高速鐵路回流系統(tǒng)至變電所接線方案優(yōu)化研究

孫曉薇，趙建軍，劉 芊，陳懷鑫，李漢卿

0 引言

高速鐵路列車(chē)運(yùn)行速度在250 km/h以上，近幾年開(kāi)通運(yùn)行的線路，最大運(yùn)行時(shí)速達(dá)350 km。根據(jù)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的需要，各地之間的聯(lián)系越發(fā)緊密，對(duì)高鐵客運(yùn)專(zhuān)線采用大編組列車(chē)以及減小發(fā)車(chē)間隔的需求不斷提高。目前，高鐵線路逐步采用16編組列車(chē)，高峰時(shí)段最小發(fā)車(chē)間隔降至3 min，既有高速鐵路牽引回流系統(tǒng)負(fù)荷不斷增大。

國(guó)內(nèi)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)普遍采用AT牽引供電方式，牽引變壓器一般采用中性點(diǎn)引出的單相三繞組變壓器，牽引變電所出口分別與接觸網(wǎng)、回流系統(tǒng)及正饋線連接，每間隔10～15 km設(shè)置一座AT變電所。AT所中的自耦變壓器起到對(duì)潮流重新分配的作用，將牽引回流轉(zhuǎn)移至接觸網(wǎng)及正饋線，減少牽引變電所的回流。

近幾年，國(guó)內(nèi)高速鐵路陸續(xù)出現(xiàn)幾個(gè)牽引變電所附近PW線（保護(hù)線）斷線的事故[1-2]。高鐵客運(yùn)系統(tǒng)普遍采用綜合接地系統(tǒng)，根據(jù)理論分析，設(shè)置貫通地線能夠有效減少大地通過(guò)變電所地網(wǎng)回流的電流，避免地網(wǎng)回流過(guò)大對(duì)變電所地網(wǎng)以及信號(hào)設(shè)備的影響[3]。

本文首先對(duì)目前國(guó)內(nèi)高速鐵路變電所附近回流系統(tǒng)典型接線方案進(jìn)行分析，論證既有分散回流接線方案可能由于電磁耦合導(dǎo)致部分導(dǎo)體過(guò)載的問(wèn)題。之后，針對(duì)既有回流系統(tǒng)接線方案存在的問(wèn)題，提出一種變電所附近回流系統(tǒng)接線的優(yōu)化方法，以避免PW線和GW線（貫通地線）等導(dǎo)體出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷的情況。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，利用仿真軟件對(duì)一段高鐵線路進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證既有回流方式可能導(dǎo)致部分導(dǎo)體過(guò)載的問(wèn)題，并對(duì)提出的優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證。最后，結(jié)合本文分析的內(nèi)容，對(duì)高鐵變電所附近回流系統(tǒng)接線方案給出設(shè)計(jì)建議。

1 國(guó)內(nèi)高鐵變電所回流系統(tǒng)接線方式

國(guó)內(nèi)高鐵采用AT供電方式，牽引網(wǎng)系統(tǒng)一般包括接觸網(wǎng)、正饋線、鋼軌、保護(hù)線和貫通地線，上述導(dǎo)線沿軌道線路方向長(zhǎng)距離并行并根據(jù)需要進(jìn)行橫向連接，構(gòu)成大電流、強(qiáng)耦合的電磁系統(tǒng)[4]，如圖1所示。

圖1 牽引供電系統(tǒng)鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)

根據(jù)導(dǎo)體-地回路理論，鋼軌牽引回流一部分沿鋼軌回流，另有一部分泄漏至大地[5]。在AT供電方式下，沿接觸網(wǎng)立柱架空設(shè)置PW線，每間隔一定距離，PW線通過(guò)電連接線與鋼軌連接。PW線的設(shè)計(jì)提高了回流系統(tǒng)與接觸網(wǎng)系統(tǒng)的電磁耦合關(guān)系，減少了地中回流的比例，并為接觸網(wǎng)發(fā)生絕緣故障的情況下提供有效的故障電流通路。

高速鐵路沿線結(jié)合自然接地體及人工接地體，通過(guò)設(shè)置貫通地線將各接地體進(jìn)行連接，并將牽引回流系統(tǒng)、電力貫通線和通信信號(hào)設(shè)備的接地裝置接入，構(gòu)成沿線的等電位綜合接地系統(tǒng)[3]。高鐵系統(tǒng)中，每間隔一定距離將每一行的PW線和GW線統(tǒng)一連接到鋼軌的扼流變中性點(diǎn)，并對(duì)上、下行扼流變中性點(diǎn)進(jìn)行連接，構(gòu)成一個(gè)完全橫向連接[6]。因此，貫通地線是回流系統(tǒng)中的重要部分，能夠?qū)⒌刂谢亓魑{到回流系統(tǒng)中。

在變電所附近，各回流導(dǎo)體一般采用分散回流方式，如圖2所示。部分線路在鋼軌回流點(diǎn)通過(guò)扼流變與PW線或GW線進(jìn)行橫向連接并接至變電所內(nèi)的集中接地箱，PW線或GW線仍在其他位置通過(guò)獨(dú)立回流線接至變電所集中接地箱。

圖2 變電所回流典型接線方式（分散回流）

2 既有回流接線方式存在的問(wèn)題

2.1 存在問(wèn)題

在牽引變電所位置，由于接觸網(wǎng)及正饋線均設(shè)置有電分相，接觸網(wǎng)和正饋線不可避免與線路存在一段并行敷設(shè)的區(qū)段?；亓飨到y(tǒng)各導(dǎo)體均為貫通系統(tǒng)，可根據(jù)需要設(shè)置回流點(diǎn)，將大里程及小里程方向的牽引回流統(tǒng)一接引至變電所內(nèi)。

如圖3所示，在鋼軌回流的位置更偏向小里程方向，而PW線或GW線回流位置更接近接觸網(wǎng)中性區(qū)的情況下，PW線在鋼軌回流點(diǎn)至自身導(dǎo)體回流點(diǎn)的區(qū)段內(nèi)存在與供電線的強(qiáng)電磁耦合關(guān)系，容易導(dǎo)致該區(qū)段內(nèi)電流過(guò)大。目前PW線一般采用截面為120 mm2的鋼芯鋁絞線，載流量418 A。

圖3 PW線、GW線回流與鋼軌回流不一致的情況

對(duì)于GW線，其敷設(shè)位置距離接觸網(wǎng)系統(tǒng)較遠(yuǎn)，因此受到的電磁耦合影響較弱，但仍受到回流導(dǎo)體電阻回路分流關(guān)系的影響，在鋼軌和PW線回流位置比GW線回流位置更遠(yuǎn)的情況下，GW線部分區(qū)段電流過(guò)大。由于GW線一般采用70 mm2的銅絞線，載流量在280 A之內(nèi)，若出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，容易對(duì)綜合接地系統(tǒng)造成破環(huán)。

目前對(duì)回流系統(tǒng)的電流監(jiān)測(cè)重視不足，更多情況下回流系統(tǒng)扮演“隱藏角色”，當(dāng)出現(xiàn)PW線或GW線斷線時(shí)無(wú)法及時(shí)獲得情況，影響牽引供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量并導(dǎo)致回流系統(tǒng)不暢等問(wèn)題。

2.2 仿真分析

結(jié)合具體線路的情況，對(duì)既有回流方式存在的問(wèn)題通過(guò)仿真計(jì)算給出定量分析。仿真線路情況：線路長(zhǎng)47 km，設(shè)置1座牽引變電所（24 km處）；0、47 km處各設(shè)置1座分區(qū)所，在12、36 km處各設(shè)置1座AT變電所。牽引變壓器采用Vx接線，為220/27.5/27.5 kV單相三繞組變壓器，容量(63+63) MV·A（TN、NF繞組容量選擇40 MV·A），短路電壓為10.5%。各自耦變壓器線路容量均為40 MV·A（電磁容量20 MV·A），漏抗為0.45 Ω。線路中運(yùn)行的列車(chē)統(tǒng)一為16編組CR400AF列車(chē)，最高運(yùn)行速度350 km/h，發(fā)車(chē)間隔4 min，雙線運(yùn)行。

2.2.1 仿真工況1

本工況給定條件如下：PW線、GW線在與鋼軌進(jìn)行集中回流后，PW線在距離牽引變電所更近的位置單獨(dú)回流。上行牽引網(wǎng)電分相位于23.7 km處，下行牽引網(wǎng)電分相位于24.3 km處，因此在23.7～24 km存在上行牽引網(wǎng)供電線與PW線并行的情況，在24～24.3 km存在下行牽引網(wǎng)供電線與PW線并行的情況，如圖4所示。

圖4 變電所PW線與集中回流位置不一致情況

根據(jù)上文分析，該工況下PW線的電流取決于PW線與供電線的耦合情況。為進(jìn)一步區(qū)分不同耦合情況的影響，調(diào)整供電線位置進(jìn)行2次仿真計(jì)算。

（1）情況1：上行供電線位置x= -5 m，y= 6.4 m；下行供電線位置x= 10 m，y= 6.5 m。PW線電流見(jiàn)圖5。

圖5 情況1下PW線電流

（2）情況2：上行供電線位置x= -3.4 m，y=5.3 m；下行供電線位置x= 8.4 m，y= 5.3 m。相比于情況1，情況2下供電線距離PW線更近，PW線電流見(jiàn)圖6。

圖6 情況2下PW線電流

根據(jù)以上兩種情況的分析可知，PW線的回流存在2個(gè)路徑：路徑1，從PW線通過(guò)與鋼軌連接的CPW線（吸上線）至鋼軌回流位置；路徑2，PW線通過(guò)自身24 km處的回流線直接回流。在PW線與供電線距離更近、電磁耦合效果更強(qiáng)的情況下，路徑2的阻抗更小，因此大多數(shù)電流直接通過(guò)PW線回流。對(duì)于情況2，PW線電流有效值達(dá)到了490 A以上，超過(guò)了PW線的載流能力。

可以進(jìn)一步分析得出，當(dāng)23.7 km處未設(shè)置CPW線的情況下，PW的回流還會(huì)進(jìn)一步增大。PW線在長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行下，容易導(dǎo)致局部過(guò)熱、腐蝕加劇、阻抗及載流能力下降，甚至斷線，造成回流系統(tǒng)整體暢通性下降，并對(duì)牽引網(wǎng)絕緣故障下保護(hù)動(dòng)作存在一定的影響。

2.2.2 仿真工況2

本工況給定條件如下：在24 km處的牽引變電所以及12、36 km處的AT變電所位置，PW線和GW線連接至鋼軌后統(tǒng)一回流，同時(shí)GW線引出單獨(dú)回到變電所集中接地箱的回流線，如圖7所示。

圖7 變電所GW線與集中回流位置不一致情況

牽引變電所位置上、下行鋼軌在23.7 km位置設(shè)置CPW線，并通過(guò)扼流變統(tǒng)一接線回到變電所回流母線中，上、下行的GW線在24 km處通過(guò)單獨(dú)回流線回到變電所中。在12 km處的AT變電所中，鋼軌集中回流位置為12.3 km處，GW線回流里程為12 km；在36 km處的AT變電所中，鋼軌集中回流位置為15.7 km處，GW線回流里程為36 km。

圖8給出了GW線不同斷面下電流有效值的分布情況。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，在12 km處AT變電所位置，GW線最大電流超過(guò)315 A，已經(jīng)超過(guò)了70 mm2銅絞線的載流能力。

圖8 GW線不同斷面電流有效值

相比于PW線，GW線與接觸網(wǎng)及供電線之間的電磁耦合關(guān)系較弱，因此GW線電流增加主要受制于電阻回路的電流分配關(guān)系，牽引回流可以通過(guò)鋼軌集中回流到變電所，也可以通過(guò)CPW點(diǎn)匯流之后通過(guò)距離變電所更近的GW線回流，導(dǎo)致GW線小區(qū)段過(guò)電流運(yùn)行。

GW線長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行，將導(dǎo)致GW線發(fā)熱嚴(yán)重、電阻增大等不良情況，影響綜合接地系統(tǒng)的可靠性，并導(dǎo)致地回流過(guò)大等問(wèn)題。

3 回流系統(tǒng)接線優(yōu)化方案

為了避免變電所附近PW線和GW線過(guò)電流運(yùn)行的情況，提升回流系統(tǒng)的可靠性，需要避免變電所附近各回流導(dǎo)體回流位置不一致的情況。同時(shí)，針對(duì)既有回流系統(tǒng)對(duì)各回流導(dǎo)體缺少監(jiān)測(cè)方法導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并造成不良影響的問(wèn)題，建議對(duì)軌道附近各回流導(dǎo)體增設(shè)電流監(jiān)測(cè)裝置。

圖9給出了一種變電所附近回流系統(tǒng)接線的優(yōu)化方案，在軌道回流點(diǎn)附近設(shè)置集中回流接線箱，設(shè)置銅匯流排匯集牽引回流并引出回到變電所的出線端。對(duì)各進(jìn)、出線設(shè)置電流監(jiān)測(cè)裝置，改善回流系統(tǒng)運(yùn)行狀況的可觀測(cè)性。

圖9 回流系統(tǒng)接線優(yōu)化方案示意圖

在采用本文提出的回流系統(tǒng)優(yōu)化方案后進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后仿真結(jié)果

由上述分析可知，PW線最大電流為180 A，GW線最大電流小于65 A，均處于合理范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文分析了國(guó)內(nèi)既有高速鐵路變電所附近回流系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的故障分析既有接線方式由于各回流導(dǎo)體獨(dú)立回流位置不一致可能導(dǎo)致PW線或GW線過(guò)載運(yùn)行的問(wèn)題，并通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)故障情況進(jìn)行了驗(yàn)證。

針對(duì)既有回流系統(tǒng)接線存在的問(wèn)題，提出一種變電所附近回流系統(tǒng)接線優(yōu)化方案，通過(guò)在軌道回流點(diǎn)附近設(shè)置集中接線裝置，實(shí)現(xiàn)各回流導(dǎo)體的統(tǒng)一就近回流。通過(guò)在裝置中增設(shè)電流監(jiān)測(cè)裝置，提高回流系統(tǒng)的可觀測(cè)性，方便對(duì)回流及綜合接地系統(tǒng)運(yùn)行狀況的分析。

根據(jù)仿真驗(yàn)證，本方法能夠避免PW線和GW線由于設(shè)計(jì)問(wèn)題造成的過(guò)負(fù)荷運(yùn)行情況。對(duì)于回流電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，還可以結(jié)合智能運(yùn)維的需求進(jìn)一步研究。