影響地回流因素及其抑制方法分析

周子槊， 汪繁榮

(1 湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068； 2 湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

隨著高速、重載鐵路的發(fā)展，機車速度不斷提高，牽引電流也隨之增大，即使地回流占總牽引回流的比重低于架空線回流，但仍然成為了鐵路牽引供電系統(tǒng)中牽引電流不可忽視的部分[1-3]。長期地網(wǎng)回流過大還會導(dǎo)致地網(wǎng)電化學(xué)腐蝕加快；變電所地網(wǎng)回流比例過小，可能存在變電所接地電阻過大的情況；貫通地線回流比例過大，會使變電所附近的弱電設(shè)備的地電位有較大波動，產(chǎn)生地電位差，使通信信號設(shè)備的運行可靠性和穩(wěn)定性降低，在雷擊或者接觸網(wǎng)短路情況下，可能會導(dǎo)致貫通地線燒毀。因此，有必要對地回流和整體牽引電流之間的關(guān)系以及比重進行分析[4]，探究不同因素對地回流的影響，為減小地回流、保證牽引供電系統(tǒng)的安全。

1 基于CDEGS建立仿真模型

本文所探討的牽引電流為工頻50 Hz下的交流電流，因此可利用CDEGS軟件中的輸入模塊HIFREQ進行仿真建模以及設(shè)定參數(shù)。

由于直供加回流線方式下的鐵路牽引供電系統(tǒng)是采用工頻激勵，可以采用CDEGS中的輸入模塊的HIFREQ進行仿真建模。

HIFREQ模塊內(nèi)設(shè)3個部分：計算、土壤類型、系統(tǒng)設(shè)置。

1)系統(tǒng)的頻率設(shè)置是通過MALZ以及HIFREQ模塊內(nèi)設(shè)的計算模塊完成的，由于鐵路牽引供電系統(tǒng)是采用工頻激勵，因此需要將起始頻率和基頻均調(diào)為50 Hz。

2)MALZ以及HIFREQ模塊內(nèi)設(shè)的土壤類型模塊可進行土壤電阻率分層設(shè)置，由于實際情況中土壤存在分層問題，不同厚度下土壤的電阻率存在差異，因此可通過土壤類型模塊靈活設(shè)置土壤分層，選擇好土壤分層類型后，只需在土壤特性網(wǎng)格內(nèi)填入不同土壤層的相應(yīng)參數(shù)，所需填寫參數(shù)包括土壤電阻率、土壤層厚度、相對磁導(dǎo)率以及相對介電常數(shù)。

3)構(gòu)建鐵路牽引供電系統(tǒng)的模型需要在HIFREQ模塊內(nèi)設(shè)的系統(tǒng)設(shè)置模塊進行設(shè)置。由于不同的導(dǎo)體類型具有不同的導(dǎo)體參數(shù)，因此在建模前首先需要確定模型中存在哪些不同類型的導(dǎo)體，并在導(dǎo)體類型中進行設(shè)置。

1.1 鐵路牽引供電仿真模型的建立

根據(jù)上文介紹的建模方法及步驟，完成了在CDEGS仿真軟件HIFREQ模塊中對鐵路牽引供電模型的建立，在仿真模型中共設(shè)有2根長度為50 km的水平鋼軌；回流線設(shè)置在鋼軌上方8 m處，長度與鋼軌相同；共設(shè)置了19根吸上線，吸上線將一側(cè)鋼軌與回流線相連，使回流線與鋼軌并聯(lián)；通過在牽引站A及牽引站B處設(shè)置接地電阻為0.44 Ω的地網(wǎng)來等效牽引站的引流；將牽引變壓器等效成27.5 kV的交流電壓源；牽引站A及牽引站B地網(wǎng)與軌道回流系統(tǒng)通過回流線相連；仿真模型中總共分為2層，第一層為鋼軌和大地之間的道床層，由于道床層相對復(fù)雜，包括絕緣板、道枕、碎石，因此通過均勻電阻率來等效道床層，可通過設(shè)置等效電阻率來解決，厚度為0.9 m；第二層為土壤層。仿真模型見圖1，仿真模型示意圖見圖2。仿真模型中的吸上線坐標(biāo)見表1所示，牽引站A的位置設(shè)置在x坐標(biāo)為0處。

圖 1 鐵路牽引供電仿真模型

表1 鐵路牽引供電模型吸上線坐標(biāo)

1.2 參數(shù)的選擇

鐵路牽引供電系統(tǒng)中各參數(shù)見表2和表3，基于CDEGS仿真模型截圖見圖2。第2節(jié)中的仿真參數(shù)若無特別說明，均以表2和表3中參數(shù)為準(zhǔn)。

表2 鐵路牽引供電模型土壤分層參數(shù)

表3 導(dǎo)體參數(shù)

(a)牽引變電站仿真

(b)機車處仿真

(c)牽引變電所附近鋼軌處圖 2 鐵路供電仿真模型中部分區(qū)域示意圖

2 影響地回流與軌回流分配的因素

根據(jù)圖1可知，牽引電流回流牽引變電所變壓器中性點的路徑主要包括牽引電流從鋼軌與回流線回流，以及從牽引變電所的地網(wǎng)處回流，因此，本文將牽引電流從鋼軌與回流線回流牽引變電所命名為軌回流，從牽引變電所地網(wǎng)處回流命名為地回流。

由于軌回流過大會提升鋼軌對地電位，而地回流過大會加速地網(wǎng)接地極的腐蝕，同時還會干擾周圍的信號設(shè)備，因此有必要對影響地回流與軌回流的比重因素進行探究，并分析地回流與軌回流比重對鋼軌對地電位的影響。

2.1 機車與牽引變電所的距離對地回流與軌回流分配的影響

為了探究機車與牽引變電所的距離對地回流與軌回流分配的影響，總共設(shè)置了6種機車與牽引變電所的距離，機車位置分別在3 200 m、4 800 m、6 300 m、7 750 m、9 300m、13 700 m、16 800 m、19 000 m處。

由圖3、圖4可知，地回流隨著機車與牽引變電所的距離增大而增大，軌回流隨著機車與牽引變電所距離的增大而減小，但隨著機車與牽引變電所距離的進一步增大，地回流的增大幅度和軌回流的減小幅度都在收斂，最終趨于飽和。因此，機車與牽引變電所距離大于7 500 m時，地回流以及牽引變壓器中性點對地電位均處于相對較高的水平。

圖 3 不同機車位置條件下地軌回流分布

圖 4 不同機車位置條件下地軌回流比值

2.2 鋼軌對地泄流能力對地回流與軌回流分配的影響

為了探究鋼軌對地泄流對地回流與軌回流比重的影響， 總共設(shè)置了6種道床層電阻率， 分別為3000 Ω·m、 6000 Ω·m、 12 000 Ω·m、 24 000 Ω·m、 36 000 Ω·m、 50 000 Ω·m， 并對6種不同道床層電阻率條件的模型進行了仿真，結(jié)果見圖5。

圖 5 不同道床電阻率條件下地軌回流分布

由圖5知：地回流隨著道床電阻率的增大而增大，軌回流隨著道床電阻率的增大而減小，但隨著機車與牽引變電所距離的進一步增大，地回流的增大幅度和軌回流的減小幅度都在收斂，最終趨于飽和。

2.3 牽引變電所地網(wǎng)電阻對地回流與軌回流分配的影響

由于牽引變電所接地電阻的增大會導(dǎo)致地回流困難，同時會使?fàn)恳儔浩髦行渣c對地電位升高，為了探究牽引站地網(wǎng)接地電阻對地回流與軌回流比重的影響，分別將牽引變電所地網(wǎng)電阻設(shè)為0.6 Ω、0.8 Ω、1.5 Ω、2.3 Ω、2.8 Ω、3.5 Ω，道床層電阻率取50 000 Ω·m，土壤層電阻率取200 Ω·m，機車位置設(shè)置在8 000 m處。

由圖6知：地回流隨著牽引變電所地網(wǎng)電阻的增大而減小，軌回流隨著牽引變電所地網(wǎng)電阻的增大而增大，但隨著機車與牽引變電所距離的進一步增大，地回流的增大幅度和軌回流的減小幅度都在收斂，最終趨于飽和。

圖 6 不同牽引變電所地網(wǎng)電阻條件下地軌回流分布

2.4 減小地回流方法的提出和仿真驗證

為了減小大地的雜散電流從牽引變電所地網(wǎng)回流牽引變壓器，可對牽引變電所附近的鋼軌進行接地以減小地回流，由于鋼軌電流最終通過離牽引變電所最近的吸上線處回流牽引變電所，因此在離牽引變電所最近的吸上線處對鋼軌進行接地，能夠?qū)⒋蟮氐碾s散電流更快地引入吸上線。

為此，在x坐標(biāo)為20 m的吸上線處敷設(shè)地網(wǎng)進行引流，將地網(wǎng)電阻分別設(shè)為1 Ω、2 Ω、3 Ω、4 Ω，土壤電阻率取200 Ω·m，牽引電流取590 A，機車位置距牽引變電所16 800 m，吸上線處的仿真模型見圖7。計算結(jié)果見表4。

(a)添加貫通地線處鐵路供電模型俯視圖

(b)添加貫通地線處鐵路供電模型側(cè)視圖

(c)添加貫通地線處鐵路供電模型地網(wǎng)示意圖圖 7 添加貫通地線的鐵路供電模型示意圖

表4 牽引站附近鋼軌處接不同大小地網(wǎng)時地回流與軌回流的數(shù)值變化

由表4可知，在距離牽引變電所最近的吸上線處對鋼軌進行接地能夠有效降低地回流，當(dāng)接地電阻為0.88 Ω時，相對于不進行接地時地回流減小了58 A，降低地回流效率達到了25.3%，效果明顯，但當(dāng)接地電阻為4.95 Ω時，相對于不進行接地時地回流僅減小了9 A，降低地回流效率僅為3.9%，若接地電阻值繼續(xù)增大，在距離牽引變電所最近的吸上線處對鋼軌進行接地對降低地回流的效果可以忽略。

同時，由于距離牽引變電所最近的吸上線處對鋼軌電位與牽引變電所變壓器中性點電位接近，因此，地回流的減小能夠有效降低牽引變電所變壓器中性點電位，從而降低了距離牽引變電所最近的吸上線處鋼軌電位。

3 結(jié)論

通過仿真分析，得到了不同因素影響地軌回流比重的規(guī)律:1)機車與牽引變電所距離的增大，以及道床電阻率的增大，均會使地回流在總回流中的占比上升；相反，牽引變電所地網(wǎng)電阻的增大會使地回流的占比降低。2)通過分析得出上述規(guī)律，提出了減小地回流的方法，該方法通過在牽引變電所附近的鋼軌進行接地，能夠有效地降低地回流，增大軌回流，最后通過CDEGS軟件對所提出的方法進行了仿真，驗證了該方法的有效性。