高速鐵路變電所回流異常的分析

熊秋龍

(中鐵建電氣化局集團(tuán)南方工程有限公司 湖北武漢 430074)

1 前言

目前，AT供電方式作為國內(nèi)高速鐵路主要供電模式，理論上其回流系統(tǒng)主要通過PW/鋼軌回流系統(tǒng)，綜合接地系統(tǒng)輔助回流。針對所亭地理位置不同的情況，回流比例占比會(huì)不同。而回流比例作為檢測變電所工作狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，是后期運(yùn)營過程中，檢測供電系統(tǒng)是否穩(wěn)定的指標(biāo)依據(jù)之一，也是PW/鋼軌回流系統(tǒng)中扼流變?nèi)萘颗渲玫膮⒖家罁?jù)，直接影響著信號(hào)軌道電路的穩(wěn)定[1]。目前，牽引回流系統(tǒng)回流比例較為正常的情況下，PW線/軌回流與地回流占比為2∶1。在變電所建設(shè)過程中，由于其地理位置的特殊性，可能會(huì)引起牽引變電所回流不暢以及回流比例地網(wǎng)占比過高的情況。長此以往，會(huì)引起線路軌道電路電位過高、地網(wǎng)腐蝕[2]、架空地線燒損[3]等影響設(shè)備運(yùn)營安全的情況。針對此類問題，本文以銀蘭高鐵白鴿牽引變電所回流比例異常為出發(fā)點(diǎn)，探討調(diào)整回流比例異常的解決方案。對AT供電方式下牽引所供電回流比例異常問題具有借鑒意義。

2 牽引變電所回流系統(tǒng)問題判定

2.1 回流方案

銀蘭高鐵白鴿牽引變電所主要通過電纜將PW/鋼軌的路徑電流引入所內(nèi)集中接地箱。接入牽引變電所集中回流箱內(nèi)的回流線主要分為兩個(gè)部分:一是PW線及鋼軌回流，采用一根300 mm2的純銅電纜線，連接上行PW線與集中回流箱內(nèi)“PW線及鋼軌”端子處；兩根300 mm2的純銅電纜線，連接扼流變中性點(diǎn)與集中回流箱內(nèi)“PW線及鋼軌”接線端子處。二是綜合貫通接地回流，采用一根70 mm2的純銅電纜線，連接扼流變中性點(diǎn)與集中回流箱內(nèi)“綜合貫通接地”端子處。變電所接地回流:三根150 mm2純銅電纜，連接主接地網(wǎng)與集中回流線內(nèi)“地回流”端子處，牽引所回流圖見圖1。

圖1 牽引所回流

2.2 回流路徑分析

牽引所所內(nèi)設(shè)置的集中接地箱將所有回路集合到一起，其牽引回路可通過線路上扼流變中性點(diǎn)電纜回所，PW線電纜回所，與橋梁及橋墩綜合接地相連的綜合接地通過所亭接地網(wǎng)回所等方式。理論上，電力機(jī)車從接觸網(wǎng)取流后，電流首先通過鋼軌，再分別以三種方式匯流至牽引變電所的回流箱[4]。第一種為架空匯流方式:鋼軌→吸上線→回流線(PW線)→回流電纜→集中接地箱。第二種為鋼軌回流方式:鋼軌→扼流變中性點(diǎn)→回流電纜→集中接地箱。第三種為地回流方式:鋼軌→大地→牽引變電所接地網(wǎng)→集中接地箱。正常情況下，第一種與第二種回流為主回路，第三種地回流相對較小但無法消除。如果第一種以及第二種回流不暢時(shí)，地回流將成為主要的回流方式[5]。

2.3 聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗(yàn)情況判定

聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，通過測試動(dòng)車經(jīng)過牽引變電所時(shí)的回流特性試驗(yàn)，牽引變電所帶負(fù)載運(yùn)行后監(jiān)測接地網(wǎng)回流占總回流的比例范圍為70%～78%，如表1所示。

表1 回流比例占比

按照目前高鐵建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，牽引供電系統(tǒng)施工完畢后進(jìn)行測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)與表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可以判別回流比例是否合格。目前，評定主要標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)為牽引所地網(wǎng)回流占總回流比例(ηpe)、牽引所貫通線入所回流占總回流比例(ηee)；如果ηpe>總回流50%、ηee>總回流45%的情況視為超限，若是現(xiàn)場測出這2個(gè)參數(shù)超標(biāo)，即應(yīng)整改。但在聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，聯(lián)調(diào)聯(lián)試不影響行車要求，可以考慮將兩個(gè)參數(shù)的臨界值范圍放大，為ηpe<70%和ηee<60%左右，該條件僅為短期允許限值，用以滿足聯(lián)調(diào)聯(lián)試需求；與之對應(yīng)的為長期限值，動(dòng)檢車測試期間，在線路開通前，應(yīng)通過相關(guān)整改使ηpe>50%和ηee>45%，以達(dá)到長期限值要求[6]。

2.4 綜合接地系統(tǒng)對回流的影響

該牽引所原回流方案中，回流線(PW線)與綜合接地系統(tǒng)相連。當(dāng)回流線接地后，系統(tǒng)阻抗變化較大。因大地與回流線組成的系統(tǒng)使得原有的回流線分流效果減弱，大部分的回流直接通過大地流回變電所。聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，將測試設(shè)備分別安裝在靠近該變電所附近的153＃、177＃、187＃橋墩接地引下線處。通過帶載測試數(shù)據(jù)(見表2)，靠近變電所附近的橋墩接地電流很大，僅一個(gè)橋墩就流過占比7.6%的電流，鋼軌對地接地系統(tǒng)分配的回流較大[7]。

表2 變電所主接地網(wǎng)及橋墩接地電流

綜合上述可以判定，該牽引變電所地回流不合格，地回流成為回流主通道，主要原因?yàn)殇撥墝Φ仉娢贿^大，需要進(jìn)行整改方可滿足線路運(yùn)營條件。

3 軌地電位影響所亭回流的要因分析

3.1 對地漏泄阻抗與鋼軌的關(guān)系

依據(jù)鋼軌電位相關(guān)的參數(shù)的描述[8]:鋼軌感應(yīng)電流系數(shù)nO，軌道電路特性阻抗ZO，動(dòng)車負(fù)荷電流I，傳播常數(shù)γ和鋼軌長度d。其中感應(yīng)電流系數(shù)與導(dǎo)線之間對應(yīng)的位置和接觸線型號(hào)有關(guān)，動(dòng)車負(fù)荷電流與車輛自身的功率有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況分析，可以得出在高速條件下，機(jī)車電流很大，但對于其確定的電化區(qū)段變化余地不大，我們可對鋼軌對地泄漏電抗ZRg和鋼軌回流長度這2個(gè)因素加以分析，分析如下:一般情況下，動(dòng)車長度不超過400 m，將其定義為4個(gè)引流點(diǎn)，其分散引流點(diǎn)視為集中在機(jī)車中部進(jìn)行引流，即可得到鋼軌回路自阻抗ZRg與ZO、γ的關(guān)系曲線，關(guān)系曲線見圖2。

圖2 ZO和γ的關(guān)系曲線

3.2 鋼軌回流長度與鋼軌電位分析

同理，γ與d的乘積共同作用于鋼軌點(diǎn)位的衰減系數(shù)。在ZRg達(dá)10 Ω·km的最低值之上時(shí)，γ處于圖3曲線拐點(diǎn)的后方，顯示其開始平緩地衰減。此時(shí)，鋼軌回流長度決定了鋼軌最大電位的衰減系數(shù)。傳播常數(shù)平均取0.1時(shí)的高速鐵路鋼軌回流長度與鋼軌最大電位衰減系數(shù)的曲線關(guān)系見圖3。

圖3 鋼軌回流長度與鋼軌最大電位衰減系數(shù)的曲線關(guān)系

3.3 鋼軌對地電位與該所供電方式的關(guān)系

該線路正常AT模式下，鋼軌回流長度約為半個(gè)AT段長度，即5～7.5 km，而最大的鋼軌回流長度不超過2 km，軌回流長度相對較短，回流主要還是通過鋼軌，其對地電位較低。當(dāng)機(jī)車運(yùn)行途中，回流點(diǎn)會(huì)伴隨機(jī)車的位置變化而改變。正常情況是通過機(jī)車附近的吸上線流入PW線回流。多列動(dòng)車從同一AT區(qū)段通過時(shí)，一列車漏泄電流產(chǎn)生的鋼軌電位大于所亭回流點(diǎn)的鋼軌電位，所亭回流點(diǎn)的鋼軌電位不會(huì)突變。電力機(jī)車由2個(gè)AT段并聯(lián)供電，AT中性點(diǎn)鋼軌電位會(huì)低于機(jī)車取流處的鋼軌電位。在變電所回流點(diǎn)的鋼軌電位也是較低的。動(dòng)車通過時(shí)，該所地回流比例過高，說明變電所回流點(diǎn)的鋼軌對地電位不滿足要求。

4 回流比例特性說明

4.1 牽引所回流模型

該牽引變電所外電引入后，通過饋線至接觸網(wǎng)上。前面提到的主回流路徑為接觸網(wǎng)→電力機(jī)車→鋼軌(PW線)→回所。電流路徑從變壓器輸出，通過供電線至接觸網(wǎng)，再由受電弓流入機(jī)車。進(jìn)而通過鋼軌、PW線以及大地回流至變電所集中接地箱，形成電路閉環(huán)系統(tǒng)。具體電路閉環(huán)系統(tǒng)模型見圖4。

圖4 電路閉環(huán)系統(tǒng)模型

從模型看出，接觸網(wǎng)、鋼軌、回流線(PW線)、大地等導(dǎo)體組成了該牽引供電系統(tǒng)。根據(jù)電磁理論，其平行導(dǎo)體間相互影響、相互作用。本線路的回流線(PW線)與鋼軌每1 200 m通過扼流變并聯(lián)。回流系統(tǒng)的分流效果用Kh表示。

式中，Ih為回流線電流(A)；Ig為鋼軌電流(A)；Zh為回流線自阻抗(Ω·km)；Zg為鋼軌回路自阻抗(Ω·km)；Zhg為回流線與鋼軌間互阻抗(Ω·km)。

根據(jù)上述分析，Kh的大小可表示PW線分流效果。Kh越大，鋼軌的分流效果越差，即回流不暢。Kh越小，分流效果越好，即回流正常。根據(jù)式(1)得出，Kh大小由保護(hù)線自阻抗、鋼軌的自阻抗、鋼軌間互阻抗與PW線之間的關(guān)聯(lián)因素決定。解決前文所提到的回流比例問題，即可考慮減小回流線自阻抗解決。

4.2 回流比例異常原因解析

該變電所附近的扼流變壓器沒有安裝在距離變電所最近處，回流電纜較長造成電纜阻抗偏大，阻礙了牽引回流順著電纜返回變電所，電流以PW線為路徑流向牽引變電所方向，在返回變電所方向沿著每根鋼柱－橋墩接地－大地返回牽引變電所。在此過程中，變電所兩側(cè)扼流變壓器間的PW線承擔(dān)了回流線的作用，承載了較多的牽引回流。

現(xiàn)場的回流電纜電阻比所亭位置橋墩接地體至變電所集中回流箱間的接地電阻大，因PW線為非絕緣懸掛，PW線經(jīng)支柱、橋墩接地至變電所集中回流箱，相當(dāng)于短路。所以PW線牽引回流大部分經(jīng)鋼支柱－橋墩接地－主地網(wǎng)回到變電所，導(dǎo)致地回流比例遠(yuǎn)大于計(jì)算值[9]。

另外，該變電所兩側(cè)扼流變壓器間PW線，承載了較大的牽引回流，截面為120 mm2，為非絕緣安裝，在PW線與鋼柱連接部位長期有電流通過，如果連接不牢固，就會(huì)存在發(fā)熱、電腐蝕進(jìn)而燒損的安全風(fēng)險(xiǎn)。

綜合以上考慮，解決該所回流比例異常的情況，可調(diào)整適當(dāng)?shù)臓恳W(wǎng)供電方式縮減鋼軌的回流長度。采取合理增加保護(hù)線截面和增加鋼軌與保護(hù)線間橫向連結(jié)(CPW)處所以降低鋼軌電位。

5 回流異常改善具體措施

5.1 具體方案

結(jié)合聯(lián)調(diào)聯(lián)試及回流測試情況，為確保該牽引變電所供電回流通暢，制定了如下回流補(bǔ)強(qiáng)措施:

(1)自牽引變電所向兩側(cè)最近扼流變增設(shè)絕緣懸掛的回流線(上、下行均采用單支JL/LB1A-250)，回流線采用架空架設(shè)，在供電線獨(dú)立架設(shè)區(qū)段，與供電線合架，在無供電線區(qū)段，與接觸網(wǎng)合架。以此來減小綜合接地系統(tǒng)通過橋墩等電耦合因素對回流的干擾[10]。

(2)在增設(shè)的回流線一端與變電所集中接地箱連接，另一端分別與上下行扼流變相連(增加 CPW連接點(diǎn))。上下行扼流變處均采用雙支YJV-1kV-1×150電纜，回變電所集中接地箱采用單支YJV-1kV-1×300電纜。

(3)保持原有回流電纜及吸上線連接處所不變，保障回流渠道暢通[11]。

5.2 措施驗(yàn)證情況

方案實(shí)施后，變電所集中回流箱內(nèi)測試數(shù)據(jù)，增設(shè)回流線后回流比例占比見表3。

表3 增設(shè)回流線后回流比例占比

由此數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論:

(1)通過在變電所兩側(cè)扼流變壓器間加裝了絕緣回流線后，牽引回流大部分從回流線返回牽引變電所，PW線載流變小。

(2)變電所集中回流箱內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，軌回流數(shù)據(jù)增大，地回流占總回流的占比低于30%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)變電所附近PW線載流量偏大的問題得以改善，消除了PW線與鋼柱連接部位過流燒斷或PW線燒損的安全隱患。

6 結(jié)論

通過對該牽引變電所回流特性的研究分析得知，該變電所回流不暢的原因主要在于大地土壤電阻率低，綜合接地系統(tǒng)與牽引變電所的電阻較小，其形成的大地回路阻抗小。所亭附近的橋墩通過綜合接地系統(tǒng)充當(dāng)了回流主回路，而原有的回流電纜存在迂回現(xiàn)象[12]。其電纜回流部分的總阻抗大于大地回路的阻抗。另外，供電線布置與回流電纜方向不一致，未能形成有效耦合，從而造成了地回流比例偏高的原因。針對上述問題，在原有所亭回流方案的基礎(chǔ)上，增設(shè)絕緣架設(shè)的回流線來減小地回流通道，通過增設(shè)電纜優(yōu)化原有回所電纜路徑，減少回流路徑迂回。上述方案的實(shí)施，有效地改善了該牽引變電所回流比例異常的問題所在，其方案可推行于同類情況下變電所回流不暢的問題整治。