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(jī)車(chē)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(zhǎng)期地網(wǎng)回流過(guò)大還會(huì)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(guò)小，可能存在變電所接地電阻過(guò)大的情況；貫通地線回流比例過(guò)大，會(huì)使變電所附近的弱電設(shè)備的地電位有較大波動(dòng)，產(chǎn)生地電位差，使通信信號(hào)設(shè)備的運(yùn)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(huì)導(dǎo)致貫通地線燒毀。因此，有必要對(duì)地回流和整體牽引電流之間的關(guān)系以及比重進(jìn)行分析[4]，探究不同因素對(duì)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(jìn)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(lì)，可以采用CDEGS中的輸入模塊的HIFREQ進(jìn)行仿真建模。

HIFREQ模塊內(nèi)設(shè)3個(gè)部分：計(jì)算、土壤類(lèi)型、系統(tǒng)設(shè)置。

1)系統(tǒng)的頻率設(shè)置是通過(guò)MALZ以及HIFREQ模塊內(nèi)設(shè)的計(jì)算模塊完成的，由于鐵路牽引供電系統(tǒng)是采用工頻激勵(lì)，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(lèi)型模塊可進(jìn)行土壤電阻率分層設(shè)置，由于實(shí)際情況中土壤存在分層問(wèn)題，不同厚度下土壤的電阻率存在差異，因此可通過(guò)土壤類(lèi)型模塊靈活設(shè)置土壤分層，選擇好土壤分層類(lèi)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(xiě)參數(shù)包括土壤電阻率、土壤層厚度、相對(duì)磁導(dǎo)率以及相對(duì)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(jìn)行設(shè)置。由于不同的導(dǎo)體類(lèi)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(lèi)型的導(dǎo)體，并在導(dǎo)體類(lèi)型中進(jìn)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(duì)鐵路牽引供電模型的建立，在仿真模型中共設(shè)有2根長(zhǎng)度為50 km的水平鋼軌；回流線設(shè)置在鋼軌上方8 m處，長(zhǎng)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(guò)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(lái)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(guò)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(duì)復(fù)雜，包括絕緣板、道枕、碎石，因此通過(guò)均勻電阻率來(lái)等效道床層，可通過(guò)設(shè)置等效電阻率來(lái)解決，厚度為0.9 m；第二層為土壤層。仿真模型見(jiàn)圖1，仿真模型示意圖見(jiàn)圖2。仿真模型中的吸上線坐標(biāo)見(jiàn)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(jiàn)表2和表3，基于CDEGS仿真模型截圖見(jiàn)圖2。第2節(jié)中的仿真參數(shù)若無(wú)特別說(shuō)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(jī)車(chē)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(diǎn)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(guò)大會(huì)提升鋼軌對(duì)地電位，而地回流過(guò)大會(huì)加速地網(wǎng)接地極的腐蝕，同時(shí)還會(huì)干擾周?chē)男盘?hào)設(shè)備，因此有必要對(duì)影響地回流與軌回流的比重因素進(jìn)行探究，并分析地回流與軌回流比重對(duì)鋼軌對(duì)地電位的影響。

2.1 機(jī)車(chē)與牽引變電所的距離對(duì)地回流與軌回流分配的影響

為了探究機(jī)車(chē)與牽引變電所的距離對(duì)地回流與軌回流分配的影響，總共設(shè)置了6種機(jī)車(chē)與牽引變電所的距離，機(jī)車(chē)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(jī)車(chē)與牽引變電所的距離增大而增大，軌回流隨著機(jī)車(chē)與牽引變電所距離的增大而減小，但隨著機(jī)車(chē)與牽引變電所距離的進(jìn)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(jī)車(chē)與牽引變電所距離大于7 500 m時(shí)，地回流以及牽引變壓器中性點(diǎn)對(duì)地電位均處于相對(duì)較高的水平。

圖 3 不同機(jī)車(chē)位置條件下地軌回流分布

圖 4 不同機(jī)車(chē)位置條件下地軌回流比值

2.2 鋼軌對(duì)地泄流能力對(duì)地回流與軌回流分配的影響

為了探究鋼軌對(duì)地泄流對(duì)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(duì)6種不同道床層電阻率條件的模型進(jìn)行了仿真，結(jié)果見(jiàn)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(jī)車(chē)與牽引變電所距離的進(jìn)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(duì)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(huì)導(dǎo)致地回流困難，同時(shí)會(huì)使?fàn)恳儔浩髦行渣c(diǎn)對(duì)地電位升高，為了探究牽引站地網(wǎng)接地電阻對(duì)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(jī)車(chē)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(jī)車(chē)與牽引變電所距離的進(jìn)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(yàn)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(duì)牽引變電所附近的鋼軌進(jìn)行接地以減小地回流，由于鋼軌電流最終通過(guò)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(duì)鋼軌進(jìn)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(jìn)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(jī)車(chē)位置距牽引變電所16 800 m，吸上線處的仿真模型見(jiàn)圖7。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(shí)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(duì)鋼軌進(jìn)行接地能夠有效降低地回流，當(dāng)接地電阻為0.88 Ω時(shí)，相對(duì)于不進(jìn)行接地時(shí)地回流減小了58 A，降低地回流效率達(dá)到了25.3%，效果明顯，但當(dāng)接地電阻為4.95 Ω時(shí)，相對(duì)于不進(jìn)行接地時(shí)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(duì)鋼軌進(jìn)行接地對(duì)降低地回流的效果可以忽略。

同時(shí)，由于距離牽引變電所最近的吸上線處對(duì)鋼軌電位與牽引變電所變壓器中性點(diǎn)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(diǎn)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(guò)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(jī)車(chē)與牽引變電所距離的增大，以及道床電阻率的增大，均會(huì)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(huì)使地回流的占比降低。2)通過(guò)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(guò)在牽引變電所附近的鋼軌進(jìn)行接地，能夠有效地降低地回流，增大軌回流，最后通過(guò)CDEGS軟件對(duì)所提出的方法進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了該方法的有效性。