在條件許可時(shí)可就近接入綜合接地系統(tǒng)。其他：沿線信息化系統(tǒng)設(shè)備的安全地線和屏蔽地線、工作地線；無(wú)碴軌道板、隧道內(nèi)、橋墩內(nèi)非預(yù)應(yīng)力鋼筋接地；沿線距接觸網(wǎng)帶電體5m范圍內(nèi)金屬構(gòu)件（如橋欄桿、雨棚、聲屏障等）的防感應(yīng)接地。3.3重點(diǎn)注意事項(xiàng)綜

18、合接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)施工要達(dá)到保護(hù)人身安全和設(shè)備安全的要求，遵循以人為本、系統(tǒng)優(yōu)化、綜合防護(hù)的原則，加強(qiáng)總體協(xié)調(diào)、全面規(guī)劃、統(tǒng)籌考慮。在施工前，早期階段就要做出完善設(shè)計(jì)，以便施工階段全面實(shí)施。流經(jīng)大地的回流取決于回流導(dǎo)線的設(shè)計(jì)和截面的大小，否則，極易出現(xiàn)供電故障（詳見(jiàn)附圖1、2、3），因此貫通接地線截面的選擇應(yīng)能同時(shí)滿足正常牽引負(fù)荷的長(zhǎng)期載流量和短路故障下的短路電流的要求，應(yīng)特別注意貫通地線的選用應(yīng)耐腐蝕并符合環(huán)保要求，環(huán)保性能應(yīng)能滿足國(guó)家有關(guān)規(guī)定，同時(shí)要特別注意機(jī)械強(qiáng)度。為確保等電位連接，減少不同系統(tǒng)、不同設(shè)備之間存在的電位差，實(shí)現(xiàn)低阻抗，結(jié)構(gòu)物內(nèi)的接地鋼筋之間均要可靠焊接，保證電氣連接?？紤]信息化電子設(shè)備工作需要，各項(xiàng)接地系統(tǒng)在貫通線接入處的接地電阻不應(yīng)大于1歐姆，變電所接地網(wǎng)接地電阻不應(yīng)大于0.5歐姆?；亓骶€上的回流不應(yīng)再經(jīng)過(guò)貫通地線回歸牽引變電所。接地端子、接地連接線均應(yīng)采用