（电气工程专业论文）合宁客运专线综合接地性能测试研究.pdf

a b s t ra c t a b s t r a c t i no r d e rt oe n 蜘t h eh u m a na n de q u i p m e n ts a f e t y , t h ec o n c e p ta n dt h et e c h n i q u e o ft h ei n t e g r a t e dg r o u n d i n gs y s t e mh a sb e e ni n t r o d u c a 地li nh i l g hs p e e dp a s s e n g m d e d i c a t e dr a i l w a ye n g i n e e r i n gi nc h i n a h i g hr u n n i n gs p e e da n dd i s p a t c h i n gd e n s i t y l e a dt ol a r g et r a c t i o nl o a dc u r r e n t si nt h ep o w e rs u p p l ys y s t e m s m o r e o v e r , t h eh i g h s p e e dr a i l w a yw i d e l yu s ea d o p t , w h i c hh a sar e l a t i v eh i g hr a i ll e a k a g er e s i s t a n c et ot h e g r o u n d t h i sc a l lr e s u l ti nv e r yh i 曲e l e c t r i cp o t e n t i a lo ft h er a i l t h ei n t e g r a t e d g r o u n d i n gs y s t e mu s e st w ot oc o n n e c tt o g e t h e rv a r i o u sg r o u n d i n gs t r u c t u r e sa l o n gt h e 瑚i i l w a yp r o p e r l yt og u a r a n t e ee q u i p o t e n t i a ls t a t e so fd i f f e r e n ts y s t e m sa n de q u i p m e n t i t c a nr e d u c et h er a i lp o t e n t i a le f f e c t i v e l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o na n dd e s i g ns t a n d a r d so ft h eh i g hs p e e dr a i l g r o u n d i n gs y s t e ma b r o a d c o m b i n e d 、以廿it h ec o n d i t i o no fo u rc o u n t r y , i tp r e s e n t st h e i n t e g r a t e dg r o u n d i n gs y s t e ma n di t sm a i ns t r u c t u r ep a r a m e t e r s b a s e do nt h ei m m e n s e m e a s u r e dd a t ai nt h ef i e l do fh on i n gp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e , t h i sp a p e ra n a l y z e si t s g r o u n d i n gs y s t e m sp e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h et e s tr e q u i r e m e n t sa n ds o m ec u r r e n t d e s i g nr e f e r e n c es t a n d a r d s ，is t a t i c st h ed a t ao ft h er a i lp o t e n t i a l 、d e g r e eo fu n b a l a n c eo f r a i lc u r r e n t sa n dt h et r a c t i o nr 吼 u r nt a n r e n td i s t r i b u t i o no nt h en o r m a lr u n n i n g , t h e r e q u i r e m e n t sa r em e ti ni i g h to ft h et e s tr e s u l t s f u r t h e r m o r e , t h r o u g ht h es t u d yo f t h et r a c t i o nn e t w o r k , c o m b i n e d 谢mt h et r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e m sc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h et h e o r yo fc u r r e n tf e e d i n ga n de a r t h i n g , c o n s i d e r i n gv a r i o u sm e a s u r e st or e d u c et h er a i lp o t e n t i a li n f i e l dt e s t , s i m u l a t i o n p l a t f o r mi sp u tu p ，m a i n l yr e a l i z i n gc a l c u l a t es i m u l a t i o nw h i l et h et r a i nn o r m a l l yn l l l si n t h ea u t o t r a n s f o r m e rp o w e rs u p p l ys y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft e s t d a t a , c h a n g i n gv a r i o u sc o n n e c t i o n sr e l a t e dt ot h eg r o u n d i n gs y s t e m ，i tc a ns u m m a r i z e t h ee l e m e n t sa f f e c t i n go nt h er a i lp o t e n t i a l s u g g e s t i o n sa r ep r o v i d e ds p e c i f i c a l l yf o r d e s i g no fh i 9 1 1s p e e dp a s s e n g e rd e d i c a t e dr a i l w a y si n t e g r a t e dg r o u n d i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h es e c u r i t yc r i t e r i a t h et r a c t i o nn e t w o r ks i m u l a t i o na i m i n gt ot h ei n t e g r a t e dg r o u n d i n gs y s t e mc a nn o t o n l ya n a l y s i sw h e t h e rt h ed e s i g no fp l a n n e dr a i l w a ym e a s u r e su pt ot h ec r i t e r i ai nt h e o r y , b u ta l s ot e s ta n dp e r f o r m a n c et h ee x i s t i n gl i n e s ，s o 弱t oe n s u r ea p p r o p r i a t e l ya n d e c o n o m i c a ld e s i g na n ds a f eo p e r a t i o n k e y w o r d s ：p a s s e n g e rd e d i c a t e dr a i l w a y ；i n t e g r a t e dg r o u n d i n gs y s t e m ；r a i lp o t e n t i a l 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：砷年多月吁日 导师签名： 纭j 式融 签字日期：w 7 年多月垆日 致谢 本论文的工作是在我的导师吴命利教授的悉心指导下完成的，吴命利教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 吴命利老师对我的关心和指导。 同时杨少兵老师和万庆祝老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵 意见，在此也表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，麻建宗、迟美丹等同学对我论文中的数据采 集工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 还有就是感谢部队给与我这次学习深造的机会，首长和同志们的关心给与了 我极大的学习动力。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 绪言 1 绪言 1 1 国内外高速客运专线接地技术发展现状 高速客运专线通常是指时速2 0 0 k i n 及以上的铁路，具有高加、减速性能及对 列车运行实现全自动控制。它的设计、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。 德国法国日本的高速铁路对高速牵引网大电流的接地系统非常重视并各自形 成了适应于本土系统的回流接地概念【l 】。针对高速客运专线牵引负荷大的特点，欧 洲在铁路发展过程中建立了以e n 5 0 1 2 2 为代表的铁路接地的安全评价体系【2 】。普 遍采用了以等电位连接为主要手段，将铁路沿线所有设施的接地网连接在一起， 在铁路沿线敷设贯通地线，组成面积非常大的综合地网，来增强接地效果、确保 人身安全欧洲铁路的综合接地方式充分利用铁路沿线设施，降低了钢轨电位， 保证了人身安全和设备安全，而且降低了铁路各个子系统单独接地所需的工程投 资。对于场坪面积条件有限或高土壤电阻率山区等地区，采用综合接地优点特别 突出。 日本铁路不采用综合接地方式，这是与日本国家的电气化体铁路技术发展方 式有关。欧洲铁路的主要技术由国家铁路公司( d b 、s n c f 等) 掌控，注重建立 标准体系来促进技术发展。而日本铁路技术分布在铁建工团、各铁路公司和部分 大型企业中，铁路各子系统间缺乏综合性。在2 0 0 6 年的系统集成工作中，日本信 号系统专家就曾表示为避免牵引回流对信号设备产生不利影响，工作接地和安全 接地必须分开设置。在实际工程中，日本铁路采用了各铁路子系统接地相互独立、 相互隔离的方式，因而造成了日本高速铁路的钢轨电位较高，存在一定危险，日 方专家也承认此点，通过在车站、变电所设置放电间隙等措施来弥补，并通过立 法限制旅客和居民活动范围。日本铁路采用封闭式车站，旅客购票进入，站台两 侧设防护栏杆，铁路区问全封闭，人员擅自进入属于违法行为，将由警方处理。 我国，以高速客运为主的新一轮铁路建设周期随着国务院对中长期铁路网 规划的正式批准而逐步展开。我国客运专线采用了综合接地系统来达到各专业 接地系统的等电位连接。它是由综合贯通地线、接地装置及引接线等构成，通信 信号接地与强电共用的综合接地系统，是经过论证的合理有效的接地方式。由于 北京交通大学硕士学位论文 采用无砟轨道及整体道床，综合接地贯通线要合理、有效、可靠地布设于路基、 隧道和桥梁内，最终与大地可靠连接，达到接地电阻值要求。对于高速铁路日渐 升高的回路电流，引进和采用综合接地系统已是必然趋势，但是由于国外各国对 于综合接地系统标准的认识不一，我国也尚未形成正式的设计技术标准，仍处于 摸索和实践阶段。我国现有客运专线综合接地技术实施办法( 暂行) 【3 1 ，随着大量 高速铁路的在建，势必对相关标准有所修改，一起能在保证安全性上实现更加经 济稳定的接地方案。不断的对新建高速客运专线各项参数的测量能给以后的设计 和定标提供有力的实践依据。 1 2 采用综合接地技术的意义 高速客运专线牵引供电系统以下几点情况与常速铁路不同： ( 1 ) 列车牵引电流大。1 6 辆编组、3 5 0 k m h 速度的动车组的最大牵引电流可达 1 0 0 0 a 。 ( 2 ) 牵引网短路电流大。对于额定容量5 0 m v a ，阻抗电压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 8 k a ，变压器容量 增大，短路电流也相应增大。 ( 3 ) 钢轨一地漏泄电阻大。近两年，我国开始大力修建高速客运专线，由无碴 轨道的钢筋混凝土结构取代了由道碴铺垫的道床，钢轨对大地的泄漏电阻 大大提高，客运专线高架区段多，一般采用无碴轨道，道床绝缘电阻大。 对于客运专线，通过轨道电路传输各种列车运行控制信息，也要求两轨之 间及轨对地间有良好的绝缘，需加强日常清扫维护，导致绝缘电阻大。 如果客运专线不采取措施防护结构内部的钢筋，增加钢轨接地或降低钢轨电 位，远端短路或雷电将导致钢轨电位升高，可能威胁人身安全，烧毁结构物内的 钢筋，破坏混凝土强度结构。在站内区段还有可能使乘客受到电击造成危险。过 高的钢轨电位还将损坏信号等运输设备，威胁行车安全。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，会破坏线路的稳定性。 还因为场地的限制，无法布置其他接地装置，而且各独立接地体的电位差也会对 设备造成危害。 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。客运专 线列车运行速度高、行车密度高、牵引电流大、短路电流大的这些特点必然造成 钢轨电位要比现有的电气化铁道高得多，从而对旅客及相关电气设备的安全构成 威胁。综合接地系统将各专业所有的被保护对象都一并连接在一个安全的接地网 络上，但不同的接地都需要从接地装置处的等电位点相互连接，通过各接地极或 2 绪言 接地体等电位连接，电流直接由接地线通过等电位接地体对地放电，避免漏电或 过电流，从而达到接地的目的。接地装置的安装，必须确保接地阻值在设计范围 之内，具备安全、可靠的优点，而且需要通过定期的测量确定接地可靠性【4 5 6 1 。 1 3 本文主要完成的工作 针对综合接地系统的特点以及本文题目的要求，在完成本文的过程中，我完 成以下几点工作： ( 1 ) 查阅文献，针对高速铁路行车密度大，牵引电流大造成的钢轨电位增高对 乘客工作人员人身威胁等一些负面影响，了解国内外高铁接地系统的技术 特点并做出相应的归纳总结。 ( 2 ) 学习牵引网的结构特点，尤其是目前国内高速铁路陆续采用的a t 供电模 式，分析综合接地系统各项参数对于该系统标准评价参数钢轨电位和牵引 回流分布的影响。 ( 3 ) 参与测试合肥南京( 合宁线) 综合接地系统与牵引回流系统基础参数；在 列车运行过程中测试综合接地系统的动态性能，掌握钢轨电位、钢轨电流、 综合地线电位、电流、保护线电位、保护线电流的分布与分配规律。校验 综合接地系统降低钢轨电位的效果； ( 4 ) 通过对牵引供电系统模型的学习，搭建仿真平台，实现对供电线路的搭建 和仿真，结合实际线路的测试结果，对比分析，得出改善钢轨电位的措施。 为今后客运专线的综合接地设计提供参考，为关键技术参数的选择提供依 据。 1 4 本章小结 通过对欧洲和日本的高速电气化铁道接地系统应用情况的研究，在我国高速 客运专线飞速发展的大背景下，大牵引电流、高行车密度在日益强调“以人为本” 的高速客运专线中是一个必须重视的课题，提出综合接地系统技术的采用是势在 必行的。但是我国尚未有正式的针对综合接地技术的设计实施标准，而结合这一 实际情况引出的本论文就是要抓住少有的对新建线路的参数测试机会，对采用了 综合接地技术的线路进行全面的分析，结合理论仿真计算，对其实际性能作出评 估，从而保障客运专线的稳定安全运行，也为拟建线路的设计施工提出可行性建 议。 3 铁路综合接地系统 2 铁路综合接地系统 研究电气化铁道综合接地系统，重点在于它的牵引回流分布和钢轨电位，这 是评价一条铁路接地性能的重要标准，在这次合宁线综合接地测试也主要是以钢 轨电位和轨回流的分布作为主要的测试项目。针对合宁线的a t 供电方式，以下概 念均以a t 网络为分析基础。 通过对现有资料的了解和研究，目前国内已经采用综合接地系统的线路有合 宁线、京津线和武广线等，在建的客运专线也是采用的综合接地技术，主要考虑 的是保障人身和线路的稳定运行。运行有动车组的高速客运专线特点就是行车密 度大，线路电流大，这样就必然带来两个问题： 1 牵引回流。回流电流对地网的影响，回流电流的分布势必会造成地网电位 的不相等，这样就必然会对人身及沿线设备的安全造成威胁，这是对安全 要求较高的客运专线所不能忽视的。另一方面，电位差会引起信号、测量 和保护装置的误动作，这也对列车正常运行提出了考验。 2 钢轨电位。钢轨作为牵引网主要的地面设备，裸露在外面，它的电位是不 可忽视的参数。客运专线的高速多节动车组带来的大电流能显著的抬升钢 轨电位。要保证沿线人身设备安全，势必要降低钢轨电位。 在引进综合接地技术后，通过回流线、横连线和接地线的互连，能够大大的 降低钢轨电位，但是由于对钢轨做了比较多的连接，这样引起了钢轨电流不平衡 度的增大，同一线路上两条钢轨交流电流的差会产生变化的磁场从而会影响同样 通过钢轨传递的通信控制信号，也会造成列车运行故障。 通过对高速客运专线实际情况和相关问题的分析，下面对对综合接地系统应 考虑的关键参数做以下介绍。 2 1 牵引回流 在牵引网中，电力机车的电流是经过牵引变电所经馈电线、接触网送给电力 机车然后沿轨道，大地与回流线流回牵引变电所的【7 】【引。轨道与大地形成并联回路。 在传统的供电系统中，钢轨回流系统最为常用。 回流回路一般有如下几个途径： ( 1 ) 钢轨； ( 2 ) 与钢轨并联的架空导线和埋地导线； ( 3 ) 大地回流；钢轨对大地为半接地状态，而且接地又非集中乃是分散的， 5 北京交通大学硕士学位论文 二者之间通过漏泄电阻有机地耦合在一起，这样大地也成了回流的一 个重要途径。 传统的a t 供电系统的网络如下图2 1 所示，t 为接触网，r 为轨道，p f 为正 馈线。 l支 ， 3 0 0 s ) 6 01 2 0 正常运行状态下( = 3 0 0 s ) 6 51 3 0 故障，短时情况( o 1 s ) 8 4 21 6 8 4 2 3 钢轨电流不平衡度 针对于通信控制专业的设备( 9 】，它的传输路径基本是以钢轨为载体，由于钢轨 的集肤效应，轨道内外磁场形成内外电感，因钢轨本身对地阻抗不一致，钢轨连 8 铁路综合接地系统 接接触电阻大小不一致，钢轨周围环境不一致，导致两根钢轨传输阻抗不一致等 诸多因素，引起两根轨中电流大小不一致，这种不一致会使两根钢轨之间产生电 位差，由于信号是通过钢轨来传输的，这种电位差产生的磁场会干扰信号的传递 而影响控制设备的正常运行，严重时将会影响到行车安全，根据z p w - 2 0 0 0 系列无 绝缘轨道电路技术条件【姗，设计只允许牵引电流不平衡系数为5 以下。 钢轨电流不平衡度的公式如下： i a i b q - - 了_ 木1 0 0 厶+ 如 ( 2 1 ) 式中：i a 、i b 为铁轨的牵引电流；1 为不平衡系数。 2 4 接地体及接地电阻 接地体是接地系统的重要部分，担负着电气设备接地系统与大地的连通作用， 使电气接地系统和大地都处于零电位。大地具有非常大的容纳电流的能力，是理 想的零电位，无论往大地注入多大的电流其电位都保持为零。良好的接地能够 将绝大多数事故电流电压导人大地，保证用电设备和人身安全。否则会带来诸多 安全隐患。接地体是一个与大地电气接触的裸露导体，或者是埋入与大地有大面 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： l 接触网悬挂系统的支柱。 2 自然接地地点。比如，变电所接地系统，用于信号通信的接地网，金属管道， 电缆壳，钢结构的零件，建筑物的基础等。 3 在综合接地系统中则还有接地导线，即综合贯通地线，用来连接所有接地设 备，以达到等电位连接。 接地体的特性表现为接地电阻，它是指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p ，也取决于接地体的几何尺寸及接地体的设 计。比如在土壤干燥的地方，混凝土的土壤电阻率很高，现场浇注的混凝土支柱 其接地电阻能达到几百欧姆，而相对于混凝土浇注的支柱，打入地下的钢桩和钢 管的接地电阻只有几欧姆。 9 北京交通大学硕士学位论文 2 5 接地原则及总体要求 电气化铁道综合接地系统基于高铁过车电流大，行车密度大对于周边设备带 来的影响，在不影响通信等弱点系统的正常运行的前提下在距离接触网1 0 m 范围 内的所有电气化，通信，信号，道岔，给排水等相关设备和其他的金属结构或者 建筑物的金属地基均应连接在一起实现等电位连接，同时还应注意强电对于弱电 的影响而分开连接。要采取可靠的绝缘或者隔离措施来排除第三方设备和综合接 地系统的相互影响。不仅是在设计时，在施工过程中也要适时测量各接地点的接 地电阻，其大小应不大于1 q 。 2 6 综合接地系统的范围 回流线 铁路沿线护栏等其他金属 金属结构链接设备 通地线 沿线通信设备接铁道道岔及电 地网连接控制箱 图2 _ 4 综合接地系统涉及的内容 f i g 2 _ 4t h ec o n s i d e r e dc o n t e n t so fi n t e g r a t e dg r o u n d i n g s y s t e m ( 1 ) 接触网专业：一般包括了接触网相关专业的接地，如吸上线，支柱，点连 接控制等。牵引变电所内设集中接地箱，与接触网p w 线、钢轨通过回流 金属导体相连接。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1 5 0 3 0 0 m 上 下行并连一次，并接入综合接地系统。无碴轨道：根据德国的规范规定， 各种类型的无碴轨道板内至少有一根纵向钢筋要求全线贯通，并且每隔一 定距离引出接线端子和综合贯通地线相连【1 0 1 。 ( 2 ) 通信信号控制专业：通信电缆，及沿线的通信设备接地网，道岔控制设备。 1 0 铁路综合接地系统 由于高速列车运行时的电流大，密度也大，导致其变化的强电流对于相对 而言弱电的通信信号设备的影响也很大，为了保障正常运营和列车信号控 制接收，这些相关专业也必须纳入到综合接地系统中。 ( 3 ) 第三方设备：距接触网带电体5 m 范围以内的金属结构，距线路两侧2 0 m 范围以内的铁路设备房屋的接地装置必须接入综合接地系统。如果铁路和 公共电网的接地系统不可能分开，电气化回流回路也应该与公共电网的接 地系统互相连接。车站内的轨旁设备应尽量接入车站综合地体系中。 还有一部分不能介入铁路综合接地系统中的第三方设备，应采取可靠的绝缘 或者是隔离措施。如果在接触网区域内还架设有其他金属部件，比如桥梁、公路 等的吊索，也应该采取特殊的接地措施来保护行人的人身安全。 2 7 本章小结 高速客运专线与普通铁路最大的区别在于，它更强调人身安全。因此现在采 用的综合接地技术主要考虑的就是钢轨电位，通过它形成机理的研究能够初步的 找到钳制钢轨电位的一些客观因素。同时合理的牵引回流接线同样保证了钢轨电 位处在安全范围内。安全运营的首要前提是控制信号的稳定传递，从信号设备角 度提出的钢轨电流不平衡度也是综合接地系统接线时必须注意的。本章从总体概 念上提出了综合接地系统的所应考量的物理量：钢轨电位，钢轨对地漏泄电阻， 牵引网回流分布等和它所应纳入的沿线设备。在下一章节，结合实际的测试项目， 具体的介绍了综合接地系统的应用情况。 综合接地测试技术 3 综合接地测试技术 对于综合接地系统的测试，必须重点考虑的是土壤电阻率、钢轨漏泄电阻、 钢轨的电位与电流、各导线的电流。本章节具体的介绍了以上几个参数的测试原 理的方法。结合工程实际情况提出了比较合理的接线方式 3 1 土壤电阻率 接地电流主要通过土壤散流，土壤电阻率决定了土壤的散流性能，因此测量 土壤电阻率是接地研究的基础。现在常用的土壤电阻率的测试方法一般有两种： s c h l u m g e r g e r 测量法和w e n n e r 测量法。通过文献【l l 】了解到，在把电压极距离作为 比较的基础，如果保持两外部电流极之间的距离不变，那么就会发现用w e n n e r 法 测量的误差较小：例如当电流极距离为9 0 0 m 时，对应于电流电压引线距离分别为 l m 、1 0 m 、3 0 m 时用w e n n e r 法测量时误差分别为2 7 4 、1 5 4 和1 0 2 ；而用 s c h l u m g e r g e r 法测量时误差分别为3 1 8 、1 8 2 、1 2 1 。因此针对客运专线测量 土壤电阻率采用的是w e r m e r 法。 如下图3 1 所示，从两个外露的电极往土壤注入电流，测量两个电位探针间电 压，这两个电位探针以直线的方式排列放置在注入电流电极之间。当两电极往中 间靠近时，测量到的土壤电阻率反映了局部的表面土壤参数。当两电极分开时， 测量到的电阻率反映了较大一块区域内深层土壤的平均参数。 测量电源 乡 电压表 厂- ( 卜一 -。电流电极 f 电压探针 忠压探针 电流电极 ， 、，、 n 7、，、 ， 口 口 口 图3 - 1 土壤电阻率的测试 f i g 3 1t e s to fs o i lr e s i s t i v i t y 1 3 北京交通大学硕士学位论文 3 2 钢轨漏泄电阻 对钢轨漏泄电阻的测量，总的方法是开路短路法。而根据测试设备的不同，又 可分为相位表法、两电压表和一电流表或两电流表和一电压表等方法。在实际测 量中我们采取的是用工程简化法一开路法【1 2 】来测量钢轨对地漏泄电阻，其测量 方法： 取l k m 钢轨，两端断开。测量设备接法如图3 2 。测量地和电源地应远离。 曲阻j 1 ” l r 1 - 一 图3 - 2 漏泄电阻测量 f i g - 3 2t e s to f l e a k a g er e s i s t a n c e 钢轨是分布参数电路，设7 , 2 2 为单位长钢轨自阻抗( d a c m ) ，k 为单位长漏泄 电阻( q k m ) ( 单位长漏泄导纳y = l r g ( s k m ) ) 。在钢轨始端，电位 u = u 2 c h r t + z o l 2 幽 ( 3 1 ) 电流 廿 2 c h f l + 争洲 厶“ 式中，卜。钢轨长度( k r n ) 。末端开路时，1 2 = 0 。将其代入式( 3 2 ) 得 厶= 尝妫 即 u 2 = z o i l s h t t 将1 2 = 0 代入式( 3 - 1 ) ，得 1 4 ( 3 _ 2 ) ( 3 _ 3 ) ( 3 4 ) 综合接地测试技术 u = 幽 ( 3 5 ) 将式( 3 4 ) 代a ( 3 - 5 ) ，得 阢= z o s h t t 幽矽 即 鲁= z ：o 枷矽 ( 3 6 ) 当w 比较小时，有嘶z 仙将其代入式( 3 - 6 ) ，得 鲁= z ：o 矽 ( 3 - 7 ) 当，= l k m 时， 鲁= 鲁篁援= 心 佟8 ， l l曩 0 z 垃ir | i 、 式( 3 - 8 ) 表明，测量得到的u l 除以i l ，就是钢轨的漏泄电阻。当l = l k m 时， l 皆u l f l l 1 。严格地说，钢轨对地有分布电容，它与并联，式( 3 - 8 ) 中的r g 应是 z g 从z g 里剖去电容才是k 。对t 频，电容作用极小，可忽略。 3 3 钢轨电位电流 电力机车是运行在钢轨之上的，因此在考虑钢轨的电气参数测量时，电流是 不能够直接读取的，考虑到钢轨电位和电流的瞬时值会很大，在测量时一般考虑 使用电压和电流互感器将输入信号转换成幅值较小的电压信号记录下来。钢轨电 位可以直接从钢轨取电压信号，以大地远端为零电位，电流信号一般从扼流变压 器进线端选取，通过电流钳采集进录波设备。测试方法【1 3 1 如下图3 - 4 所示，一根 测量引线通过钢轨接地线夹与钢轨相连，另一根测量引线与远端的参考电极相连， 通过测量两根引线的电位差可得到钢轨的电位。钢轨的绝缘节处有通往轭流变的 引线，在该引线上穿入电流钳则可以测得通过钢轨的电流。 1 5 北京交通大学硕士学位论立 图3 4 钢轨电位与电流测试原理 f i g 3 - 3 t e s t i n g p r i n l e o f r a i l p o t 如l l a la n dc u r r e n t 3 4 综合地线 圈3 4 钢轨电位与电流测试现场接线 f i g3 - 4 w i r i n g 曲目m n o f t a l l p o t e m i a la n d a l r 嘲i i n 同e d 电位与电流的试验方法与钢轨相同， 获得电流信号则要利用钳式电流互感器。 电位信号的获得可利用引出的接地母擗， 实际测量时是将综台地线从埋设的土壤 中挖出，从同一地点的综合地线引出电压测量引线和电流测量引线。试验电流时 井未将综合地线断开，通过钳形电流互感器将电流信号引入测量装置。 蔫蛰 综合接地测试技术 图3 - 5 综合地线电位与电流涮试原理及现场接线 f i 9 3 5 t h e t e s f i e g p 血d 脚e a n d w i n n g d i a g m n o f t h e m - 曲蛐曲g t o t m d i n g w i r e s 8 p o t e n t i a la n d c u r l 龃t i n f i e l d 3 5 架空线 架空线由于其高压大电流的特点决定不能直接从线上取流，必须通过柔性电 流互感器取信号，再通过比倒换算来得到实际线路的电压和电流。其电位与电流 的试验方法如下图所示，在接触网停电时，将一根电位测量引线与回流线相连， 另一根电位测量引线与远端的参考电极相连通过测量两根引线的电位差可得到 回流线的电位。通过穿入回流线钳形电流互感器可以测得通过回流线的电流。 图3 - 6 回流线电位与电流糟试原理与现场接线 f i g3 - 6 t h e t e s t i n g 面n c i p l ea n d w i , 面g d i a g r a m o f t h e t r = a c t i o n i m t u r o w i r e s p o t e t t i a la n d c u i t e i l t i n6 e l d 北京交通大学硕士学位论文 3 6 支柱接地电阻 接触网的主要承力结构为支柱，架空线均架接在支柱上，那么它的接地电阻 也会影响到整个接地系统的效果。从钢筋混凝土支柱引出的接地线上引出电流源， 以大地远端为零电位，通过电压表的数值就能算出支柱接地电阻的值，其测试原 理圈和接线图如图3 7 所示。 函 图3 4 支柱基础接地电阻的测试原理及现场接线 f i g3 - 7 t h e t e s t i n g 州n 啷k a n d w i r i n g d i a g r a m o f t h e p i l l a r f o u n d a t i o n 8 9 r o u n d i n gr e s i s t a n c e i n f i e l d 3 7 本章小结 本章结合综合接地系统所应考虑的参数，给出了相关元件的测试原理和方法。 针对测试量的特点，选取了不同的信号采集方法。在下一章节的合宁线综合接地 测试的介绍中，这些方法均是现场测试中采用的，效果比较理想。 合宁线综合接地测试性能分析 4 合宁线综合接地测试性能分析 本章节在结合前面所考虑到的综合接地系统关键参数的前提下，通过实际测 试项目合宁线综合接地测试，来详细介绍综合接地技术。通过对合宁客运专 线开行货物列车和动车组条件下各牵引回流导线的电位和电流等内容的检测，从 降低钢轨电位，提高牵引供电系统的安全性和改善对通信信号系统的影响方面对 合宁客运专线综合接地系统技术指标进行评价。 4 1 合宁客运专线综合接地测试的意义 合宁客运专线是国内首条采用a t 供电方式的高速铁路，也是首条采用了综合 接地系统的线路，主要构成为回流线、p w 线、钢轨和综合贯通地线作为它的接地 系统。沿线其他电气设备均通过连接线统一连接到综合地线上以实现所有接地的 等电位连接。 结合高速铁路牵引电流大，造成钢轨电位升高，对信号与通信等设备造成影 响的特点，以及设备地线种类增多、数量增大等因素，本着。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。客运专线的相关专业设施应设计并保证合理的回 流接地及等电位平衡控制措施，形成可靠的钢轨工作回流并联通道、大电流安全 闪络保护的综合接地系统，以确保接触网系统正常运行时各系统的正常运行。使 轨道电位降低至安全标准范围内，并在发生闪络接地或其他故障接地时能可靠跳 闸，保护人和设备安全。通过对中国客运专线采用综合接地系统的可行性、总体 方案、客运专线综合接地系统工程实施方案及设计标准进行大量的理论研究及现 场试验，提出适应我国安全规范和兼容信号、电气化要求的接地体系。 4 2 合宁线概况 合宁铁路是以客为主，客货共线的2 5 0 k m h 快速铁路，是沪汉蓉高速铁路通 道的一部分，同时也是宁西铁路的一部分，是国家规划的“四纵四横 快速客运网 的重要组成部分。线路自合肥枢纽三十里铺站引出，向东经肥东县、巢湖市、全 1 9 北京交通大学硕十学位论文 椒县，于京沪线既有永宁镇站北端接入南京枢纽永宁技术作业站，全长1 6 6 3 5 7 k m 。 其中，2 0 0 k n o b 区段为k 1 0 8 0 + 3 0 0 k 1 1 8 0 + 1 3 0 ，即肥东亭子山2 号隧道南京端 6 0 0 m 处。线路平面位置示意图见图4 1 。 图4 i 台宁线平面示意图 r g 4 - 1p l a n e d i a g r a m o f h e - n i n g p l g e r d e d i c a t e dr a i l w a y 台宁线的主要技术标准为铁路等级i 级，双线，限制坡度6 最小曲线半径 4 5 0 0 m ，电力牵引，牵引质量4 0 0 0 t ，到发线有效长度8 5 0 m 、预留1 0 5 0 m ，自动闭 塞，建筑限界满足开行双层集装箱列车条件。设计行车速度动车组为2 0 0 k m h ，正 线线间距46 m ，限界、桥涵、隧道结构物预留提速2 5 0 k m h 条件，货车设计速度 不超过1 2 0 k m h 。 4 2 1 合宁正线 合肥枢纽内合肥( 不含) 三十埠肥东( 不舍) 段采用a t 供电方式，设三 十埠a t 开闭所1 座；合肥东( 不含) 三十埠( 不古) 段采用带回流线的直接供 电方式，合宁正线肥东( 含) d k l 0 8 0 段采用a t 供电方式设肥东+ 6 ( d k l 0 9 0 k t a ) 、 马厂+ 9 ( d k l l 5 0 k i n ) a t 牵引变电所2 座，栏杆集+ 3 ( d k l l 2 0 k i n ) 、全椒+ 1 6 ( d k l l 8 0 k i n ) a t 分区所2 座，a t 所3 座( d k l l 0 5 k i n 、d k l l 3 5 k i n 、d k l l 6 5 1 m a ) 。 南京枢纽内d k l 0 7 7 永宁( 不含) 段采用带回流线的直接供电方式，既有永 宁直供牵引变电所扩建直供馈线3 条。 牵引变电所采用2 2 0 k v 、三相v x 接线牵引变压嚣。 42 2 导线参数 合宁线综合接地测试性能分析 接触网正线采用全补偿弹性链型悬挂，站线采用全补偿简单链形悬挂。正线 接触线线材采用c t s h 1 5 0 铜锡合金接触线( 张力2 5 k n ) ，承力索采用j t m h 1 2 0 铜合金绞线( 张力2 0 k n ) ，站线接触线线材采用c t s h l 2 0 铜锡合金接触线( 张力 1 5 k n ) ，承力索采用j t m h 9 5 铜合金绞线( 张力1 5 k n ) 。附加导线采用铝包钢芯铝 绞线。 4 2 3 接地设置 接触网p w 线接地及隧道内悬挂接地纳入综合接地系统，通过吸上线在每个 闭塞分区与综合贯通地线相接。 合宁线合肥站( 不含) 永宁镇站( 含) 正线采用综合接地系统。南京枢纽相 关线路、合肥枢纽内合肥东至三十里铺站、三十里铺至撮镇站间采用信号贯通地 线。供电制式a t 供电。合肥站( 不含) 冰宁镇站( 含) 正线的桥、隧、路基地 段及车站范围内均铺设有5 0 r a m 2 的综合贯通地线，将铁路沿线的牵引供电回流系 统、电力供电系统、信号系统、通信及其他电子信息系统、建筑物、道床、站台、 桥梁、隧道、声屏障等的接地连成一体。部分桥梁单设接地极，部分桥梁利用基 础中的结构钢筋作为接地极。隧道地段以其部分非预应力结构钢筋作为接地体。 路基地段贯通地线埋设在电缆槽下方，桥梁、隧道地段贯通底线敷设在电缆槽内。 牵引变电所、分区所、a t 所、开闭所接地装置以水平长孔接地网为主，在设 备集中接地附近及接地网外沿敷设垂直接地体。接地网采用铜材质。 牵引变电所接地网的接地电阻按不大于0 5 q 设计，并校验接触电势和跨步电 势，若不满足要求的应按高土壤电阻率考虑并采取相应措施；a t 所、分区所及开 闭所的接地电阻应满足规范要求。接触网p w 线每隔1 2 0 0 m - 1 5 0 0 m 通过完全横 向连接的扼流线圈中性点与综合地线连接一次。为充分降低支柱电位，在两个完 全横向连接之间每隔3 0 0 m 5 0 0 m 保护线与综合地线连接一次。 4 3 测试标准 前文已经提出了综合接地系统的关键考量参数为钢轨电位、牵引回流和钢轨 电流不平衡度。本次测试的主持方铁二院提出了同样的检测衡量标准基于综 合接地项目的测试它主要考虑的就是钢轨电位的值以及对于钢轨电位做的连接对 通过钢轨来传输的通信信号的影响。因此主要有以下两个标准。 ( 1 ) 钢轨电位。钢轨电位的大小直接影响到周围电气设备的电位大小以及它对 2 1 北京交通大学硕士学位论文 于附近人员的人身安全。根据e n5 0 1 2 2 1 铁路应用一固定设施第l 部分： 电气安全和接地相关的保护性措施： 钢轨电位：正常、长期情况( 3 0 0 s ) ，小于1 2 0 v ；故障情况( 0 1 s ) 小 于1 6 8 4 v 。 ( 2 ) 钢轨不平衡电流。信号的传递是由磁场来影响的，等值同向的交流电流在 两根钢轨传输，他们产生的磁场能够抵消，但是一旦两根钢轨的电流不平 衡度过大，那么它将严重影响同样通过钢轨来传递的控制信号。而现代高 速客运一般都是自动化控制，靠人力操作的动作十分有限。因此基于安全 考虑，根据z p w 2 0 0 0 轨道电路技术规程【1 4 】，轨道电流不平衡度应小于 10 。 4 4 测试情况 本节介绍了合宁线的网络图，结合现场实际情况选取了相应的所内外侧点， 以便选取具有代表性的测试数据，在测试所选择的供电臂上 4 4 1 测点布置及其等值网络 根据合宁线牵引供电方案、牵引变电所、a t 所和信号设备的布置特点和提速 区段位置，选择具有代表性的地点进行检测。所有测点选择在华兴牵引变电所合 肥方向供电臂范围内。各测点位置和公里标见图4 2 ，所选区间的等值网络如图4 3 ： 栏杆集站分区所 滁河大桥 小店 = r 所 黄庵站 华兴牵变 分区所测点 4 0 3 + 9 5 0 d k l l l 9 + a t 所测点 3 8 8 + 7 0 0 d k “3 5 + 图铊测点分布 f i g 4 - 2l o c a t i o no ft h et e s t 牵引变电所测点 3 7 2 + 5 0 0 d k l l 5 l 台宁线综合接地测试性能分析 21 37e 瞄4 0 华兴栏杆集供电臂暇络围 f i