基于CDEGS的牽引變電所回流不暢分析及解決措施

夏夢(mèng)怡

摘 要：牽引回流系統(tǒng)是電氣化鐵路的重要組成部分，各回流路徑電流比例也是驗(yàn)收過(guò)程的重要指標(biāo)。本文利用CDEGS軟件的仿真結(jié)果，分析某牽引變電所在聯(lián)調(diào)聯(lián)試過(guò)程中產(chǎn)生的回流不暢問(wèn)題，并提出解決辦法，最終在牽引變電所實(shí)地測(cè)試，以驗(yàn)證解決辦法的可行性。

關(guān)鍵詞：牽引回流系統(tǒng);回流不暢;牽引變電所;CDEGS軟件

中圖分類(lèi)號(hào)：U224;TM934.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）14-0132-03

Analysis and Solution of Unsmooth Backflow of Traction Substation

Based on CDEGS

XIA Mengyi

（Electrification Division， China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043）

Abstract： The traction return system is an important part of the electrified railway， and the current ratio of each return path is also an important indicator in the acceptance process. This paper used the simulation results of the CDEGS software to analyze the problem of poor backflow during the joint commissioning test of a traction substation， and put forward a solution， and finally tested it on the traction substation to verify the feasibility of the solution.

Keywords： traction reflux system;poor reflux;traction substation;CDEGS software

牽引供電回流系統(tǒng)是高速電氣化鐵路的重要組成部分，其主要由鋼軌回流、PW線回流、地網(wǎng)回流以及綜合地線回流共同構(gòu)成。不同回流路徑在回流系統(tǒng)中所占比例應(yīng)合理分配。鋼軌回流過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致鋼軌電位升高，危及人身安全;PW線回流比例太小，會(huì)減弱通信、信號(hào)設(shè)備防電磁干擾效果，從而影響設(shè)備正常運(yùn)行;所內(nèi)地網(wǎng)回流過(guò)大，在故障短路或雷擊時(shí)會(huì)導(dǎo)致所內(nèi)電位升高，危及所內(nèi)人員安全[1]。因此，各回流途徑所占回流比例也是牽引變電所驗(yàn)收過(guò)程中的重要指標(biāo)，對(duì)于不合格工程，要查找不合格因素并提出解決辦法，限期整改。

CDEGS軟件是由加拿大SES公司耗時(shí)十余年開(kāi)發(fā)而成的解決電力系統(tǒng)接地、電磁場(chǎng)和電磁干擾等工程問(wèn)題的強(qiáng)大軟件。在建模過(guò)程中利用圖形化數(shù)據(jù)輸入程序SESCAD來(lái)簡(jiǎn)化和加速形成AutoGrid、MALT、MALZ和HIFREQ的導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)。

本文利用CDEGS軟件，基于平行多導(dǎo)體理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)建立仿真模型，將仿真結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，提出了牽引變電所回流不暢的解決方案。

1 基于CDEGS的牽引變電所回流系統(tǒng)模型

1.1 平行多導(dǎo)體傳輸線模型

從整體來(lái)看，牽引網(wǎng)的骨架都是平行多導(dǎo)體傳輸線，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上構(gòu)成鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)[2]。牽引網(wǎng)可以等效成為圖1所示的網(wǎng)絡(luò)形式。設(shè)平行導(dǎo)體數(shù)為[m]，則圖中各阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣的階數(shù)均為[m]×[m]，表示可能于各切面的注入電流源向量[Ik]為[m]維。

式（1）可以簡(jiǎn)寫(xiě)為：

[YU=I] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式（2）可以轉(zhuǎn)化為：

[U=Y-1I] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

因此，第k節(jié)點(diǎn)有：

[UN-UN+1=ZNI'N] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

[I'k=Z-1k（Uk-Uk+1）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

求解式（3）可以得到導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)電壓矩陣[U]，帶入式（5）可以得到每一分段各導(dǎo)線電流矩陣[I'k][3]。

鋼軌作為牽引回流網(wǎng)的主要導(dǎo)體，沿線路實(shí)際上是不間斷的。然而，在牽引供電系統(tǒng)的分析中，通常只需要對(duì)一個(gè)供電臂的牽引網(wǎng)詳細(xì)建模。在建模過(guò)程中，牽引網(wǎng)端部的回流網(wǎng)視作向無(wú)限遠(yuǎn)延伸的多導(dǎo)體傳輸線，端部采用特征阻抗矩陣來(lái)模擬。

1.2 計(jì)算模型的建立

通過(guò)建立沿線回流系統(tǒng)、牽引所地網(wǎng)、土壤特性以及綜合接觸網(wǎng)回流系統(tǒng)的仿真模型，可以模擬牽引變電所附近回流特性。

仿真模型參數(shù)如下。一是N線（LBGLJ300），內(nèi)電阻為0.092 Ω/km，半徑為0.002 4 m;二是PW線（LBGLJ120），內(nèi)電阻為0.239 Ω/km，半徑為0.014 5 m;三是鋼軌，內(nèi)電阻為0.18 Ω/km，半徑為0.012 79 m;四是貫通地線，內(nèi)電阻為0.271 4 Ω/km，半徑為0.004 7m。建立仿真模型，如圖2所示。

2 牽引變電所實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

某AT牽引變電所自帶負(fù)載運(yùn)行，通過(guò)對(duì)回流數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所內(nèi)地網(wǎng)回流占總回流的比重為65%～75%，各供電臂在帶負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下均存在此問(wèn)題。表1、表2、表3為該牽引變電所不同時(shí)刻一列列車(chē)通過(guò)供電臂時(shí)回流（單位：A）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

根據(jù)表4[4]判據(jù)可以看出，該所地網(wǎng)回流比例超標(biāo)，即存在所謂回流不暢的問(wèn)題。為避免在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生因回流不暢、架空地線斷線、設(shè)備線夾燒熔等故障，要對(duì)地回流比例較高的問(wèn)題進(jìn)行分析并提出整改方案。

3 CDEGS建模仿真及問(wèn)題分析

通過(guò)對(duì)牽引變電所實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)列車(chē)位于距離AT所約2 km處，牽引電流最大，利用圖1仿真模型將列車(chē)放置于該位置處進(jìn)行計(jì)算分析，得出理論計(jì)算下各回流路徑電流及分配比例值，如表5所示。

將表5仿真數(shù)據(jù)理論值同現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比分析，可排除由綜合地線引起的回流不暢。

為了檢驗(yàn)橋墩接地對(duì)回流的影響，利用夜間天窗時(shí)間，以牽引變電所對(duì)面的橋墩為中心線，分別向兩邊各拆除30座橋墩上的兩條接地引下線。次日對(duì)所內(nèi)回流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與之前的數(shù)據(jù)相比，地回流占總回流的占比無(wú)明顯變化。

綜合上述檢測(cè)結(jié)果分析，造成牽引變電所回流不暢有以下兩個(gè)原因：回流各回路電纜電阻大于牽引變電所外橋上接地體至回流箱電阻，PW線回流大部分經(jīng)支柱—橋墩接地—主地網(wǎng)回到主變壓器，導(dǎo)致地回流比例遠(yuǎn)大于計(jì)算值;扼流變處PW線至扼流變中心點(diǎn)連接電阻過(guò)大。

4 整治措施及結(jié)果

4.1 新增4根回流電纜

在牽引變電所正對(duì)面橋墩上方，各新增2根70 mm2電纜，分別接到上下行支柱的PW線上，共計(jì)4根電纜（上行新增兩根電纜線長(zhǎng)度分別為100 m、106 m;下行新增兩根電纜長(zhǎng)度分別為96 m、95 m）。次日檢測(cè)所內(nèi)地回流占比恢復(fù)至正常范圍，地回流數(shù)據(jù)比軌回流小，地回流占總回流比例為27%左右。新增電纜后不用時(shí)刻的回流統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6、表7和表8所示。

4.2 對(duì)GW線進(jìn)行改造

該牽引變電所供電線單獨(dú)架設(shè)，供電線頂部設(shè)有GW線，GW線兩端通過(guò)引下線接地。通過(guò)對(duì)GW線進(jìn)行檢測(cè)，筆者發(fā)現(xiàn)GW線內(nèi)未有電流通過(guò)。

將GW線一側(cè)與牽引變電所接地端子箱相連接，另一側(cè)與上網(wǎng)點(diǎn)附近的上下行扼流變中性點(diǎn)連接，此時(shí)變電所作為臨時(shí)措施的4根70 mm2電纜就近與PW線連接（上行2根、下行2根）。4組測(cè)試數(shù)據(jù)如表9所示。

4.3 整治措施小結(jié)

由表6至表9測(cè)量值對(duì)比可知，改造后GW線起一定回流作用，但上下行新增4根70 mm2回流電纜對(duì)回流結(jié)果影響較大。為進(jìn)一步降低地回流比例，可適當(dāng)增大導(dǎo)線橫截面積，該牽引變電所可新增4根150 mm2電纜。

5 結(jié)論

本文基于CDESG軟件建模仿真，對(duì)牽引網(wǎng)回流模型進(jìn)行分析。研究表明，牽引網(wǎng)回流網(wǎng)與地回流的阻抗關(guān)系是影響牽引變電所地回流大小的主要因素，減小各回流路徑阻抗、增大大地電阻率以及縮短電流泄露至大地的路徑等都是減小地回流的有效措施;當(dāng)各回路電纜電阻大于牽引變電所外接地體至回流箱電阻時(shí)，地回流比例會(huì)遠(yuǎn)大于計(jì)算值，可采用將PW線改為絕緣懸掛或增大PW線電纜截面等方式降低回路電纜電阻;牽引變電所附近吸上線連接以及吸上線布置都會(huì)對(duì)回流比例造成一定影響，在架設(shè)過(guò)程中應(yīng)盡量避免較長(zhǎng)距離的電流通路。

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