（电气工程专业论文）高速铁路综合接地研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着时代的发展和我国国民经济的持续增长，铁路作为我国交通运输 的核心，客货运量严重饱和，运能与运量矛盾十分突出，己成为制约国民 经济发展的瓶颈。高速铁路作为解决运输供需矛盾的重要手段之一，研究 和发展高速铁路己经成为我国铁路发展的当务之急。为了满足高速电气化 铁路可靠运营的要求，考虑到人员和设备的安全需要，客运专线设计引进 了系统综合接地的概念和技术。 本文介绍了国内外高速铁路接地系统、轨道电路形式、牵引回流系统 原理。分析了国外高速铁路牵引供电系统接地方案和国内目前存在的问 题。结合我国高速铁路建设实际情况得出了应采取的综合接地设计方案。 通过分析钢轨电位形成原理，建立了钢轨电位的数学计算模型。 结合石太客运专线工程的特点，深入研究了综合接地设计的原则、范 围以及贯通地线的选型计算方法，并简单介绍了石太客运专线综合接地实 施方案。另外还深入分析了a t 段横向连接、接触网支柱基础接地电阻以 及钢轨漏泄电阻对钢轨电位影响。 关键词接地轨地电位a t 供电方式石太客运专线轨道电路牵引 回流系统 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et i m e sa n dt h es u s t a i n e dg r o w t ho fc h i n a s n a t i o n a le c o n o m y ，r m l w a ya st h ec o r eo fc h i n a st r a n s p o r t a t i o n ，r a i l w a y p a s s e n g e r t r a f f i ca n dr m l w a yf r e i g h t a g ea les e r i o u ss a t u r a t i o n t h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt r a n s p o r tc a p a c i t ya n dt r a f f i ci ss op r o m i n e n tt h a ti t b e c o m e sab o t t l e n e c ko ft h en a t i o n a le c o n o m yg r o w t h a so n eo ft h ei m p o r t a n t m e a s u r e st or e s o l v ec o n f l i c tb e t w e e nt r a n s p o r t a t i o ns u p p l ya n dd e m a n d ，t h e r e s e a r c ho fh i 曲s p e e dr a i l w a yh a sb e c o m eau r g e n ta f f a i r f o rr a i l w a y d e v e l o p m e n ti nc h i n a t om e e tt h er e q u e s to fr e l i a b l eo p e r a t i o no fe l e c t r i c a l h i g h - s p e e dr m l w a ya n dc o n s i d e r i n gh u m a na n dm a c h i n es a f e t yi s s u e s ，t h e c o n c e p ta n dt h et e c h n i q u eo fi n t e g r a t e de a r t h i n gs y s t e mi si n t r o d u c e d 1 1 1 ee a r t h i n gs y s t e m t r a c kc i r c u i ta n dt r a c t i o nc u r r e n tr e t u ms y s t e mo f h i g h s p e e de l e c t r i c a lr a i l w a ya r e i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r n o to n l yt h e i n t e g r a t e de a r t h i n gd e s i g ns c h e m e si nf o r e i g nh i g hs p e e dr a i l w a yt r a c t i o n p o w e rs y s t e m sa r ei n v e s t i g a t e db u ta l s oe x i s t i n gp r o b l e m so f d o m e s t i ce l e c t r i c r a i l w a ya l ea n a l y z e d b a s e do na c t u a ls i t u a t i o no f e l e c t r i ch i g h s p e e dr a i l w a y c o n s t r u c t i o ni nc h i n a , t h ei n t e g r a t e de a r t h i n gs c h e m es h o u l db ea d a p t e di no u r c o u n t r yi sd e r i v e d 1 1 1 em a t h e m a t i cm o d eo fr a i lp o t e n t i a l i sp r o p o s e db y a n a l y z i n gp r i n c i p l eo fr a i lp o t e n t i a l a s s o c i a t e dw i t ht h ef e a t u r eo fs h i j i a z h u a n gt ot a i y u a nd p l ，t h ef u r t h e r r e s e a r c ho ft h eb a s i cp r i n c i p l e s ，r a n g ea n de a r t h i n gl i n et y p eo fi n t e g r a t e d e a r t h i n gd e s i g ni sm a d e ，a n d t h ee a r t h i n gs c h e m eo fs h i j i a z h u a n gt ot a i y u a n d p li s d e s c r i b e d a d d i t i o n a l l yt h e i n t e n s i v es t u d yo ft h er a i lp o t e n t i a l i n f l u e n c eo fa ts e c t i o nl a n d s c a p e ，e a r t h i n gr e s i s t a n c eo fo c sm a s tf o u n d a t i o n a n dr a i ll e a k a g er e s i s t a n c ea l em a d e k e yw o r d s ：e a r t h i n g ，r a i lp o t e n t i a l ，a u t ot r a n s f o r m e rp o w e rs u p p l y , s h i j i a z h u a n gt o t a i y u a nd p l ( d e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n e ) ，t r a c kc i r c u i t , t r a c t i o nc u r r e n tr e t u r ns y s t e m 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩微或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于： 1 保密口，在年解密后使用本授权书； 2 不保密d ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 雪竺论文作者签名：百瓠国 日期：洲7 3 、竹一 指导教师签名 日期： 淑炙丢。说 西南交通大学学位论文创新性声明 本认证重申明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研 究所得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本文不包括任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本申明的法律结果由本 人承担。 本论文的创新性包括以下内容： 本文结合石太客运专线工程的特点，深入研究了综合接地设计的原 则、范围以及贯通地线的选型计算方法，并简单介绍了石太客运专线综合 接地实施方案。另外还深入分析了a t 段横向连接、接触网支柱基础接地 电阻以及钢轨漏泄电阻对钢轨电位影响。 学位论文作者签名：暂五固 嗍2 俨月冶日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 牵引供电系统简介 牵引供电系统是电气化铁路运营的基础设施，它从电力系统接受电能 后经适当的“转换”后提供给电力机车或动车组。 牵引供电系统主要包含专用高压供电配套线路工程、牵引变电所和牵 引网三个部分。在我国，构成牵引供电系统组成部分的专用高压供电配套 线路工程是由国家公用电网完成建设并负责其运营维护，牵引变电所和牵 引网由铁路自行建设与维护。牵引网由馈线、接触悬挂、回流通道以及回 流线、加强线、正馈线等附加导线组成，一般由沿线路铺设的钢轨兼作牵 引网的回流通道。 为了提高供电电压、改善牵引供电环境和条件，牵引网有不同的供电 方式。 ( 1 ) 直接供电方式( t - r 方式，t r o l l e y r a i l ) 结构简单，投资少，维护费用低； 一部分电流从大地回流，对邻近通信线干扰较大。 图1 1 直接供电方式 ( 2 ) 吸流变压器供电方式( b t 方式) 防干扰效果好； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 u 牵引网阻抗偏大； 电力机车过b t 时，易产生电弧。 l 刖l 人j jl j j j mm、r了1 7 ， 具有一定的防干扰效果； 牵引网阻抗较小； 目前应用比较广泛。 净 防干扰效果好 牵引网阻抗小，输送容量大； 结构复杂。 2 0 0 a2 0 0 a3 0 0 a1 0 0 a 图1 4a t 供电方式 f t r f t r 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 u ( 5 ) 同轴电缆供电方式( c c 方式) 防干扰效果好，占用空间小； 牵引网阻抗小； 投资大。 净 在故障安全模式中保证在组成每个轨道电路的轨道分区的任意 一点都能自动和持续探测到列车存在与否； 在故障安全模式下通过钢轨为信号信息从地面向运行列车传输 提供持续传输的媒介。 此外，轨道电路还具备： 确保断轨的探测； 通过提供一条通向变电站的直接路径改善牵引电流的质量，即敷 设一条贯通地线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 3 5 1 2 对接地的要求 电气化铁路要求设计一系列措施保护人员和设施的安全，并要求进行 相应的电磁防护设计。 一根2 5 k v 的接触导线，由于感应、耦合会在邻近导体、金属结构体 和大地等产生电势，电势的大小和牵引变电所与列车之间距离有关。为了 避免感应电势对轨上、轨旁设备及人员产生危害。u m 2 0 0 0 系统对轨道电 路的横向连接建立一套规则，即设置了不同功能的轨道横向点连接线： 简单横向连接( s t l ) ； 完全横向连接( i t l ) ； 用于牵引回流的完全横向连接( i r t l ) 。 与这一系列规则相符的轨道接地将可以实现： 限制轨道地面电压( 员工和乘客保护) ； 将地面、两个轨道和所有横向电缆之间的牵引回流区分 开，这样就限制了钢轨中5 0 h z 电流的潜在干扰水平； 断开钢轨的检测； 创造了一个出色的防雷保护“栅栏”。 钢轨接地只能通过i t l 和i r t l ，且i t l 或i r t l 与s t l 之间的距离必 须大于1 0 0 0 米。 圃糖惜鞲域厘颦堰圄冥旗剃厦鬈剞坂，n圃 一 室 。j【一 t i i u u ( i 【1 【j 【i 【11 【1 【i ( q d 田d l 1 _ p 1 _ 董 l 委 善 三 * 基l 1 _ _ - _ j 星 蔓耋 罨卷 錾 重 誊薏 = 三 签 暑 暑 薹 廿砉 墨6 重 已 g c 毒 j 量 舌 董 舢 三 差 、 秀 鲁 c ! 譬 1 面p r l 舢 1 m 譬譬 毒 蠡 端 垄 奎 + 峨= 孤 钗袋翠朴州仅窿书瞪卦k嘎似怔陋 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 从欧洲装备了u m 2 0 0 0 轨道电路的高速线得经验是，在严格且系统地 实施上述原则的前提下，不再需要防雷保护。 3 5 2 国内z p w - 2 0 0 0 轨道电路 z p w - 2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路系统，与u m t1 无绝缘轨道电路一样采 用电气绝缘节来实现相邻轨道电路区段的隔离。电气绝缘节长度改进为 2 9 m ，电气绝缘节由空芯线圈、2 9 m 长钢轨和调谐单元构成。调谐区对于 本区段频率呈现极阻抗，利于本区段信号的传输及接收，对于相邻区段频 率信号呈现零阻抗，可靠地短路相邻区段信号，防止了越区传输，实现了 相邻区段信号的电气绝缘。同时为了解决全程断轨检查，在调谐区内增加 了小轨道电路。为了解决接地和牵引回流，也设置了贯通地线。 z p w 一2 0 0 0 a 型无绝缘轨道电路分为主轨道电路和调谐区小轨道电路两 部分，小轨道电路视为列车运行前方主轨道电路的所属“延续段”。主轨 道电路的发送器由编码条件控制产生表示不同含义的低频调制的移频信 号，该信号经电缆通道( 实际电缆和模拟电缆) 传给匹配变压器及调谐单 元，因为钢轨是无绝缘的，该信号既向主轨道传送，也向调谐区小轨道传 送，主轨道信号经钢轨送到轨道电路受电端，然后经调谐单元、匹配变压 器、电缆通道，将信号传至本区段接收器。调谐区小轨道信号由运行前方 相邻轨道电路接收器处理，并将处理结果形成小轨道电路继电器执行条件 送至本区段接收器，本区段接收器同时接收到主轨道移频信号及小轨道电 路继电器执行条件，判决无误后驱动轨道电路继电器吸起，并由此来判断 区段的空闲与占用情况。该系统“电气一电气 和“电气一机械 两种绝 缘节结构电气性能相同。现按“电气一机械”结构进行系统原理介绍，系 统原理构成见图3 - 6 ，a 为补偿间距。 综上所述，国内外主导信号轨道电路系统均设置了贯通地线，并均赋 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 予了他们不仅做为自身系统的接地责任，还肩负了一定的牵引回流任务。 这一点位研究综合接地系统提供了前提条件。 谐一 主轨道电路叫 谓 图3 - 6z p w - 2 0 0 0 原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 4 1 钢轨电位 第4 章钢轨电位计算 钢轨对大地电压u ，。就是钢轨与大地之间的电压差，图4 - 1 表示了钢 轨对大地电压的特性曲线，在沿线路方向只在过渡长度以外的点才降到较 低值，图4 - 1 表示了在长度为2 4 k m 的供电臂，每l k a 牵引电流的钢轨电压。 图4 - 1 在没装回流线的双线铁路系统中沿线的钢轨对大地电压和牵引电流 、 xi 辽 、_ - g lo 变电所牵引车辆 j l ， u4茜1 21 62 u2 4 距离( k i n ) 比( 单位长度有效漏泄电导为2 s k m 。变电所的接地电阻为0 2 q 的值) 从图4 - 1 可以看出轨地电位主要受牵引电流、供电臂长度、钢轨对地 的有效漏泄电导、牵引变电所处接地电阻等因素的影响。 4 2 钢轨对地漏泄电阻 根据图4 2 可以看出钢轨对地的电位起决定作用的因素除了牵引电 流外就是钢轨对地的等效漏电导。等效电导值取决于牵引供电方式，支柱 及基础形式，线路漏泄电导，综合接地线的设置等。 如 柏 如 加 m o 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 4 3 钢轨电位计算 图4 2 钢轨对地漏泄电阻示意图 牵引网以钢轨和大地作为牵引电流的回流导线。由于钢轨和大地之间 过渡导纳的存在，使得钢轨电流在流回牵引变电所的过程中，一部分经过 渡导纳逐渐泄入大地，形成地中电流；而在靠近牵引变电所的地段，一部 分地中电流经过过渡导纳进入钢轨。地中电流的分布示意见图4 3 。 变 、 、- - 一 图4 3 地中电流分布示意图 从图4 - 3 中可以看出：( 1 ) 牵引电流从钢轨泄入大地后，向各个方 向扩散。越接近钢轨，地中电流密度越大，这反映了地中电流的集肤效应。 道 地 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 ( 2 ) 地中电流的集肤效应可以用等值入地深度d g 来描述。大地电导率。 越大，电流频率厂越高，d 。越小，即其集肤效应越显著。( 3 ) 通常牵引变 压器次边接地端子一方面接入变电所的接地网，另一方面又与回流钢轨连 接。这就造成了地中电流的分布在变电所附近发生畸变，大量地中电流经 接地网返回变电所，而不是经过钢轨返回。 如果知道接触网一地和钢轨一地回路的自阻抗z l 、z 2 ，又知道这两 个导线一地回路之间的互阻抗z 1 ：，以及钢轨一地之间的单位长分布导纳 】，就可以构造出如图4 4 所示的单线牵引网等效电路。 t7 z l ( q k m ) 讣 姑z , 咖( q k i n ，一j i 睦 - 1 l i ： 一) ii i i e 广 历 匕 lz o - 图4 - 4 单线牵引网等效电路示意图 从图4 - 4 可知，牵引网阻抗就是从牵引端口看入的若干个导线一地 回路网络的综合等值阻抗。由于轨道一地为非线性的分布参数网络，使得 牵引网阻抗呈非线性特征，在计算上非常复杂。因此，需要在研究变电所 一机车之间的轨中电流、地中电流分布特点征的基础上，提出牵引网阻抗 计算的简化等效电路模型。 在进行钢轨及地中电流计算时，为简化起见，作如下假设：( 1 ) 钢 轨的参数均匀且无限长，两根钢轨是并联的，电流分布相同；( 2 ) 钢轨电 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 路是线性电路，因而可以适用迭加原理；( 3 ) 大地的电导率。是均匀的； ( 4 ) 在工频下，钢轨一地过渡导纳】，仅计及电纳g 而忽略容纳部分c o ： ( 5 ) 在一般情况下，不考虑变电所接地装置( 设其接地电阻为z g ) 的影 响。但涉及到诸如计算钢轨最大电位或计算变电所附近牵引网短路时，就 必须考虑接地装置的影响。 图4 4 中，在0 x l 段上，沿着x 的正方向建立钢轨电位( 相对 大地的电压) 眈g ) 和轨中电流i g ) 的微分方程： f d 岛g ) = z ：j r g 皿一z l ：凤 【d t g ) = 咄g 协 ( 4 1 ) 式中，j 一牵引( 负荷) 电流( a ) ； 岛g ) 、l g ) 一分别为距变电所x 处钢轨电位和轨中电流； z ，、】，一分别为钢轨一地回路单位长度自阻抗( f 2 k m ) 和钢轨对 地电纳( s l ( 1 1 1 ) ； z ，一接触网一地回路与钢轨一地回路之间的单位长度互阻抗 ( q k m ) 。 整理式( 4 1 ) 得： d 2 g _ ( o - z 2 盟r g ) 。：- 一一 t i ， 2 , - i t= z 2 r u , i x 。、7 掣：j ，了a g ( x ) - z 2 喀g ) - z l ：讶 出2出 一7 “ ( 4 2 ) 从式( 4 2 ) 中解得l ( ，) 和g ( x ) 式中，k = z z l _ _ 3 _ 2 ，称为感应系数： o g ) = 面+ 去( 血芦一晚叩) 【也g ) = 彳e 芦+ b e 叩 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 z 0 = q ，z o 9 n 车m 9 性阻抗； 7 = z 2 】，y 为钢轨传播常数； j 牵引电流( a ) ； x 一距变电所的距离( 1 ( ) ；0 x l ； 彳、b 特定常数。 下面根据两个边界条件来确定待定系数彳和b 。 ( 1 ) 在变电所位置，x ：0 ，代入式( 4 - 3 ) 得： 灿) = 灯+ 瓦1 ( 彳删 【0 t ( o ) = 彳+ 曰 ( 4 - 4 ) 由于假设钢轨向两端无限延伸，不难证明，从x = 0 点向外看出，钢 轨一地分布参数网络的视在阻抗即为其特性阻抗z o ，根据图4 - 2 可知， x = 0 处的钢轨电位坼( o ) 又为 坼( 0 ) = ( j r ( o ) 一i ) ( z oz 。) ( 4 5 ) 式中，z g 为牵引变电所接地电阻( q ) ，ii 为并联运算符。 ( 2 ) 在机车位置，x ：l 处，按同上方法可得： 从式( 4 - 4 ) 、( 4 - 6 ) 中，解得： j r o ) = r d + 去( 一) 0 7 ( ) = 4 e 一+ 眈叫 0 r ( ) = ( j j r o z 。 ( 4 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 ( 4 7 ) 将式( 4 - 7 ) 代入式( 4 3 ) ，得轨中电流和钢轨电压的一般表达式： 旧以知， e - r ( 1 - x ) - t 一臀 = 三( 1 - k ) z j e - r ( t - x ) 一乎 若牵引变电所接地电阻z g 趋于0 ，则式( 4 8 ) 为： l l g ) = 面+ 三1 ( 1 一k ) j 渺叫仃州州】 i 汐rg ) = 吉( 1 一( ) z o j k r c ，一j ，p r c ，+ j ，】 i ，r g ) = k j + 互1 ( 1 一r ) ，k y ( ，一j ) + e f 】 l d ，g ) = 三( 1 一k ) z 。 e - r u - j ) _ e - r 。 ( 4 8 ) ( 4 9 ) ( 4 _ 1 0 ) 笙剐 + 一+ 吖 猩一心 z z k k 一2 彳 b 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 根据假设，如上分析轨中电流按式4 5 计算时，不考虑变 电所接地装置的影响，即取z ，为0 或0 0 ，若认为接地阻抗z ，趋于0 0 ， 则对式( 4 一1 0 ) 的分析可知：由于接触网一地回路和钢轨一地回路之间的 互阻抗z 1 ，的强制作用，以及钢轨与地的接触，使得牵引电流j 在进入钢 轨时，轨中电流即被分解成为两个分量，即： 7 ( 1 ) 感应电流，丘= 面= 争j ，其值由z l ：、z 2 及j 决定。五能保持 二2 大小不变地沿轨道流向变电所，而不渗入大地； ( 2 ) 传导电流，厶= 喜( 1 一k ) i ie - r ( 卜”+ p 叶。l ，其值在向变电所流动的 2 lj 过程中，或是( 在注入点，机车处) 部分逐渐流入大地，或是( 回流点， 变电所处) 部分逐渐由大地返回钢轨。 如果选择单位区段z = 0 1 9 8 + 0 5 6 0 q k m ，z 1 ，= o 0 5 + 0 3 1 5 q k m ， 】，= ls k m ，l = 3 0 k m ，则根据式( 4 9 ) 和式( 4 1 0 ) 作出的相对电流模值 r 协x 曲线如图4 5 所示。从图4 3 易见，轨中传导电流主要发生在 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 牵引电流注入点和回流点，其他地方很小，主要用于计算轨道电位。其他 地方感应电流占主导地位，主要用于牵引网阻抗等计算，并且这时往往忽 略传导电流。 当供电臂上有多列车运行时，由于假设轨道一地网为参数均布的线 性网络，所以可以先求得各列车造成的轨中电流分布，再应用迭加原理进 行合成。相应的，我们可分析地中电流的分布情况，则按式( 5 2 9 ) 求得地 中电流乇( x ) 乇o ) = j 一( x ) = ( 1 一k ) j 一寺( 1 一k ) j e - r ( t - x ) + e - r x ( 4 一1 1 ) 可见，地中电流也有传导电流与感应电流之分。 4 。4 牵引网计算模型 图4 - 6 是两种主要的交流电气化铁路牵引网供电方式，其中( a ) 为 带回流线的直接供电方式，( b ) 为a t 供电方式。 负馈线 接触网 南净 2 7 5 k v 吸上线 钢轨 自耦变压器( a t ) 接触网 n f t r t r p f p w 图4 - 6 牵引网结构 从网络拓扑结构看，它们都是一个带状电路，纵向为多导体传输线， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 横向为各种并联元件。对于纵向多导体传输线，将其分成许多小段，把分 布参数电路等效成集中参数电路。这种带状电路可统一表示成图4 7 的带 状格子式结构。纵向元件为平行线条，横向元件都是连接到某个断面的节 点上的。 1 2 3 4 n 2 n 1n 、 节点 的统一模型 以阻抗矩阵表示纵向多导体传输线，以导纳矩阵和注入电流源表示横 向元件，图4 7 的电路可进一步等效成图4 - 8 的链形电路。图中： z k 一多导体传输线的串联阻抗矩阵 y k 一由各横向元件构成的节点导纳矩阵 g k 一节点注入电流源向量 【一节点电位向量 i k 一导体电流向量 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 图4 8 链形电路 为讨论的方便，设图4 7 的电路n = 5 ，可以立即列出电路的节点方 l + 乏1- z ；1 - z ；1z ；1 + y 2 + z 1- z ；1 。 一z ，z ；1 + 匕+ z - 一z i l 一z i lz 彳1 + y 4 + z ， 一z ， ( 5 1 ) 式( 5 一1 ) 为一个对称稀疏矩阵，且为有规律的三对角形式。可用专 用网络求解算法求解。 西西& 函苏 k 巧以 voiiiiiiioiij且 。 e 巧+ 一石 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 第4 章石太客运专线综合接地设计 5 1 综合接地必要性分析 与常规普速铁路相比，高速铁路、重载铁路电流接近1 0 0 0 a ，使钢轨 电流大大增加，电气化铁路的机车牵引带来的近1 0 0 0 a 的工作电流需通 过钢轨回流，并且其通过电磁耦合使附近的金属体表面产生较高的感应电 压。同时使轨道电路信号设备、道床结构、牵引电流分布均发生了很大的 变化。 因此在高速铁路、重载铁路中，如果不采取措施防护结构内部的钢筋、 降低轨电位，伴随着远端短路或雷电影响将导致钢轨电位升高，可能威胁 人员的人身安全或烧毁结构物内的钢筋，破坏混凝土的结构强度，并导致 过高的钢轨电位损伤信号设备的绝缘，威胁行车安全。 另外，在客运专线由于各专业采用的电子设备增多，地线的种类和数 量也大量增加，如果单设地线，势必会为增加工程量的同时，各种沟槽管 线的开挖也势必对线路的稳定性造成一定的影响，也可能由于各独立接地 体的电位差对设备造成危害。 针对高速铁路、重载铁路牵引电流大，造成钢轨电位升高，对涉及行 车安全的信号、通信等设备造成影响，同时考虑设备地线种类增多、数量 增大的因素，结合“以人为本”的设计理念和时代要求，需要将各种接地 有机、合理的结合起来，保证高速铁路、重载铁路各系统、各设备之间实 现等电位连接，减少不同设备、不同系统之间存在的电位差及可能造成的 人身和设备的安全隐患。 石太客运专线初期运行5 0 0 0 t ，1 2 0 k m h 货车，机车电流约为8 0 0 安， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 远期开行2 5 0 k m h 动车组，机车电流可达到6 0 0 a ，石太客运专线初近远 期电流均较大，从牵引供电系统角度出发，应该采用综合接地系统。 5 2 综合接地系统的方案 5 2 1 综合接地系统基本构成 综合接地系统包括接地体、接地引入线和接地母排等。其中，接地体 就是埋入地中并直接与大地接触的金属导体，也就是通常所称的贯通地 线；接地引入线是接地母排与接地体之间的连接线：接地母排就是需要接 地设备与综合地线相连接的引入装置。 5 2 3 综合接地系统的范围 在不影响信号、通信等弱电系统安全运行的前提下，除另有规定和有 特殊要求的设备( 或系统) 外，原则上距接触网带电体5 m 范围以内的电 气化、电力、通信、信号、车辆、环工、给排水等专业的设备及其他金属 构筑物的接地应尽可能纳入综合接地系统，形成等电位体。 对于不能与铁路综合接地系统等电位连接的第三方设备( 如路外公共 建筑接地等) ，必须采取可靠的分离或绝缘措施。 1 信号：沿线信号设备的安全地线和屏蔽地线、工作地线均接入综合 贯通地线。 2 通信：沿线长途通信电缆地线、电缆槽支架、漏泄电缆悬吊钢索等 的地线均接入综合贯通地线。对于无线区间设备( 含g s m r 基站、光纤 直放站、干线放大器、无线中继电台的杆塔等) 由于一般都设在路堤以下， 并且接地电阻的要求也不太高( 小于4 q ) ，所以从工程的可实施性和投资 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 上综合比较，推荐单设地线，此地线与综合贯通地线之间的距离应不小于 2 0 m 。如确实需要接入综合地线系统的，必须保证接入处的接地电阻足够 小、相邻设备耐压足够大。 3 电力：电力电缆的金属外皮与综合贯通地线相连。电力变压器离线 路较远，数量较少，推荐单设地线，此地线与综合贯通地线之间的距离不 小于2 0 m 。 4 电气化：为避免在两轨之间形成第三轨，影响信号断轨检查功能的 实现，规定接触网的相邻吸上线的距离必须间隔两个及以上闭塞分区。在 高速铁路中随着牵引电流增大，为降低轨面电压，作为钢轨回流的并联通 道及工作接地的回流线( 或p w 线) 每3 0 0 m 上下行并连一次，并接入综 合接地系统。如果回流线非绝缘架设且与支柱钢筋( 混凝土支柱的) 或钢 柱电以及支柱基础钢筋均有可靠的电气连接，则不需要每个支柱均与贯通 地线相连；如果采用绝缘架设方式，则每根支柱均应与综合地线相连接。 5 环工：将声屏障的金属构件通过引下线接入两侧电缆槽内预留的综 合贯通地线的接线端子上。声屏障长度5 0 0 m 以下两端各接一处，超过 2 5 0 m ，每2 5 0 m 接一处，每座声屏障不小于2 根引入线，采用焊接或螺栓 连接的方法连接，并在接点做防腐处理。 6 给排水：股道两侧5 m 范围内的给水管道的阀门外皮和电动收管器 的外皮与综合贯通地线相连。水塔或高位水池离线路较远，其避雷接地应 单设。牵引变电所围墙内外的管道附属设备的金属外皮应与变电所地线网 相连，水嘴采用非金属材料。 7 其它：距接触网带电体5 m 范围以内的金属结构( 桥梁、隧道、栅 栏、车站雨棚等) 与钢轨连接时必须通过设置于空扼流或空芯线圈中心点 的完全横向连接线实现，或直接接入综合接地体。 8 第三方设备 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 对于不能与铁路综合接地系统等电位连接的第三方设备( 如路外公共 建筑接地等) ，必须采取可靠的分离或绝缘措施，如从外面进入铁路区域 的管道采用非导电材料制成。 如果铁路和公共电网的接地系统不可能分开，电气化回流回路应与临 近的公共电网的接地系统互相连接。 如果公路立交桥的金属部件在架空接触网区域内，则采取特殊的接地 措施确保人身安全。 如果桥两侧的桥墩位于接触网带电区域内，则两边的墩都要安装镀锌 接地钢带； 如果桥梁的项面在接触网带电区域内，则在桥梁的起点和终点处，接 触网上方都要装上镀锌钢带或角钢；金属部件应有两处连接综合地线上。 桥梁的钢筋要相互电气连接并与桥墩有可靠的电气连接，并统一连接到铁 路综合接地系统上，桥墩作为综合地线的接地体，其接地电阻的大小应满 足对综合接地系统电阻的要求。 5 2 4 综合接地系统示意图 轨道电路每隔1 5 k m 左右通过吸上线与综合接地线相连，电缆的外皮 也要连接到综合接地线上。如图5 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 5 3 综合接地线选择 531 综合贯通地线的材质 贯通地线的材质应考虑以下几个因素： a 、要有良好的导电性能； b 、要满足电缆可靠性和安全性要求，电缆外护层必须有较好的防腐、 防水、防氧化、防污染及防电化学腐蚀等性能： c 、电缆由于敷设在铁路边，运行在有剧烈的振动环境下，因此电缆 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 必须有较高的机械性能及抗冲击能力； d 、为便于施工，电缆必须有一定的柔软性。 根据上述要求，我们对铜、铅的金属性能进行对比分析： 铜：铜在潮湿空气中，表面易生成有毒的铜绿；大气中含有二氧化硫、 硝酸、氨、硫化氢等气体，会引起强烈的腐蚀，导致铜的强度下降，电阻 显著增加，并且裸铜缆在现场施工中容易被偷盗。 铅：耐腐蚀性好，能抗碱、酸、氨、氢氟酸以及一些有机化合物的腐 蚀；作为电缆护层，密封性好，且不透潮，不透气，且柔软，延展性好， 熔点低，易于挤制，却存在铅流失到大地后对环境造成污染等问题。国家 现已严格控制铅、汞等重金属的使用。 为满足以上接地缆的使用条件，因此综合贯通地线推荐采用环保型地 线。由于环保型贯通地线的主要材质为铜，因此环保型贯通地线的导电率、 电阻等与相同规格的裸铜线是基本一致的。 5 3 2 综合贯通地线的规格 1 综合贯通地线的截面积必须满足流过导线电流的需要 根据京沪高速铁路前期研究的计算和仿真模拟结果，在高速铁路中， 在列车正常运行情况下，接触网的回流电流在单根综合接地线中的分配值 平均约为2 7 0 a ，按此需选择截面为7 0 9 5 m m 2 的铜导线才满足导线电流 的需要。 2 综合贯通地线的截面积必须满足当牵引网回流不畅、故障，或遭受 强雷击、抗击瞬间短路电流冲击的要求。 根据目前所收集到的资料，采用直供+ 回流供电方式，当牵引网回流 不畅或故障，或遭受强雷击时，瞬间短路( 时间按l o o m s 考虑) 电流不 超过1 5 k a 。对于客运专线，因采用a t 供电方式，而且列车的密度更大， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 速度更快，因此当牵引网回流不畅或故障，或遭受强雷击时，瞬间短路电 流可能更大，目前石太客运专线暂按电流不超过1 7 k a 考虑( 时间按 1 0 0 m s ) 。 a ) 理论计算： a 章) 2 0 时导线每厘米的直流电阻r o ( d c m ) r 。= 鲁【1 + i x p 2 0 帆 式中p 2 厂导线在2 0 。c 下的电阻率，铜为1 7 2 4 1 1 0 6 q c m 2 c m a _ 一导线截面积c m 2 旷电阻温度系数，铜为0 0 0 3 9 31 卜导线温度 k l 一纽绞系数，一般取k l = 1 0 1 2 b 木) 集肤效应系数y 。计算 x 1 1 ， 一： 凡 1 9 2 + 0 8 工! 式中x ? ：堕1 0 一， 3 r o f 一工频5 0 h z c 宰) 2 0 c 时导线每厘米的交流电阻r ( q c m ) r = r ox ( 1 + 1 7 y ，) d 木) 导线的允许短路电流i 。( a ) is c = i 急a tl nl + a ( o s c - 2 0 ) _ 式中e 。广导线允许短路温度。电缆线路中有中间接头为压接时， 在系统短路的情况下，电缆导体的最高允许温度不宜超过1 5 0 。c 。 卜导线短路前温度 r 2 0 时导线每厘米的交流电阻 q 电阻温度系数，铜为0 0 0 3 9 31 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 c 。每厘米导线的热容j ( c m c ) ，铜为3 5j ( c m c ) t 短路时间s e 幸) 铜在2 0 。c 的电阻率p 为0 0 1 7 2 4 1 0 m i l l 2 m m ，铅在2 0 的电 阻率p 为0 2 0 6 4 8 0 m r n 2 i i u n 。 环保型贯通地线的主要材质为铜，2 5 m m 2 的铅包铜贯通地线( 铜绞线 外径为6 4 m m ，铅套厚度为1 0 r a m ) ，铜绞线电阻为0 6 9 d k m ，铅套电阻 为8 9 d k m ，两者并联电阻为0 6 4 d k m 。由于铅的电阻率比铜的电阻率大 1 0 倍左右，因此铅包铜贯通地线的电阻值主要由铜绞线的电阻决定。 p ) 根据以上公式计算结果如下： 表5 1 不同截面下短路电流 导线截面积导线短路6 订温度短路时问i s c 2 6 m m 2 3 0 1 0 0 m s2 l8 4 1a 3 4m m 3 0 1 0 0 m s2 4 9 7 0 a 3 5m m 3 0 1 0 0 m s2 5 3 3 3 a 9 5m m 23 0 1 0 0 m s 4 1 6 6 1a 3 咨询报告 根据法国c h i 高速铁路d k l 0 0 2 + 0 0 0 d k l 3 0 9 + 3 2 0 段工程设计咨 询的咨询报告( 终稿) ，当线路的短路电流为1 2 k a ( 在l o o m s 内) 时，铜 缆线的截面可确定为2 6 m m 2 ；当线路的短路电流为1 5 k a ( 在l o o m s 内) 时， 铜缆线的截面可确定为3 3 m m 2 。 4 贯通地线的截面积必须满足综合接地系统的接地电阻l q 的需要 根据公式砩= p ( 2 宰幸l ) 宰( i n ( l 木l h d ) + a ) 可以进行接地电阻计算 注： 本公式适用于水平接地体，根据土壤电阻率的不同，需要分段对接地电阻 进行计算】。 其中： r p ：接地电阻 p ：土壤电阻率l ：接地体长度h ：接地体埋设深度 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 d ：接地体直径a ：形状系数 从水平接地电阻的计算公式中可以看出，决定接地电阻值大小的主要 因素有：土壤电阻率和接地体长度。 土壤电阻率主要取决于较大深度内的地质构造和地下水的情况，对同 一地质情况，它与季节和气候变化有一定的关系，对同一地质构造，土壤 电阻率随年降雨量和地下水位的不同，会在一定范围内变化。因此土壤电 阻率是一个概略值。客运专线将全线大量使用无碴轨道，在无碴轨道区段， 距路基面0 4 m 内为级配碎石，级配碎石下1 7 m 2 2 m 内均换填a 、b 组 填料( a 、b 组填料是由细粒土、粗粒土、和碎石类组成) ，由于路基内填 料的压实度都很高，而且较干燥，因此土壤电阻率会很高，但在接地电阻 的计算中，水平接地体的长度也是不可忽略的一个因素，当l 足够长时， 土壤电阻率的大小对接地电阻值的影响是不大的。 计算结果归纳为下表： 表5 2 不同导线接地电阻 9 5 m m 2 裸铜3 5 m m 2 裸铜缆或( 2 5 m m 2 铅包 缆铜) 水平接地电阻( 埋设深度 0 6 5 5 q0 6 7 0 q 0 9 m 1 水平接地电阻( 埋设深度 0 6 7 8 q0 6 9 5 q 0 4 m ) 5 3 3 截面对轨地电位影响 考虑贯通地线分别采用t 3 5 ，t j 5 0 ，t j 7 0 ，t j 9 5 ，全线每1 5 k m 上 下行地线、钢轨、p w 线进行一次完全横向电横连。8 1 0 a 的负荷从末端运 行到首端时，负荷点钢轨电位及沿线最大地线电流情况分别如图5 2 5 9 所示。 从计算结果可见，尽管地线电流四种情况下有明显差别，截面越大电 流，所分电流也越大，但钢轨电位差别很小。以1 2 7 5 k m 处的最大值为例， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 0 页 四种情况下的钢轨电位分别为8 85 v ，8 7 3 v ，8 6 4 v ，8 5 9 v 。 表5 38 1 0 a 负荷下的计算结果 i 薹一盛i 雠蝴焉 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 1 页 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 图5 6 采用t j 3 5 时的地线电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 3 页 图5 - - 9 采用t j 9 5 时的地线电流 牵引网发生o c s r a i l 短路时的计算结果类似。如图5 一1 0 5 1 4 所 示。钢轨最大电位发生在牵引网首端o 7 5 k m 短路处( 酋个闭塞分区中点) 。 贯通地线中最大电流是在牵引网首端15 k m 处( 首个闭塞分区关节处) 。 表5 - 4 接触网一钢轨短路下的计算结果 结论 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 4 页 ( 1 ) 地线的主要作用不是分流，而是起到增大回流网络对地漏泄电 导的作用，特别是当牵引网同时还悬挂有保护线( 或回流线) 时，更是如 此。 ( 2 ) 导线直径对埋地导线的接地电阻影响较小。 ( 3 ) 从降低钢轨电位角度看，没必要采用很粗的地线。法国采用t j 3 5 、 t j 5 0 是有道理的。 ( 4 ) 同样截面的地线，采用扁平的带状比采用圆形对降低接地电阻 有利。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 5 页 图5 1 1 采用t j 3 5 时的地线电流 图5 一1 2 采用t j 5 0 时的地线电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 6 页 图5 一1 3 采