AT供電系統(tǒng)鋼軌電位的靈敏度分析

米澤輝 李群湛 馬慶安 胡景瑜 劉小涵

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

牽引網(wǎng)以鋼軌和大地作為負(fù)荷電流的返回路徑[1-2]，在正常運(yùn)行過程中，鋼軌相對(duì)大地具有一定的電位，會(huì)對(duì)人體、設(shè)備造成危害[3]，國際標(biāo)準(zhǔn) IEC62128-1規(guī)定了其允許值[4]。

近些年，國內(nèi)外專家對(duì)鋼軌電位問題進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[5]從兩相對(duì)稱分量法和序網(wǎng)絡(luò)角度，研究了鋼軌電位分布，該方法具有簡(jiǎn)單可行、物理概念清晰等特點(diǎn)。文獻(xiàn)[6-7]從基于多導(dǎo)體傳輸線的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)角度，討論了鋼軌電位分布規(guī)律。文獻(xiàn)[8]總結(jié)了計(jì)算鋼軌電位的三種方法，序網(wǎng)模型、基于多導(dǎo)體傳輸線的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)模型以及等效模型，用三種方法研究了鋼軌電位。文獻(xiàn)[9-10]研究了鋼軌對(duì)地泄露電導(dǎo)率、上下行橫連等措施對(duì)降低鋼軌電位的效果。文獻(xiàn)[11]研究了新模式、法國模式與日本模式3種 AT供電模式對(duì)鋼軌電位的影響。文獻(xiàn)[12-13]結(jié)合我國高速鐵路建設(shè)實(shí)際情況介紹了綜合接地設(shè)計(jì)方案，研究了綜合接地對(duì)降低鋼軌電位的效果。

本文從基于多導(dǎo)體傳輸線的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)模型角度，利用Matlab/Simulink建立了AT供電系統(tǒng)模型，對(duì)鋼軌電位進(jìn)行仿真計(jì)算，研究各種因素對(duì)鋼軌電位的影響。

1 牽引網(wǎng)模型

各種類型的牽引網(wǎng)都可用以多導(dǎo)體傳輸線為骨架的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一描述，牽引網(wǎng)中的各種電氣元件，都可描述為兩類元件：縱向串聯(lián)元件和橫向并聯(lián)元件。對(duì)串聯(lián)元件和并聯(lián)元件適當(dāng)建模，通過節(jié)點(diǎn)的設(shè)置可以計(jì)算每一節(jié)點(diǎn)上各個(gè)傳輸線的電壓、電流分布情況[6,8]。

高速鐵路一般使用 AT供電方式[11]。本文主要對(duì)全并聯(lián)復(fù)線AT牽引網(wǎng)的鋼軌電位進(jìn)行仿真計(jì)算，圖1給出了有綜合接地的全并聯(lián)復(fù)線AT牽引網(wǎng)示意圖，每隔6km上下行鋼軌、PW線、GW線作橫向連接，每隔3km將上下行PW線、GW線作橫向連接[13]。

圖1 全并聯(lián)復(fù)線AT牽引網(wǎng)(有綜合接地)示意圖

2 鋼軌電位的允許標(biāo)準(zhǔn)

鋼軌電位允許標(biāo)準(zhǔn)按電壓作用時(shí)間可分為短時(shí)（t≤0.5s）、暫時(shí)（0.5s＜t≤300s=和長(zhǎng)時(shí)（t＞300s）3種情況，不同工況的允許值不同，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC62128-1的規(guī)定，交流電氣化鐵道短時(shí)和暫時(shí)工況下的最大允許電壓見表1[4]。長(zhǎng)時(shí)工況下交流電氣化鐵道的最大允許接近電壓一般不超過 60V。在特殊困難場(chǎng)所不得超過 25V。所謂接觸電壓是指人或牲畜在接觸網(wǎng)故障時(shí)同時(shí)觸及短路徑路中兩點(diǎn)所遭受的電壓。而接近電壓則是指在接觸網(wǎng)正常工作條件下人和牲畜可能作為導(dǎo)體的一部分跨接于部分鋼軌電位間的電壓[10]。根據(jù)國際經(jīng)驗(yàn),用作計(jì)算接觸電壓的短路電流切斷時(shí)間一般采用 100ms[12]，接觸電壓可以軌道電位的50%計(jì)算[13]。

3 鋼軌電位的靈敏度分析

本文從基于多導(dǎo)體傳輸線的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)模型角度，利用Matlab/Simulink建立了全并聯(lián)復(fù)線AT供電系統(tǒng)模型，正常運(yùn)行與T-R短路時(shí)，對(duì)負(fù)荷點(diǎn)、鋼軌電位取得最大值點(diǎn)（測(cè)試點(diǎn)）與短路點(diǎn)進(jìn)行鋼軌電位仿真計(jì)算，擬合計(jì)算結(jié)果，對(duì)鋼軌電位進(jìn)行靈敏度分析。

3.1 鋼軌電位的影響因素

鋼軌電位的影響因素有很多，包括牽引網(wǎng)供電方式、上下行橫連、CPW 線、鋼軌對(duì)地泄露電導(dǎo)率、AT漏抗以及貫通地線等。本文假設(shè)牽引變壓器為單相接線，額定容量為 31.5MVA，短路電壓百分比為15%，AT變壓器容量為 8MVA，AT變壓器漏抗為0.45Ω，電力機(jī)車電流為600A，速度為350km/h[6]。AT段長(zhǎng)度為12km，軌道為無砟軌道，鋼軌對(duì)地泄露電導(dǎo)率為0.002S/km[8-10]。綜合接地系統(tǒng)采用TJ70貫通地線GW，每隔1.5km上下行鋼軌、PW線、GW線作橫向連接，每隔500m將上下行PW線、GW線作橫向連接，每隔100m在無砟軌道內(nèi)設(shè)置接地鋼筋，并將其以“T”形連接方式接入綜合接地系統(tǒng)，貫通地線接地電導(dǎo)率為1.5S/km。牽引網(wǎng)參數(shù)見表2[12-13]。

表2 牽引網(wǎng)參數(shù)

3.2 鋼軌電位的仿真計(jì)算

1）正常運(yùn)行時(shí)的鋼軌電位

（1）上下行橫連對(duì)鋼軌電位的影響

上下行鋼軌、PW 線、GW 線每隔 6km、3km與1.5km全橫連時(shí)，負(fù)荷點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)鋼軌電位分布情況如圖2所示，上下行橫連對(duì)鋼軌電位的影響情況見表3。

從圖2和表3中負(fù)荷點(diǎn)鋼軌電位可見，在無綜合接地時(shí)，上下行鋼軌、PW線每隔3km與1.5km全橫連時(shí)的鋼軌電位最大值（209.4V與167.6V）比6km時(shí)的鋼軌電位最大值（260.8V）降低51.4V與93.2V，降低了19.7%與35.7%。從測(cè)試點(diǎn)鋼軌電位可見，鋼軌電位高于IEC62128-1規(guī)定的最大允許鋼軌電位。在有綜合接地時(shí)，上下行鋼軌、PW 線、GW線每隔3km與1.5km全橫連時(shí)的鋼軌電位最大值（111.7V與58.9V）比6km時(shí)的鋼軌電位最大值（225.3V）降低112.1V與164.9V，降低了50.1%與73.7%。從測(cè)試點(diǎn)鋼軌電位可見，6km時(shí)的鋼軌電位高于IEC62128-1規(guī)定的最大允許鋼軌電位[6-8]?？梢?，增加上下行橫連對(duì)鋼軌電位降低效果明顯。

表3 上下行橫連對(duì)鋼軌電位的影響

圖2 負(fù)荷點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)鋼軌電位

（2）鋼軌對(duì)地泄露電導(dǎo)率對(duì)鋼軌電位的影響

鋼軌對(duì)地泄露電導(dǎo)率為0.002S/km與0.01S/km時(shí)，負(fù)荷點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)鋼軌電位分布情況見圖 3，鋼軌對(duì)地泄露電導(dǎo)率對(duì)鋼軌電位的影響情況見表4。

圖3 負(fù)荷點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)鋼軌電位

表4 鋼軌對(duì)地泄露電導(dǎo)率對(duì)鋼軌電位的影響

從圖3和表4中負(fù)荷點(diǎn)鋼軌電位可見，在無綜合接地時(shí)，鋼軌對(duì)地泄露電導(dǎo)率為0.01S/km時(shí)的鋼軌電位最大值（162.5V）比0.002S/km時(shí)的鋼軌電位最大值（167.6V）降低6.6V，降低了2.5%。從測(cè)試點(diǎn)鋼軌電位可見，鋼軌電位高于IEC62128-1的最大允許鋼軌電位。在有綜合接地時(shí)，鋼軌對(duì)地泄露電導(dǎo)率為0.01S/km時(shí)的鋼軌電位最大值（58.5V）比0.002S/km時(shí)的鋼軌電位最大值（58.9V）降低0.4V，降低了0.7%。從測(cè)試點(diǎn)鋼軌電位可見，鋼軌電位低于IEC62128-1規(guī)定的最大允許鋼軌電位?？梢姡龃箐撥墝?duì)地泄露電導(dǎo)率對(duì)鋼軌電位降低效果不明顯，影響鋼軌的對(duì)地絕緣性能，降低信號(hào)的傳輸距離，使通過鋼軌的牽引回流量減少，對(duì)軌道電路，鋼軌對(duì)地泄露電導(dǎo)率越小越好，因此不能增大鋼軌對(duì)地泄露電導(dǎo)率[12-13]。

（3）AT漏抗對(duì)鋼軌電位的影響

AT漏抗為0.45Ω、0.90Ω與1.80Ω時(shí)，負(fù)荷點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)鋼軌電位分布情況見圖4，AT漏抗對(duì)鋼軌電位的影響情況見表5。

圖4 負(fù)荷點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)鋼軌電位

表5 AT漏抗對(duì)鋼軌電位的影響

從圖4與表5中負(fù)荷點(diǎn)鋼軌電位可見，在無綜合接地時(shí)，AT漏抗為0.90Ω與0.45Ω時(shí)的鋼軌電位最大值（168.0V與167.6V）比為1.80Ω時(shí)的鋼軌電位最大值（168.0V）降低0V與0.3V，降低了0%與0.3%。從測(cè)試點(diǎn)鋼軌電位可見，鋼軌電位高于IEC62128-1規(guī)定的最大允許鋼軌電位。在有綜合接地時(shí)，AT漏抗為0.90Ω與1.80Ω時(shí)的鋼軌電位最大值（58.9V與58.7V）比為0.45Ω時(shí)的鋼軌電位最大值（58.9V）降低0V與0.2V，降低了0%與0.3%。從測(cè)試點(diǎn)鋼軌電位可見，鋼軌電位低于IEC62128-1規(guī)定的最大允許鋼軌電位?？梢姡淖傾T漏抗對(duì)鋼軌電位降低效果不明顯，同時(shí)改變AT漏抗會(huì)增加變壓器的制造難度。

（4）貫通地線接地電導(dǎo)率對(duì)鋼軌電位的影響

貫通地線接地電導(dǎo)率為1S/km與2S/km時(shí)，負(fù)荷點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)鋼軌電位分布情況如圖5所示，貫通地線接地電導(dǎo)率對(duì)鋼軌電位的影響情況見表6。

圖5 負(fù)荷點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)鋼軌電位

表6 貫通地線接地電導(dǎo)率對(duì)鋼軌電位的影響

從圖5和表6中可見，貫通地線接地電導(dǎo)率為2S/km時(shí)的鋼軌電位最大值(57.7V)比1S/km時(shí)的鋼軌電位最大值(61.3V)降低0.6V，降低了1.0%。從測(cè)試點(diǎn)鋼軌電位可見，鋼軌電位低于IEC62128-1規(guī)定的最大允許鋼軌電位?？梢?，增大貫通地線接地電導(dǎo)率對(duì)鋼軌電位降低效果不明顯。

2）T-R短路時(shí)的鋼軌電位

上行線T-R短路時(shí)的鋼軌電位分布情況如圖6所示，綜合接地對(duì)鋼軌電位的影響情況見表7。

表7 綜合接地對(duì)鋼軌電位的影響

圖6 短路點(diǎn)鋼軌電位

從圖6和表7中可見，有綜合接地時(shí)的鋼軌電位最大值（1917.5V）比無綜合接地時(shí)的鋼軌電位最大值（654.9V）降低377.5V，降低了65.8%，鋼軌電位低于IEC62128-1規(guī)定的最大允許鋼軌電位[2,9]。

4 結(jié)論

本文基于Matlab/Simulink仿真工具建立了AT供電系統(tǒng)模型，對(duì)鋼軌電位進(jìn)行了靈敏度分析。結(jié)果表明：增加上下行橫連對(duì)鋼軌電位降低效果明顯，增大鋼軌對(duì)地泄露電導(dǎo)率，增大AT漏抗，增大貫通地線接地電導(dǎo)率對(duì)鋼軌電位降低效果不明顯。

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