（电力系统及其自动化专业论文）高速铁路综合接地系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s tr a c t h i g hr u n n i n gs p e e d ，h i g hr u n n i n gd e n s i t y ，s t r o n gt r a c t i o nl o a dc u r r e n t ， h i g hr a i ll e a k a g er e s i s t a n c el e a dt os t e e pr a i lp o t e n t i a lr i s e c o n s i d e r i n gh u m a n a n dm a c h i n es a f e t yi s s u e s ，r a i lp o t e n t i a l ，t r a c t i o nc u r r e n tf e e d i n ga n de a r t h i n g s h o u l db ea t t a c h e di m p o r t a n c et o t h ec 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 d g r o u n d i n gs y s t e mi si n t r o d u c e d i te m p h a s i so nt w op o i n t s ：o n ei st h ei n f l u e n c eo f r e t u r nc i r c u i tt oh u m a n ，t h eo t h e ri st h es a f e t yo fv a r i o u se l e c t r i c a le q u i p m e n ti n s y s t e m s o ，i th a sas i g n i f i c a n tm e a n i n g t op r o p o s ei n t e g r a t e dg r o u n d i n gs y s t e m o fh i g h - l o wv o l t a g ec o m p a t i b i l i t ya n ds t r o n g w e a kp o w e ru n i t yf i t t e df o rc i v i l s a f e t ys t a n d a r d ab r i e fc o n d i t i o no fg r o u n d i n gt e c h n i q u ea n dr e l e v a n ts t a n d a r du s e di n f o r e i g nh i g h - s p e e de l e c t r i f i e dr a i l w a yi si n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r y o fc u r r e n tf e e d i n ga n de a r t h i n g ，r a i lp o t e n t i a ld i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t ya n d c h a r a c t e r i s t i cf o rd i f f e r e n tt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi sd e d u c e d b ya n a l y z i n g t h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sp a r a m e t e r si ni n t e g r a t e dg r o u n d i n gs y s t e mo nr a i l p o t e n t i a l ， e f f e c t i v em e t h o d st or e d u c er a i lp o t e n t i a la r ep r o p o s e d t h e nt h e m a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i l ta n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h ec o r r e c t n e s so f t h e s ep r i n c i p l e s w i t hd i f f e r e n ti n t e g r a t e dg r o u n d i n gs y s t e m sd e s i g n e df o r j i n g - j i n gr a i l w a y ，t h et r a c t i o nn e t w o r kp a r a m e t e r sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d u n d e rb o t hn o r m a la n df a u l tc o n d i t i o n sb ys i m u l a t i o n i n t e g r a t e dg r o u n d i n g s y s t e mf i t t e df o rc i v i lp a s s e n g e rr a i l w a yl i n ei sp r e s e n t e da c c o r d i n gt os a f e t y s t a n d a r d t h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r ef o ri n t e g r a t e dg r o u n d i n gs y s t e ms i m u l a t i o n n o to n l yh a sr e a l i s t i cm e a n i n gt ot h ed e s i g na n de v a l u a t i o no fg r o u n d i n gs y s t e m ， b u ta l s op r o v i d e sg u a r a n t e et oh u m a n ，m a c h i n es a f e t ya n dt r a c t i o nn e t w o r k r e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：i n t e g r a t e dg r o u n d i n g ，t r a c t i o nn e t w o r k ，r a i lp o t e n t i a l ，s i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学 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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彤使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“一) 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 由于涉及到人员设备安全，因此在高速铁路牵引供电系统设计中，综合 接地技术是非常重要的。很多文献研究中，虽然考虑到综合接地的重要性， 也提出了一些安全设计措施，但很少有从理论上定性的去分析。本设计对我 国现有供电方式下钢轨电位的数学表达式进行理论推导，以此提出各种降低 钢轨电位的有效措施；通过对钢轨大地耦合模型、牵引网等效电路以及解耦 方法的研究，建立牵引网数学模型，开发了综合接地系统仿真软件。此软件 可直接计算出牵引网处于不同状态下的运行参数，包括不同线路不同位置的 电压、牵引回流的分布等。利用仿真软件，对降低钢轨电位措施的效果进行 验证；结合实际工程，对综合接地系统进行评估和研究，并按照安全标准， 提出适宜于我国客运专线的综合接地系统。 此研究成果不仅适用于综合接地系统研究，还可用于整个牵引网系统结 构的设计与分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1问题的提出 第1 章绪论 2 0 0 4 年1 月，国务院常务会议批准了中长期铁路网规划。同年7 月， 国家发展和改革委员会把发展3 0 0k m h 高速轮轨技术列为国家优先发展的 高新技术之一，9 月，国务院批准了武广、郑西等九个客运专线项目的项目 建议书，标志着我国铁路建设即将进入新的发展和建设高潮。 客运专线n 1 是指具有高加、减速性能及对列车运行实现全自动控制、时 速2 0 0k m 及以上的铁路。其设计、建造、装备、管理都不同于普通铁路。其 基础设施均按高速铁路标准设计建造。高速铁路是当今世界高新技术的集成， 是一个包括轨道、路基、桥、隧、涵、通信、信号、电气化等诸多子系统的 庞大的系统工程。各子系统之间必须有机衔接、相互协调，才能形成一个高 效运作的运输系统。 由于客运专线列车运行速度高、牵引电流大、短路电流大、行车密度高、 钢轨泄漏电阻大，从而造成钢轨电位要比既有的电气化铁路高得多。如果不 采取措施防护结构内部的预应力钢筋、增加钢轨接地或降低漏泄阻抗，伴随 着远端短路或雷电影响将导致危险的钢轨电位，轻则威胁车站旅客和轨道旁 维修人员的人身安全，重则烧毁预应力钢筋，破坏混凝土强度结构，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。 电气化区段内，通信、信号、牵引供电、电力等系统如仍采用分别接地 方式，虽然系统内设备间的电位差可以限制或消除，但不同系统间仍不可避 免地存在电位差，人身、设备的安全问题仍不能彻底解决。只有各系统、各 设备采用共用的综合接地系统，实现等电位连接，才能彻底消除安全隐患。 因此，针对客运专线特点造成钢轨电位升高，对涉及行车安全的信号、 通信等设备造成影响，以及设备地线种类、数量增多的因素，结合“以人为 本一的设计理念和时代要求，客运专线设计引进了系统综合接地的概念和技 术要求。综合接地系统的研究包括两个重点：一是牵引网回流接地对人员安 全的影响，二是系统内各设备的安全。为适应我国客运专线的系统集成，尽 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 早进行回流接地技术规定的研究，尤其是在全面总结和归纳国际国内先进的 接地技术标准基础上，定义接地区域的安全设计概念，并明确修正轨道对地 计算模型的电气参数，结合理论计算模型研究提出适应于我国安全规范和兼 容信号、电气化要求的综合接地体系，对防护结构钢筋、减少网损和保证信 号等与钢轨相近的设备可靠工作，保障维修或旅客人身安全，有很大的必要 性和紧迫性。 1 2 客运专线牵引供电系统特点 对于客运专线，以下几点情况与常速铁路不刚羽： ( 1 ) 列车牵引电流大。目前我国最大功率韶山4 型电力机车，最大牵引电 流约为3 6 0a ，而1 6 辆编组、3 5 0k m 1 1 速度的电动车组的最大牵引电流可达 1 0 0 0 h 。 ( 2 ) 牵引网短路电流大。客运专线的牵引变电所多从2 2 0k v 受电；系统 三相短路容量大，最大可达1 00 0 0m v a 以上，可视为牵引变电所接于无穷大 电源，则稳态短路电流倍数近似等于变压器短路阻抗标么值的倒数。对于额 定容量5 0m v a ，阻抗电压百分数为1 0 5 的单相变压器，当变电所出口发生 牵引网短路时，稳态短路电流可达1 8l 【a ( 2 7 5k v ) ，变压器容量再大时， 短路电流也相应增大。 ( 3 ) 钢轨一地漏泄电阻大。客运专线高架区段多，一般采用无碴轨道，道 床绝缘电阻大；由于列车速度高，机车车辆车轮对钢轨冲击力大，为此，钢 轨与轨枕间的垫板一般加厚，该垫板在电气上属绝缘材料；另外，信号专业 要利用轨道电路传输列车运行控制信息，也要求两轨之间及轨对地间有好的 绝缘，需加强日常清扫维护。这些因素导致钢轨一地泄漏电阻大幅度增大。 以上因素导致客运专线的钢轨电位比常速既有线路高得多，其主要危害 有： ( 1 ) 可能造成沿线维护作业人员的触电事故； ( 2 ) 在车站站台，乘客上下列车时，可能遭受电击或产生电麻感觉； ( 3 ) 容易引起同轨道相连的信号设备的功能不良或故障； ( 4 ) 会加速钢轨与轨枕间绝缘垫板的老化，甚至烧毁。因此，对于客运专 线，必须采取适当的技术措施设法降低钢轨电位。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 国内外研究现状 从国外高速铁路运营和在建情况来看，列车运行速度已经达到3 0 0 k m h 以上，其中法国、德国和日本3 个高速铁路发达国家是当今世界轮轨高速电 气化铁道发展的代表，对于建立综合接地系统以降低高速电气化的钢轨电位， 不同国家解决问题的思路和所采取的技术措施不一致，如何评价这些技术措 施，相关的技术参数如何确定，国内还缺乏深入的研究。 文献 3 介绍了国外运营及在建高速电气化铁道所采用综合接地技术的 基本情况。 法国：综合接地系统主要由钢轨、保护线、接地线、扼流圈、各纵向导 体间的等电位连接线和接地极等构成。设置连续且独立于轨道的综合接地线， 按轨道电路允许的间隔连接到轨道上。钢轨、保护线、接地线或金属栅栏等 的等电位连接一般通过设置完全横向连接来实现。 德国：由钢轨、回流线、接地带、接触网支柱基础( 接地极) s 棒连接( i b ) 、 各纵向导体间的等电位连接线和接地端子等构成。每根接触网支柱基础都设 置了接地极。电气化铁道上的钢轨需进行横向和纵向的电气连接，综合接地 系统中的导体的接地和连接只允许在接地带、接地轨和i b 中点上实现。接地 轨、回流线和支柱基础接地极构成了地面区段的主要接地装置，在其它区段 与此相连接的是车站、站台、变电所、整体道床接地带、桥梁桩基础接地极 和隧道环形接地极等。 日本：牵引网的保护装置主要包括放电器( 避雷器) 、接地线和接地极等， 牵引网接地系统主要目的包括防雷、防电击、防腐蚀、减少电磁感应和设置 参考电位等，接地类型主要包括工作接地、器具外壳接地、避雷针接地和避 雷器接地等。为抑制高速电气化铁道钢轨电位，在部分车站设置了钢轨电位 抑制装置、钢轨分散接地和上下行轨道间的等电位连接线。 1 4 本论文的主要工作 本文主要完成了以下几个方面的工作： ( 1 ) 针对客运专线特点而造成钢轨电位升高引起的人身设备安全问题， 引进综合接地系统的概念和技术要求，并对国内外高速铁路所采用的综合接 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 地技术和相关标准进行归纳总结： ( 2 ) 分析牵引回流和钢轨电位产生机理，对人员设备安全的评估标准和 电气化铁道接地系统的设计原则进行阐述； ( 3 ) 对我国现有供电方式下钢轨电流和钢轨电位的数学表达式进行理论 推导，得到钢轨电位分布规律与特征，以此讨论综合接地系统主要电气参数 对钢轨电位的影响，提出各种降低钢轨电位的有效措施： ( 4 ) 通过对钢轨大地耦合模型、牵引网等效电路以及解耦方法的研究， 建立牵引网数学模型，并采用m a t l a b 编程开发了综合接地系统仿真软件。该 软件可以通过设置不同的系统参数，分别计算直接供电和a t 供电方式在正常 负荷和短路条件下的牵引网电压、电流分布； ( 5 ) 利用综合接地系统仿真软件，对降低钢轨电位措施的效果进行验证； 结合北京一天津高速铁路工程，对综合接地系统进行评估和研究，比较和分析 不同接地方案下，牵引网正常运行和短路故障情况各线路运行参数；按照安 全标准，提出适宜于我国客运专线的综合接地系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 1基本概念 第2 章牵引回流与接地 ( 1 ) 大地 从电气工程的角度来看，大地可以被定义为导电的土壤，认为它任一点 的电位都等于零。可以认为电气干扰之外的区域也是大地，在这些区域中测 量不到由地电流引起的电位差。牵引供电系统中的各种接地体和大地之间的 距离为几十米，特殊情况长达l 公里，取决于接地装置的尺寸，土壤成分和 接地电流的幅值。大地可以作为轨道电位的参考。 ( 2 ) 地电位和轨道电位 地电位发生于接地体与远处大地之间，是两者之间的电势差，差值的大 小取决于接地体的电阻和流经接地体的电流幅值。钢轨是牵引回流系统的组 成部分，与地表面有阻性连接，在过渡区域内，可以将轨道看作接地体，由 于地中电流引起的钢轨和大地之间的电势差，称为轨道电位。 ( 3 ) 接触电压 接触电压是指带电部件可以被接触到的部分，被人体跨接而产生的电压， 接地连接件和钢筋混凝土结构都可能产生接触电压，因而它们被归类于接触 部件，可被人体跨接的部分对地电压也称之为接触电压。在牵引供电系统中， 如果钢轨对大地的电位过高，而该电位可以接触到的部分又超过允许接触电 压，则会产生对人体的危害。 c 4 ) 回流回路 在传统的交流牵引供电系统中，运行电流从接触网系统流向车辆。而牵 引供电的回流以及再生制动的再生电流，则从车辆流向变电所。 回流回路包含运行和故障状态时回流流经的所有导体，这些导体形成了 回流路径，包括： 钢轨； 与钢轨并行，并按一定间隔接到钢轨的回流线： 在交流线路中，此功能可由悬挂在接触网支柱上的回流线或沿线的 接地带完成； 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 在交流线路中，由于钢轨和大地存在感性耦合，一部分回流从土壤 流过，所以土壤也是回路一部分。 ( 5 ) 牵引系统接地 接地系统由几个接地体组成，这几个接地体之间用导线互相连接。预应 力混凝土结构中相互连接的钢筋、金属元件等被定义为结构接地。这些结构 包括车站和专用建筑物、桥梁、高架桥、混凝土路面的道路和隧道。电气化 铁道的钢轨，被作为回流导体与大地连接，形成了牵引系统接地。牵引系统 接地还包括了与之相连的导电部件。 2 2回流回路 传统的牵引供电系统如图2 - 1 。钢轨回流系统( r r ) 最为常用。特殊类型 的回流系统采用吸流变压器( b t ) 和自耦变压器( a t ) 。在b t 系统中，在两个吸 流变压器的中间位置，将绝缘的回流线连接到钢轨，其电位大致等于轨电位。 它们携带了大部分回流，并流经钢轨和大地。在使用a t 的交流系统中，通过 一个有源回流回路，也就是正馈线，采用两倍或数倍于架空接触网电压供电 系统。在铁路运营区段，钢轨和大地传导回流的方式和钢轨回流系统( r r ) 是 一样的。 变奄所 ( a ) 直接供电方式下经过钢轨的回路 ( b ) d n 加回流线供电方式下经过钢轨和回流线的回路 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 变电所 虫i 臼 他地门 暖流变压嚣 飞耸门n 蜩 门l门lj 、m 1 一，麟戡 j j 接触网 j _ - 置叠 ( c ) b t 供电方式 ( d ) a t 供电方式 图2 1 各种牵引供电系统 上述提到的钢轨对大地电位，会因地点、时间和负载条件的不同而发生 变化。人类和动物都有可能与全部电位或部分电位相接触。因此，为了消除 对人体的危害，钢轨对大地电位不能超过e n 5 0 1 2 2 - i h3 中规定的允许值。 图2 - 2 允许接触电压与电流持续时间的关系曲线 危及人身和动物安全的因素之一是流经他们体内的电流，这个电流值取 决于其身体与电压的接触点以及身体的阻抗。i e c 6 0 4 7 9 - ih 3 中描述的身体阻 抗及危及人和动物的交流和直流电流取决于时间。图2 - 2 为人体手脚之间的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 最大允许接触电压与i e c 6 1 9 3 6 和i e c 6 2 1 2 8 h 1 标准中定义的电流持续时间曲 线。 如果钢轨对大地电位过高，而该电位可接触到的部分又超过允许接触电压， 则会产生对人体的危害。在图2 3 中，u 他表示钢轨对大地电压，而u 曲则 表示可接近电压。大部分情况下，u 曲u t e 的值都低于1 。最糟糕的情形下， u 出= u 。 u t e 钢轨对大地电压 u 曲可接近电压 u 砷带限压装置时的可 接近电压 图2 3 铁路附近的电位梯度和可接近电压 在交流系统中，采用系数k 【4 3 来定义可接近电压u 曲，这个系数考虑了接 触回路中存在附加电阻，也考虑到实际情况中在有电流经过时，钢轨和大地 之间产生的电位差只有一部分是可以接触到的。这个系数用如下公式表示： k = u 矗u 怀，在引用的参数中，k 的值为0 3 o 8 。从更早版本德国铁路的 标准g b r 9 9 7 0 3 中，可推导出推荐的k 值为0 5 。图2 - 3 表明，只有钢轨或 线路的电位高于地电位的情况下，人体在接触钢轨和线路时才有可能接触到 一部分电压。在个别情况下，需要采取等电位连接措施以减小可接近电压 u 小，以保证电气化铁道操作人员的安全。 图2 - 4 为单相交流系统回流和牵引接地电路的等效电路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 4 单相交流系统回流和牵引接地电路的等效电路 2 3 钢轨电位和接触电压 2 3 1钢轨大地回路 钢轨和大地之间的电阻称为钢轨对大地电阻。这个电阻值表示了钢轨和 大地之间的阻性耦合和电导耦合，其值取决于钢轨和大地之间的上部结构的 特性和条件。图2 - 5 所示为钢轨和大地之间阻性耦合的模型电路。在这个模 型中，用分散的电阻来表示钢轨和大地之间、分布的或持续的单位长度纵向 电阻r 个和单位长度漏泄电导y 忭。由于钢轨与大地之间存在耦合阻抗k ， 因此牵引电流一部分经轨道流入大地，另一部分沿轨道流回牵引变电所。 图2 - 5 轨道和大地之间的阻性耦合模型 图2 6 为单相交流电气化铁道系统的电流纵向分布。为了简化模型，假 设是单边供电，负载距供电点的距离为l 。通常情况下，负载两边的线路长 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 度都要超过3 - - 一7 k m ，这时，图示曲线适用于流过钢轨、大地的电流，也适用 于钢轨和大地之间的过渡电流。 变电所 鹌i 车辅 lj r i i u 髓瓯：!纵一 一 一 l l c 】生r c 。 l i i 班留c n 厂 _k n k 图2 - 6 单相交流系统中的钢轨对大地电压和电流 由图2 - 6 可得到以下结论： 列车牵引电流r r c 在列车所在位置流入钢轨： 该电流的主要部分通过钢轨流向变电所；剩余部分经过钢轨向相反 方向流去； 有电流从负载两侧经钢轨流向大地。有轨对地电流的区段称为过渡 区域，该区段长度称过渡长度l 岫； 在靠近变电所的地方，一部分在大地中的回流流向钢轨，也就是在 这里，地电流的一小部分，经过相关的接地系统，流回变电所。这部分电流 的幅值主要取决于变电所基础的接地电阻； 钢轨对大地的电位出现在变电所附近以及负载附近的过渡区内。 2 3 2钢轨电位 钢轨电位是指在正常情况和故障情况下，利用钢轨承载回流而产生的钢 轨和大地之间的电压值。 钢轨对大地电压u 程就是钢轨和大地的电压。图2 7 表示了在长度为 2 4 k m 的馈电区，每k a 牵引电流的钢轨对大地电压。在沿线路方向，钢轨电 位u t e 只在过渡长度l 蛐以外的点才降到较低值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 7 单位牵引电流的钢轨对大地电压 钢轨电位u 丌的值主要由牵引电流、钢轨与大地之间单位长度的泄漏电 导、变电所与负载间的距离以及变电所的接地电阻决定。 图2 8 表示了钢轨对大地电压的特性曲线，它是与线路垂直距离的函数。 大地表面任一点p 与大地参考电位之间的电压，可通过绘制u ，。u t e 随钢轨 的距离a 变化的曲线来得到。但是在很多实际的情况中，重要的是要得到钢 轨对大地表面p 点的电压u 什。图中也绘制了该电压的u t p u 1 - e 的值。该电 压随着p 点与钢轨距离的增加而增加，并在参考大地的边缘降低到最大值 u t e 。 u t p u p e 厂=，完 一一一， v 4 b 毒b 毒 、l ， - 一 e t a p 图2 - 8 点p 和大地参考电位之间的电压u ，e 的特性曲线， 以及轨道和大地表面p 之间的电压u t p 的特性曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 3 3 人身安全评估 保护人体不遭受电击是最重要的。为了保证人身安全，在正常运行期间 和故障情况下，接触电压都不能超过允许电压值。为了满足保护的标准，有 必要安装适当的回流回路和接地系统。 需要计算运营和短路情况下的最大轨电位，以评估轨电位引起的危险。 对于稳定的运行牵引电流来说，牵引电流从车辆位置流入回流回路时，将引 起该点对地电位的增高。该电位差，也就是轨电位的大小，取决于牵引电流 和短路电流、轨道对地泄漏电阻以及车辆或接地故障距变电所的距离。通常， 轨电位先是随着车辆离变电所的距离增加而增大，在距离达到0 5 一- - 5 1 m 时， 达到最大值，然后基本上保持恒定，具体情况取决于接地状况。在变电所附 近发生短路时，短路电流最大，但此时轨电位为零。轨电位的绝对值仅在距 变电所几k m 处的过渡区域达到最大值。 为了评估轨电位引起的危险，必须考虑沿钢轨对大地电位的趋势。按照 i e c 6 2 1 2 8 - ( 1 ) 的规定，钢轨电压降与线路横向距离的关系如图2 8 。大地表 面对地电位u 仰的基本趋势，钢轨对大地表面的电位u 仰趋势与轨电位u 住有 关。在距外轨1 m 处u t p 的值对应的就是接触电压的值，u t e 的全部电压值只 有部分能够被人跨接。对于高压系统接地，一个人能跨接的最大距离被假定 为不超过1 m 。在距离l m 范围内，地表面的电势大于5 0 的钢轨电势。因此根 据欧洲标准e n 5 0 1 2 2 - i 铁路应用，固定地面设备，关于电气安全性和接地 的保护措施规定，钢轨电位没有超过允许接触电压的两倍时，则认为接触 电压符合标准。此规定见表2 - 1 。 、 表2 - 1 欧洲标准e n 5 0 1 2 2 - i 规定接触电压和轨道电位值 系统运行状态接触电压允许值轨道电位 正常运行状态下( t 300s ) 6 01 2 0 正常运行状态下( t = 30 0s ) 6 51 3 0 故障状态下( t = 10 0ms ) 8 4 21 6 8 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 4 接地系统 2 4 1接地体 2 4 1 1接地体和支柱接地的接地电阻 接地体是一个与大地电气接触的裸露导体或其它导电，或者埋入与大地 有大面积接触的钢筋混凝土结构里的裸露导体或其它导电元件。铁路系统中 的接地体可包括： 接触悬挂系统的支柱基础； 与钢轨并行安装的接地带； 自然接地地点，比如，金属管道，电缆壳，钢结构的零件，建筑物 的基础以及变电所接地系统。 安装在铁路附近、并连接到钢轨上的接地体增大了钢轨和大地之间的单 位长度泄漏电导。接地体的特性表现为接地电阻，它被定义为接地体和参照 物或远处大地之间的有效电阻。接地电阻取决于土壤电阻率风，也取决于接 地体的几何尺寸及接地体的设计。沿电气化铁道区段安装的接地带的安装深 度通常为1 m 的表层接地体。直径为b ，长度为l f 的接地带的接地电阻可由 下公式得出r b = p e ( 元e ) l n ( 4 l e b ) 。 接地棒是埋入或打入地下的接地体，比表层接地体更深，架空接触线支 柱的基础可被视为接地棒。每隔一段距离就有支柱立在打入地面几米深的钢 基础或钢管中。 支柱基础的接地电阻是牵引接地系统的一个重要部分。它们也被称为支 柱接地。为便于计算支柱基础的接地电阻估算值r m ，则假设为一个接地棒。 这样就可以使用下列公式计算深度为t e ，直径为d 的支柱接触的接地电阻 a r m = l i n ，对于矩形截面的基础，可通过把矩形的短边长代替直径得 z 瓜e d 到近似的接地电阻值。如上式所示，除了基础的几何形状外，土壤电阻率是 决定r m 的最重要因素。在干燥的地方，由于混凝土的土壤电阻率很高，安 装在现场浇注的混凝土基础上的支柱，接地基础可能为几百欧姆。而在打入 地下的钢桩上的支柱基础，其接地电阻为8 1 0q 。打入地下的钢管基础的 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 接地电阻也很低，和钢桩上的差不多。外径为5 0 8 r a m 的钢管基础，接地电阻 为2 - - - ，1 3q 。这些钢管的长度通常在3 5 m 到6 m 之间不等。 2 4 1 2单位长度的泄漏泄漏电导 基础接地电阻为r m 的所有支柱都是平行于线路的相互连接的接地体， 这些平行的接地体是单位长度有效泄漏电导的重要决定因素。人们曾经对钢 轨泄漏电导为典型值及不同类型的轨道上部结构的支柱接地电阻对单位长度 有效泄漏电导的影响进行过计算。选择r m 的范围为1 0 - - 5 0 0q ，这在实际情 况中比较常见，对每k m 有1 6 根支柱( 与线路电气连接) 的线路进行计算，结 果见表2 2 。 表2 - 2 假定每k m 有1 6 根支柱，不同接地电阻支柱的单位长度的泄漏电导s k i n 不同支柱接地电阻的有效泄漏电导 线路设计线路泄漏电导 1 0 2 05 0 1 0 02 0 05 0 0 混凝土轨枕轨道 o 0 11 6 10 8 1o 3 30 1 7o 0 90 0 4 2 道碴，一根钢轨绝缘 0 0 51 6 5o 8 5o 3 70 2 10 1 30 0 8 2 道碴，两根钢轨绝缘o 1 0 1 7 0 0 9o 4 2 0 2 7 o 1 80 1 3 2 道碴，钢轨不绝缘、1 0 02 61 81 3 21 1 61 0 81 0 3 2 在双线线路系统中，当两列车错车时，钢轨对大地电压出现叠加，使轨 电位增加一倍。标准e n 5 0 1 2 2 - 1 要求：对于交流牵引系统，在车站、建筑物 或非铁路金属结构附近，所有导电体，比如桥梁的扶手、信号机支柱等都应 该与钢轨相连，就是与大地直接连接。这个附加的接地导致这些区域的单位 长度有效泄漏电导值高于上述的计算结果。 2 4 2 接地系统设计与安装 2 4 2 1接地系统 安全保护措施很大程度上决定了交流电气化铁道的供电系统对钢轨回流 回路和接地系统的设计。在简单的回流线系统中，采用钢轨做回流回路，3 0 4 0 的回流流经土壤，可以采用在支柱上安装回流线的方法将这部分电流减少 至1 5 - - - 2 0 。在自耦变压器系统供电时，架空接触网和带电回流线间的传输 电压更高。带电回流线就是人们常说的正馈线。每隔l o 2 0 k m 安装一台自耦 变压器，将传输电压转换为接触线电压。相邻的两台自耦变压器相当于常规 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 供电系统供电区段两端的两个变电所。与吸流变压器供电系统相似，在馈电 所和回流线中的电流几乎相等，它们都减少了流经钢轨和大地的回流。吸流 变压器系统，将变比为i ：i 的变压器，每隔3 5 k m 接入架空接触线。其二 次绕组通过吸上线从钢轨将回流吸入绝缘的架空回流线中。返回变电所回流 大小接近于接触线的电流。在大部分区段流经钢轨和大地的电流很小。 交流电气化铁道中的回流回路是连到接地系统上的。其接地系统包括大 面积的接地体，如建筑基础、桥梁和高架桥基础、隧道钢筋及沿线路的接触 线支柱的桩基础。这些系统之间通过回流线互相连接形成了交流电气化铁道 系统的整体接地系统，并与下列接地相连： 中高压保护接地； 低压保护接地； 通信和信号接地； 雷电保护设备的接地。 虫l f i ： l f j 1r 回流线 ) 接触线 z 一簟哪2 j i 一一一 走痞轨_ ：一：t jr 一 一 一一 一 1 j_ 7oi，- 卜中高压保护接地2 一低压保护接地3 一通信和信号接地4 一雷电保护设备的接地 图2 - 9 交流牵引系统中的大地回流与接地 在交流牵引系统中，由于与线路的感性耦合和阻性耦合，大地也成为牵 引回流路径的一部分。部分钢轨回流流过与之相连的接地系统和土壤，导致 非铁路装置受铁路系统的影响而增大。流经大地的电流越强，铁路附近的其 它装置，如管道、电缆和设备等受感性耦合和阻性耦合影响的危险就越大。 为了解决这个问题，必须采用各种不同的方法以减少经大地流回变电所的电 流及其相关影响。 在架空接触网系统区域中，电气设备的外壳和导电部件被连接到铁路接 地上，以避免运行和断路时产生危险接触电压。图2 - 1 0 为满足这种要求的设 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 计接线简图。桥梁、隧道、变电所和支柱基础的各个接地系统都连接到回路 上，形成交流电气化铁道系统的综合接地系统，同时保证了回流回路的接地。 再鼻一：塑塑 甘带绝缀节管道甘带绝绫节管道 第三方设备 -_ 图2 - 1 0 交流供电的大地回流系统和接地的原理电路 2 4 2 2不同设备的接地原则 ( 1 ) 信号系统的接地 轨道接地只能在完全横向连接处实现，牵引网的回流也只能在完全横向 连接处与轨道相接。 由于断轨检查的需要，2 个完全横向连接之间的距离一般不得小于 1 5 0 0 m ；在车站和牵引变电所处可不小于1 2 0 0 m ；也可将这两种情况间隔布置。 如果间距在2 0 0 0 2 2 0 0 m 时，可以在中间增加1 个简单横向连接。简单横向 连接与完全横向连接之间的距离不得低于1 0 0 0 m 。 贯通综合地缆的接地电阻小于1q 。 ( 2 ) 牵引供电系统的接地 从变电所、开闭所、分区所和自耦变压器所的接地网，均引出2 路 2 x1 5 0 m m 2 铜缆，分别与上下行轨道的扼流圈中性点相连；上下行轨道的扼 流圈中性点用2 9 5 衄2 铜缆相连。 区间接触网支柱经架空地线( p w 线) 或回流线，与轨道进行回流完全横向 连接，p w 线或回流线到扼流变压器用2 7 0 衄2 铜缆；车站接触网支柱还应 单独和车站综合地线相连，实现双重接地。连接线用9 5 衄：铜缆；不能接入 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 综合地线的零星接触网支柱，距线路2 0 m 以上，单独打接地极，接地电阻2 0 q 。 ( 3 ) 电力电缆的接地 桥上电缆每隔i k m 左右在电缆头接地1 次；有动力照明的大桥变电设备 中心点和电力设备外壳接地。从电力电缆沟到贯通接地电缆的连接线由电缆 沟隔板的泄水孔穿过。 车站建筑物及区间通信、信号中继站的变、配电设备，其接地系统整体 接入综合接地系统。 隧道内电气设备接地，通过在隧道口将供电系统的中性线和贯通综合地 缆相连。 每根区间电力电缆( i k m 左右长) 的恺装钢带应就近与贯通地缆连接1 次， 从电力电缆沟到贯通综合接地电缆的连接线，山电缆沟隔板的泄水孔穿过。 ( 4 ) 金属隔离栅栏的接地 隔一个完全横向连接，接一次综合地线。 ( 5 ) 声屏障的接地 应根据需要，视情况就近与贯通地线相接。 ( 6 ) 车站建筑物的接地 除按建筑物接地的有关规定接地外，还应与贯通综合地缆相接。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 第3 章钢轨电位分布 目前，我国交流电气化牵引采用的牵引供电方式主要是直接供电方式和 自耦变压器( a t ) 供电方式，在上述两种供电方式下，牵引电流回流沿钢轨的 分布情况是不相同的，回流流经的通路也有所差别。但是无论哪一种供电方 式，地面的钢轨大地段都是牵引回流的必由之路，因此研究钢轨大地段牵 引回流分布及钢轨电位，对人身安全的评估，以及整个综合接地系统的设计， 都有重要的指导意义。 3 1牵引回流及钢轨电位的理论推导 下面分析我国现有的直接供电方式和a t 供电方式下沿线轨流分布的数 学模型，通过不同的边界条件，对钢轨电流和钢轨电位的数学表达式进行理 论推导。 接触网 大地y 图3 - 1 牵引回流模型 如图3 - 1 ，设距变电所l 处有一电流为i 。的列车；乙为钢轨自阻抗，i ( x ) 为x 处钢轨电流，v ( x ) 为x 处钢轨电位，y 为钢轨一地泄漏导纳，e 为由牵引 网电流在钢轨上引起的感应电压。不计变电所地网接地电阻的影响，考虑钢 轨向两侧无限延伸，则其分布参数电路所建立的数学模型为 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 - d v d ) 【( x ) = z r i ( x ) “ ( a ) l 一_ d i ( 一x ) = y v ( x ) l a x 式( 3 - 1 ) ( b ) 两边对x 求微分，整理后得 d v ( x ) 1d 2 i ( x ) 一_ _ - i _ l - - 一= 一_ - _ _ _ _ _ _ 一 d ) 【yd ) 【 把式( 3 - 2 ) 代入式( 3 - 1 ) ( a ) ，整理后得 _ d 2 i i _ ( x ) 一y z r i ( x ) ：y e 求解上式，可得： 基本解i ( x ) = a e + b e 一， 特殊解i ( x ) = 一手， 厶r 一般解为： p = a e r , , + b e - r , z e ： 【v ( x ) = 一z o ( a e 弘一b e 一肛) ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 式中，7 为钢轨传播常数7 = ( z r “2 ；z o 为钢轨特性阻抗z o = ( z r y ) “2 。 对于不同的供电方式，只要求出待定系数a 、b 和e 的值，就可根据式( 3 4 ) 得到钢轨电流及钢轨电位的分布。要想求出a 、b 和e 的值，必须明确牵引网 的电流回路划分，确立边界条件，根据牵引网结构弄清由接触网电流在钢轨 上引起的感应电压值。 3 1 1直接供电方式 直接供电方式示意图如图3 - 2 ，机车通过受电弓从接触网中取流，回流 流经变电所至机车所在位置的所有钢轨大地区段。直供方式下，牵引电流在 钢轨中的回流分布计算方法与建立模型时的方法完全相同。 设距变电所l 处有一电流为i 。的列车，z r 为钢轨自阻抗，z t r 为接触线 与钢轨间互阻抗，则接触线中电流在钢轨上引起的感应电压e = z m i 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 0 大地 x 图3 - 2 直接供电方式 边界条件为：x ：o 时，者= - z 。；x - l 时，未葺= z 。 分别代入式( 3 4 ) 可得待定系数 州一扣睾e 一肛卜扣睾 则直接供电方式下的钢轨电压电流分布为 f i ( x ) = 一半i 。( e - v x + e - r ( l - x ) ) 一屿 ，( 3 5 ) iv ( x ) = 一等z o i l ( e - 捧一e - ，( l 一勾) 式中，n 为耦合因数n = z t r z r 。 根据式( 3 5 ) 可画出钢轨电位和钢轨电流曲线，如图3 3 。 图3 - 3 直接供电方式钢轨电流和钢轨电位 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 3 1 2a t 供电方式 针对客运专线列车运行速度高、负荷电流大、行车密度高、供电臂长和 钢轨泄漏电阻大，近期本线和跨线高中速列车采用交一直一交动车组以及远 期将逐步过渡到全高速大功率列车的特点，通过在技术经济和运营成本等方 面进行全面比较，a t 供电方式在供电能力、减少电分相、改善电磁环境和降 低外部电源投资等方面的优势均比较明显，因此我国高速客运专线的正线优 先采用2 x 2 5 k v ( a t ) 供电方式。 3 1 2 1电流回路划分 要建立a t 供电方式下沿线轨流分布的数学模型，通过边界条件，对钢轨 回流和钢轨电位的数学公式进行理论推导，首先要明确牵引网的电流回路划 分。 自耦变压器供电方式示意图见图3 - 4 。接触网、轨道和正馈线，沿供电 臂接触网架设。a t l ，a t 2 为自耦变压器，变比为2 ：i ，其一端与接触网相 连接，中点与轨道相连接。接触网与轨道间的绕组匝数为，l ，! ，正馈线和轨 道之间的绕组匝数为n l ，n t = ，z 。绕组n t 和n 2 串连( 即原边) 接入电源，电压 为2 u ( 即2 2 7 5 k v ) ；绕组( 即副边) 接负载，电压为u ( 即2 7 5 k v ) ；绕组 ，l l 电压与绕组相同。两台自耦变压器之间的距离成为自耦变压器间隔( 自 耦变压器段) ，其长度用l 表示，一般为1 0 k m 左右。实际的a t 间隔按对通信 线防干扰即牵引供电的要求计算确定。 a t l三红 a t 2 ff 歹 熟11 州亭 l2 5 k v i k - x , r 三， 皇i 三k 如 三k j 一一 一 i 而1 m 7 工 图3 - 4 自耦变压器供电方式 接触线 钢轨 正馈线 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 为了简化分析，假定钢轨对地漏导为零，并忽略a t 漏抗。考虑到a t 漏 抗和钢轨对地漏电导对牵引网电气计算的影响在一定程度上是互相抵消的， 上述假定条件不会对最终计算结果带来明显误差。 由图3 - 4 可列出方程 i t i z l 。+ i r l z 2 x - i t 2 z l ( l x ) 一i 慰z 2 ( l x ) 一i f z 3 l = o i t l + i t 2 = i i t l = i r l + i f i 勉= 1 1 2 + i f i t l + i f = i ( 3 6 ) 式中，z i = z t + z 盯- 2 z m ；z 2 = 2 z r z 豫一z l t f ；z 3 = z f + - 2 z 盯。其中， z t 为接触线自阻