牽引變電所接地計(jì)算探討

楊天平

0 引言

變電所接地的主要目的是保障系統(tǒng)能夠安全可靠地運(yùn)行，保障人身及設(shè)備的安全。安全可靠的接地需要滿足接地裝置接地電阻、接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)的要求，因此接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定設(shè)計(jì)區(qū)域的入地電流，然后根據(jù)入地電流的大小進(jìn)行合適的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)[1]。

目前牽引變電所接地設(shè)計(jì)主要計(jì)算依據(jù)是《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]（TB10009-2005）附錄介紹的入地短路電流及電位計(jì)算，該計(jì)算方法同電力系統(tǒng)發(fā)電廠、變電所經(jīng)接地裝置的入地短路電流及電位計(jì)算[3]方法。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)110 kV及以上供電系統(tǒng)采用有效接地系統(tǒng)，所以規(guī)范中計(jì)算方法對(duì)于牽引變電所高壓側(cè)（110 kV或220 kV）流經(jīng)接地裝置的入地短路電流都是適用的，但在交流電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中，牽引電流是從牽引變電所經(jīng)饋線流出，沿接觸網(wǎng)送給電力機(jī)車(chē)，然后經(jīng)軌道、大地和回流線流回牽引變電所，軌道和大地就成為牽引回流的組成部分，當(dāng)在牽引變電所牽引側(cè)發(fā)生接地時(shí)，其實(shí)質(zhì)是發(fā)生了相間短路，因此規(guī)范中介紹的計(jì)算方法不再適用于牽引變電所牽引側(cè)發(fā)生接地時(shí)的入地短路電流計(jì)算。

在牽引變電所接地設(shè)計(jì)時(shí)，往往只考慮在接地故障狀況下的地電位升高造成的危害，但軌道和大地為牽引回流的組成部分，在正常運(yùn)行不采用帶吸回裝置的供電方式時(shí)，牽引供電回路中的入地電流較大，造成地電位升高較大且該入地電流不屬于故障電流不能切除，因此對(duì)人身及設(shè)備的安全會(huì)造成極大的危害，在接地設(shè)計(jì)時(shí)必須引起足夠的重視。

本文將著重對(duì)上述在接地設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題加以探討。

1 入地電流的近似計(jì)算[4～7]

1.1 單相接地短路時(shí)入地電流

1.1.1 牽引變電所高壓側(cè)單相接地短路

對(duì)于牽引變壓器在運(yùn)行中有中性點(diǎn)引出的，在發(fā)生接地短路時(shí)，則可直接運(yùn)用《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄中的計(jì)算方法，對(duì)于牽引變壓器在運(yùn)行中無(wú)中性點(diǎn)或中性點(diǎn)不引出的，在變電所內(nèi)發(fā)生接地短路時(shí)，由于Iz= 0，所以可簡(jiǎn)化為

而在變電所外發(fā)生接地短路時(shí)，由于Iz= 0，所以可簡(jiǎn)化為

式中，I為入地短路電流；Imax為接地短路時(shí)最大接地短路電流；Iz為發(fā)生最大接地短路電流時(shí)，流經(jīng)變電所接地中性點(diǎn)的最大接地短路電流；Kf1為變電所內(nèi)短路時(shí)，避雷線的工頻分流系數(shù)。

電力系統(tǒng)為了減小單相接地短路電流，降低對(duì)鄰近通訊系統(tǒng)的干擾，往往有選擇性地將一部分變壓器中性點(diǎn)接地，一部分變壓器中性點(diǎn)不接地，而目前鐵路系統(tǒng)絕大多數(shù)牽引變壓器實(shí)際都運(yùn)行在中性點(diǎn)不接地狀態(tài)，因此在進(jìn)行接地短路時(shí)入地電流計(jì)算主要運(yùn)用的是式（1）及式（2），在設(shè)計(jì)時(shí)需加以注意。

1.1.2 牽引變電所饋線單相接地短路

牽引變電所牽引側(cè)接地短路主要表現(xiàn)為母線接地短路、接觸網(wǎng)接地短路及饋線（供電線）接地短路。

牽引側(cè)母線接地短路時(shí)，雖然短路電流很大，但因?yàn)樵谒鶅?nèi)短路，都是以接地裝置作為短路電流回路，所以經(jīng)接地裝置入地的短路電流為0。

接觸網(wǎng)單相接地短路時(shí)，則經(jīng)接地裝置入地的短路電流可近似為短路電流計(jì)算值乘以地中電流分配系數(shù)。由于牽引網(wǎng)短路阻抗的存在及軌道的分流作用，則當(dāng)接觸網(wǎng)單相接地短路時(shí)，經(jīng)地回流的入地電流并不大，本文不再詳述。

牽引變電所饋線（供電線）接地短路，由于牽引變電所與接觸網(wǎng)連接的饋線情形是多種多樣的，有的與線路幾乎垂直且距離較遠(yuǎn)，有的與線路幾乎平行且距離較近，因而精確的數(shù)學(xué)模型較難建立，本文僅著重分析在最不利情況下的入地短路電流。

當(dāng)饋線在變電所接地裝置外但相距很近且距鋼軌較遠(yuǎn)時(shí)發(fā)生短路，可忽略軌道電路的分流作用，接地短路電流主要經(jīng)地、變電所的接地裝置流回牽引變壓器，此時(shí)流經(jīng)變電所接地裝置的入地短路電流，在牽引側(cè)各種短路中是最嚴(yán)重的，可近似為牽引側(cè)母線一相接地短路時(shí)的最大短路電流。其入地短路電流表達(dá)式見(jiàn)式（3）—式（5）。

單相變電所（V/v）

三相變電所（Y/D）

三相-兩相變電所（SCOTT）

1.2 正常運(yùn)行狀況下入地電流

在單線電氣化區(qū)段直接供電方式下，地中電流約為接觸網(wǎng)電流的 1/2；在雙線電氣化區(qū)段，地中電流約為接觸網(wǎng)電流的1/3，上述入地電流可用于計(jì)算牽引網(wǎng)中經(jīng)接地裝置流回牽引變電所的電流上限，其表達(dá)式見(jiàn)式（6）：

單線電氣化區(qū)段地中電流分配系數(shù)

式中，KE為地中電流分配系數(shù)；I1為接觸網(wǎng)-地回路電流；I2為軌道-地回路電流；Z12為接觸網(wǎng)-地回路與軌道-地回路單位互阻抗；Z2為軌道-地回路單位自阻抗。

雙線電氣化區(qū)段地中電流分配系數(shù)

式中，I1為上行接觸網(wǎng)-地回路電流；I2為下行接觸網(wǎng)-地回路電流；I3為軌道-地回路電流；Z13為上行接觸網(wǎng)-地回路與軌道-地回路單位互阻抗；Z23為下行接觸網(wǎng)-地回路與軌道-地回路單位互阻抗；Z3為軌道-地回路單位自阻抗；一般情形Z13= Z23。

2 工程案例分析

案例1：某牽引變電所牽引變壓器為三相YN，D11結(jié)線，額定容量為 25 MV·A，額定電壓為110/27.5 kV，變壓器阻抗電壓百分值Ud% = 10.5，1臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用，中性點(diǎn)不接地，系統(tǒng)最大運(yùn)行方式時(shí)，110 kV母線正序阻抗標(biāo)幺值X1= 0.1548，零序阻抗標(biāo)幺值 X0= 0.3097（基準(zhǔn)容量為 Sj=100 MV·A，基準(zhǔn)電壓取平均電壓），計(jì)算接地短路時(shí)最大入地短路電流。

高壓側(cè)單相接地短路時(shí)最大接地短路電流：

在變電所內(nèi)發(fā)生接地短路時(shí)，由式（1）可知，在忽略避雷線的工頻分流系數(shù)情況下，短路時(shí)最大入地短路電流為2430 A。在變電所外發(fā)生接地短路時(shí)，由式（2）可知，最大入地短路電流為0 A。

由（3）式可得，饋線側(cè)單相接地短路時(shí)最大接地短路電流：

由上述計(jì)算可見(jiàn)，當(dāng)在牽引變電所外饋線近點(diǎn)接地時(shí)，短路電流全部流經(jīng)牽引變電所接地裝置，有時(shí)會(huì)超過(guò)110 kV（或220 kV）側(cè)單相接地短路時(shí)流經(jīng)牽引變電所接地裝置的入地電流，因此在對(duì)牽引變電所入地短路電流分析時(shí)也應(yīng)加以考慮。

案例2：某牽引變電所土壤電阻率為100 Ω/m，接地網(wǎng)采用長(zhǎng)孔接地網(wǎng)，接地電阻及計(jì)算值為0.42 Ω，最大接觸電位系數(shù)計(jì)算值為Kj= 0.273，最大跨步電位差系數(shù)計(jì)算值為Kk= 0.065，經(jīng)計(jì)算接地短路時(shí)最大入地短路電流為3310 A，正常運(yùn)行時(shí)最大入地電流為490 A。校核接地系統(tǒng)接觸電勢(shì)及跨步電勢(shì)是否安全可靠。

接地短路時(shí)

接地裝置的電位EW= I · R = 1516.2 (V)

最大接觸電勢(shì)Ejm= Kj· EW= 379.5 (V)

最大跨步電勢(shì)EK= KK· EW= 98.55 (V)

接觸電勢(shì)最大允許值

跨步電勢(shì)最大允許值

其接觸電勢(shì)及跨步電勢(shì)均小于允許值，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

正常運(yùn)行時(shí)

接地裝置的電位EW= I · R = 205.8 (V)

最大接觸電勢(shì)Ejm= Kj· EW= 56.2 (V)

最大跨步電勢(shì)EK= KK· EW= 12.8 (V)

接觸電勢(shì)最大允許值Ej= 50 +0.05ρ = 55 (V)

跨步電勢(shì)最大允許值Ek= 50 +0.2ρ = 70 (V)

其最大接觸電勢(shì)小于接觸電勢(shì)最大允許值，不滿足接地系統(tǒng)安全性要求，因此需要增設(shè)水平均壓帶或垂直接地極等措施，以此降低接觸系數(shù)或增大土壤電阻率。

通過(guò)上述接地短路時(shí)與正常運(yùn)行時(shí)接觸電勢(shì)及跨步電勢(shì)比較可見(jiàn)，在接地設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要校核接地故障狀況下的接觸電勢(shì)及跨步電勢(shì)，當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)入地電流較大時(shí)，也需要加以校核。

3 結(jié)語(yǔ)

牽引變電所接地是牽引供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的根本保證，在接地設(shè)計(jì)計(jì)算中，入地電流的準(zhǔn)確計(jì)算是校核接地裝置接地時(shí)，接地電阻及接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)是否滿足要求的關(guān)鍵；在計(jì)算入地短路電流時(shí)，不僅要計(jì)算牽引變電所高壓側(cè)（110 kV或220 kV）流經(jīng)接地裝置的入地短路電流，還應(yīng)計(jì)算牽引變電所饋線側(cè)接地時(shí)流經(jīng)接地裝置的入地短路電流，并加以比較取其最大值，在接地裝置接地，校核接地電阻及接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)時(shí)，不僅要考慮接地短路故障下的入地電流造成地電位升高的影響，還要考慮在正常運(yùn)行時(shí)入地電流造成地電位升高的影響。

[1]何金良，曾嶸.電力系統(tǒng)接地技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2]TB10009-2005 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]DL/T621-1997 中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部.交流電氣裝置的接地[S].

[4]譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.

[5]李群湛，賀建閩.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.

[6]譚秀炳.牽引變電所經(jīng)接地裝置的入地短路電流計(jì)算方法的應(yīng)用研究[J].西鐵科技，2000，1.

[7]簡(jiǎn)克良.電力系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1993.