网站原创摘 要：本文主要分析了高速铁路在不同的供电方式下,容易出现的问题及产生的影响,在此基础上提出了解决的措施和建议,希望通过相关的改进措施达到更好地保护铁路沿线人员和设备安全的目的.
Abstract：Thispapermainlyanalyzesthepossibleproblemsofthehighspeedrailwayunderdifferentpowersupplymodeandproposessolutionsandsuggestions.Itishopedthatthesafetyofthepersonnelandequipmentalongtherailwaycanbebetterensuredthroughrelatedimprovementmeasures.
关 键 词：接触网回流；供电方式；钢轨电位；回流不畅；迂回电路；人身和设备安全
Keywords：overheadlinesystemreserve-flow；powersupplymode；railpotential；impededreserve-flow；circuitouscircuit；personnelandequipmentsafety
中图分类号：U223.6文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）12-0164-04
0引言
从实际应用来看,接触网主要是一种输电线路,具体来说,在使用过程中,沿着铁路线架设,向电力机车输送动力.其功能是将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车.因接触网的电压等级一般在25kV到30kV之间,属高压等级,因此,为保证人身和设备安全,必须配套设计安全可靠的回流装置,以此与接触网构成接触网回流系统.
在我国现行铁路交通网络中,接触网回流系统按牵引网设备类型可分为直接供电（DF）方式、带回流线的直接供电（DN）方式、吸流变压器（BT）供电方式、自耦变压器（AT）供电方式和同轴电缆力电缆（CC）供电方式等.其中带回流线的直接供电（DN）方式经现场实践是简单稳定的供电方式,这种方式被普遍应用到普速及客运专线和城际铁路牵引供电系统中,它既包含大地回流、钢轨回流,又增加了可靠的回流线吸流回流,钢轨既支持列车运行,又是导线,由于钢轨与大地没有绝缘,钢轨、大地一起接受机车的牵引回流；回流线把钢轨、大地中的牵引回流引入牵引变电所的主变压器.现在大部分铁路列车的行驶速度和行车密度加大,在这种情况下,使用电气化动力的机车运行,会由于电流问题和电流故障导致一定的运行安全隐患.钢轨电位不能够得到有效的控制,从而在很大程度上加剧危险事故.从这种情况来看,在列车的实际运行过程中,如果不对过大的电流和电压采取合理有效的防治方式,就会给机车设备和工作人员带来危害.在本文的分析研究中,通过设计科学的回流系统,进而在一定程度上,保证回流系统的顺畅,实现轨道电位的平稳降低,从而提高铁路沿线设备和工作人员的安全性.
1交流牵引供电系统的供电回流方式
交流牵引供电系统是交流电气化铁路从电力系统接引电源,降压转换后给电力机车供电的电力网络.我国交流电气化铁道大多使用的是工频单相交流制.接触网架在铁路上方,机车受电弓与其摩擦受电；钢轨既支持列车运行,又是导线,由于钢轨与大地没有绝缘,钢轨、大地一起接受机车的牵引回流；回流线把钢轨、大地中的牵引回流再一次引入牵引变电所的主变压器.
牵引网供电方式的确定,需要考虑的因素较多,例如对于特殊供电功能的分析、供电经济性和安全性的分析,铁路运行区域的分析,这些因素,对于供电方式的选择,均有着非常重要的意义.从目前的实际情况来看,在大部分电气化铁路运行设计中,使用的是单边供电.
1.1直接供电方式这是一种最简单的供电方式,牵引网仅由接触网、钢轨（地）、吸上线组成,如图1所示.
1.2带回流线的直接供电方式这种供电方式是BT-回流线供电方式的简化形式,从技术层面来看,这种供电方式也可以说是直接供电方式的一种改进.一般在接触网上方或者外侧偏上架设.回流线与钢轨间的横连线间隔可视具体情况确定,一般可按1.5-5km设置.如图2所示.
带回流线的直接供电方式能使钢轨电位大为降低,对通讯干扰有较好的抑制作用,其效果与回流线的布置方式、根数,横连线的间隔及有无串联补偿有关.带回流线的直接供电方式由于没有吸流变压器,降低了牵引网的阻抗,使供电臂延长约30%,同时回流线断线不会影响正常供电,这与BT供电方式不同.研究和实践表明,这是一种有前途的供电方式,应用也较为广泛.
1.3BT供电方式BT供电方式即吸流变压器供电方式,有两种形式：有回流线形式和无回流线形式,分别如图3和图4所示.BT都是串入接触网的,间隔为1.5-4km,用于吸回地中电流,减少通信干扰.我国采用的BT供电方式都是BT-回流线方式,而英国、法国、瑞典两种方式都有应用,挪威只用BT-钢轨方式.
BT区段因为有吸流变压器“强迫”钢轨、大地中的电流经由回流线流回牵引变电所,钢轨和大地中的电流很小,大大减轻了对通信线路的干扰.BT供电方式增加了接触网的复杂性,提高了造价,因接触网中串联了吸流变压器,牵引网阻抗变大,接触网末端电压下降较快,供电臂长度将减小,约为直接供电方式的3/4.另外,因为存在火隙,所以不利于高速、重载等大电流运行.因此,BT供电方式近年来在新建线路已不再采用.
1.4AT供电方式自耦变压器供电方式简称为AT供电方式,由自耦变压器、正馈线、接触网、保护线和钢轨组成.这种供电方式能迫使大部分牵引回流由正馈线和钢轨流回牵引变电所.如图5所示.1.5AT供电方式AT供电方式牵引变电所输出电压为55kV,经自耦变压器向接触网供电,一端接正馈线,一端接接触网,中点抽头与钢轨相连.
2高速铁路供电回流系统分析
2.1高速铁路与常速铁路的主要区别
2.1.1高速铁路在运行过程中,需要的电流量很大,以我国目前最大功率的韶山4型电力机车为例,其需要的最大牵引电流约为380A,而16辆编组的动车组的牵引能够达到1000A.
2.1.2牵引网短路电流大.一般来说,通过220KV输电线为高速铁路牵引变电所进行供电,供电系统三相短路电流容量大,在实际工作运行过程中,最大可超过10000MVA,从理论上来讲,牵引变电所可以接无穷大电源.
2.1.3钢轨对地泄露电阻大.由于高速铁路的高架区段较多,在很多地方都是采用的无砟轨道整体道床,因此,在这种情况下,钢轨泄漏电阻大.
2.2不同情况下钢轨电位的分析在牵引供电系统中,牵引电流从变电所流出,经馈电线、接触网供给机车,然后牵引电流沿钢轨、大地和回流线回到变电所.牵引网电路模型可被简化等效成接触网与大地形成一个回路,轨道与大地形成另一个回路.如图6所示.
轨道泄漏电阻对钢轨电位影响较大,钢轨电位随着泄漏电阻的增大而增大,因此降低钢轨泄漏电阻能达到降低钢轨电位的目的.然而,高速客运专线广泛采用无砟轨道,并且我国客运专线高架区段多,这使得减小钢轨泄漏电阻变得很难,需要通过其他措施降低钢轨电位.
2.3钢轨电位分析的结论根据对上述不同情况下钢轨电位的相关分析,能够得出如下结论：
2.3.1一般来说,如果在电力机车在正常工作过程中,没有相应的综合地线,那么其钢轨的电位最大值就会接近200V,在这种情况下,已经超出了安全标准值；而如果在设置综合地线之后,就会降低钢轨电位的最大值,实际钢轨电位值不到50V.因此,可以知道,通过设置综合地线,可以很大程度上降低钢轨的电位.
2.3.2在不设综合地线的情况下,钢轨的电位非常高,一般来说能够达到2000V；不过在设置综合地线后,就会很明显的降低钢轨的电位.值得注意的是,如果是在发生故障的情况下,对于铁路轨道上面的作业人员,以及相关的接触钢轨,都会带来较大的安全隐患.
2.3.3如果接触网出现钢轨短路,在这种情况下,变电所周围3公里的地区,钢轨电位会比其他地方高出不少.其原因在于,发生了短路,在短路处的很大一部分电流,汇入了钢轨,再进入进入变电所接地系统.因此可以说,高速铁路变电所附近的是需要重点保护的地方,一定要切实加强绝缘保护.
2.3.4如果铁路系统中,没有使用综合地线,在这种情况下,钢轨泄漏电阻就会对钢轨电位产生较大的影响,因此,可以通过减小泄漏电阻的方法,来降低钢轨电位.
2.4降低钢轨电位的措施从本质上讲,降低钢轨电位就是要降低回流路径纵向阻抗、降低钢轨对大地的泄漏电阻和增强回流网络与供电网络之间的电磁耦合.以下是本文在研究中总结出的几种比较有效的降低钢轨电位的方法：
①根据综合地线的基本作用,在降低钢轨电位过程中,可以采用设置综合地线的办法.
②对上下行钢轨进行充分的横向连接.在实际施工作业过程中,有时会出现较多的多线铁路和复线铁路,而对这种铁路线进行横向连接,能够在很大程度上降低钢轨的阻抗.
③对于使用AT供电方式的牵引网,可以采用加保护线（PW）的方式,曾设CPW线.在实际工作过程中,PW线和钢轨是处于并联状态的,这样,就能够实现相对较好的分流效果,从而就可以降低整个回流网络的串联阻抗.
④对于地级,根据实际作业过程中的一些经验,可以把接触网支柱基础作接地极,通过这种方式,实现NF线和PW线的接地,减少电流损耗的同时,有效降低钢轨的电位.
⑤对于钢轨线路附近的一些建筑物、基础工程、桥梁等,要进行综合运用,这些基础建筑物也可以充当地级,通过使用这些地级,更好的实现牵引网导线的接地.
⑥对于牵引网线比较集中的路段,可以采用集中接地的方式.通过集中接地,可以在一定程度的节约资源,减少重复性的投入.
3不同供电方式下的容易出现的问题及影响分析
3.1接触网回流不畅对轨道电路的影响通过上面的分析,从技术上看,电化区段保障牵
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3.2迂回电路对轨道电路的影响从图7可以看出,该连法对于A区段的分路,在很大程度上和B区段有0.06Ω加2个扼流变压器2个半线圈串联分路相似,这种连法可以使得B区段的继电器落下或电压降低.
3.3牵引回流和钢轨电位产生的不利影响钢轨是牵引回流的通道,也是轨道电路中信号电流的通道,由于牵引回流值增加,轨道电路信号设备、道床结构等均受到影响,在这种情况下,很容易导致较大的钢轨电位损伤,并且会引起信号设备的绝缘体破损,在实际作业过程中,如果出现上述情况,就会对列车的运营和铁路维护人员造成较大的伤害.不平衡的钢轨电流影响轨道电路正常工作,会有大量的地中电流,进行蓄势,而在蓄势之后,就会对信号设备产生较大的影响,不利于信号设备的正常工作.如果在走行轨附近埋有地下管道、电缆和其他金属构件时,一部分杂散电流就会从上面流过.会对地下管道和其他金属构件造成严重腐蚀.3.4高速铁路牵引回流值大的危害以上因素致使高速铁路的牵引回流比常速铁路大得多,钢轨电位也高得多,产生了很多危害,主要有：①对于乘客来说,如果不注意,会在上下机车时,受到电击,在电压较大时,会对乘客造成一定的伤害.②可能造成沿线维修人员的触电事故.③对于那些同轨相连的信号设备,可能会出现一定的故障④对于钢轨下面的绝缘介质来说,较大的牵引回流会导致其过早的老化,甚至在一定情况下,还会烧毁.⑤两条钢轨之间容易产生大的不平衡电流,影响轨道电路正常工作.
4保障接触网回流畅通的基本措施分析
4.1保证牵引回流构成的轨道电路迂回电路畅通当平行轨道需要有牵引电流通过时,交叉渡线存在上、下两区段的迂回,同时通过左、右两区段的迂回,形成第3轨和单轨回流.
①上、下两区段的迂回,见图7.这种连接会造成A区段的送电端,除供给A区段受电端外,还通过交叉渡线及扼流变压器间的连接线供给B区段的受电端.
②左、右两区段迂回,见图8.这种连接会造成A区段的受电端,除有A区段送电端供电外还有B区段送电端通过轨道跳线和扼流变压器中点供电.
③形成第3轨,见图9.这种连接会造成A区段的送电端通过轨道跳线和扼流变压器中点,也给B区段供电,如图9中箭头所示.
④图10显示,有一定的单轨回流存在.在机车的实际运行过程中,如图例所示,在升弓冲击的情况下,因为交叉渡线已经产生了单轨回流,就会使得A轨的送电端扼流变压器产生严重不平衡,在本文的研究测试中,经过多次的数据统计分析,发现该不平衡系数能够达到90%以上.
4.2确定迂回电路长度迂回电路长度LOBX等于L1+L2+L3和轨道电路长度L的计算参照图11.
从图7可以看出,在破损地点有迂回回路短路时,轨道电路对信号电流的总阻抗等于：Z等于ZP×L+ZP×LOBX式中：L为轨道电路长度；LOBX为迂回电路长度；ZP为钢轨的单位阻抗.灵敏度系数值可用下式计算：
4.3计算并确定断轨灵敏度系数与迂回电路长度的关系根据计算结果绘出断轨灵敏度系数KK与迂回回路长度关系图,见图12.
如果是有实际长度的轨道电路,其迂回回路最小容许值LOBX,根据KK等于f（LOBX）与水平直线KK等于1相交点来求出.举例来说,长度1.2km的轨道电路,其断轨检查可在迂回回路大于2.115km条件下得到保证.50Hz比25Hz最小迂回回路长,KK等于1,轨道电路长为1.2km,最小迂回长度为2.8km.通过上述情况可以表明,如果轨道电路的频率很高,则应该适当加大迂回回路的长度.如果实际轨道中的迂回长度较小,则是应该根据实际情况,合理按照相关计算标准,降低轨道电路断轨灵敏度.
5结束语
现代铁路发展的方向,逐渐向高速和重载方向延伸,铁路技术的进步加快,随着近几年我国高铁技术的突破,我国的高铁已经成为比较先进的国际铁路技术标准.在技术层面看,高速铁路和重载铁路的牵引负荷电流和故障短路电流也会不断增大,从这个情况来看,无论是铁路技术研发单位还是相关铁路设备的制造企业,都应该加大对铁路回流接地系统的重视,提高研发投入力度,用先进科学的技术,提出合理的解决办法,保障接触网回流的畅通,从而保护铁路沿线人员和设备的安全,减少铁路运行故障的发生.
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