综合接地系统在山区电气化铁路应用的探讨

程彩红,程广仁

(1.中铁电气化局集团有限公司,北京 100036;2.上海天佑工程咨询有限公司,上海 200092)

综合接地系统在山区电气化铁路应用的探讨

程彩红,程广仁

(1.中铁电气化局集团有限公司,北京 100036;2.上海天佑工程咨询有限公司,上海 200092)

电气化铁道牵引电流是机车受电弓通过接触导线取流并向机车供电的电流,牵引电流必须具备回流路径。由于考虑了电流路径要构成闭合回路,按照能量守恒定律,总的回流应等于流经接触线的电流。为最大限度地减少十分有害的大地回流,迅速消除短路故障状态下钢轨和大地之间的电位差,保障人身安全和电气化铁道系统设备安全,应该采用综合接地系统,沿电气化铁道敷设贯通地线,这是完善供电方式的一项重要举措,也是适应当前我国大规模建设大功率、高密度、高速铁路以及地质条件复杂的山区铁路建设形势的迫切需要。

宜万铁路;电气化铁道;牵引电流;接地系统

1 电气化铁道牵引电流的大地回流不容忽视

(1)牵引电流的一般回流过程及主要路径

如图1所示,牵引电流是由牵引变电所馈出,沿接触导线送给电力机车,然后经轨道和大地流回牵引变电所。

图1 牵引电流一般回流示意

(2)一般情况下,经大地流回牵引变电所的电流比例还相当大

走行轨可作为回流的导体,但由于钢轨敷设在地面上,其长度远远大于宽度,其纵向电阻的存在以及交流牵引网在其周围空间存在电场和产生交变磁场,接触网与地回路、轨道与地回路存在感性耦合,必然导致部分回流流入大地,再经大地流回牵引变电所的接地系统。实际电路参数的分析与测定基本上是按该回路构成进行的,即牵引网架空线路与地形成一个回路,轨道与地形成另一个回路,基于这种情况可以对地中电流的值作近似计算。

单线区段:一般单线区段接触网等效电路如图2所示。

图2 一般单线区段接触网等效电路示意

图2中,Z1与Z2分别表示接触网与地回路和轨道与地回路的自阻抗,Z12表示两回路的互阻抗,I为流经接触网的总电流,其中一路Ig流经钢轨,另一路为地中电流Id,其电流分配系数为

钢轨电流分配系数 Kg=Ig/I=Z12/Z2

地中电流分配系数 Kd=Id/I=(Z2-Z12)/Z2

根据电路原理,代入接触网一般单链形悬挂实际数据,经过计算可求得

因此可得Kg=Z12/Z2=(0.05+j0.315)/(0.198+ j0.560)=0.536∠10.5°

Kd=(Z2-Z12)/Z2=(0.148+j0.245)/(0.198+ j0.560)=0.481∠-11.6°

说明在一般单线情况下,轨道电流约为牵引网电流的53.6%,地中电流约为牵引网电流的48.1%,将近有50%牵引电流入地。

复线区段:实际有3个感应回路①上行接触网与地回路;②下行接触网与地回路;③轨道与地回路。①和②同时在③中感应电流。如图3所示。

图3 复线区段接触网感应回路示意

图3中,Z1、Z2、Z3均表示其自阻抗,Z13、Z23、Z12均表示其互阻抗,I1为上行接触网电流,I2为下行接触网电流,设I为总电流,因此

对钢轨—地回路可有平衡方程式

(1)式与(2)式合并求得

轨道电流分配系数 Kg=Z13/Z3

地中电流分配系数 Kd=(Z3-Z13)/Z3

根据电路原理,代入接触网复线链形悬挂有关实际数据,经过计算可求得

因此可得轨道电流分配系数

地中电流分配系数

由此可知,一般复线情况下,轨道电流约为上、下行牵引网总电流的67.3%;地中电流约为34%,即在复线情况下,约有1/3的牵引电流入地。

(3)地中电流危害严重

大地包含了组成大地外壳的所有类型的土壤和岩石,它能传导电流,像金属一样土壤也有电阻。人们习惯认为,大地任一点的电位都等于零,但实际由于大地并不是一个均匀介质,土壤导电率的值处处随土质而异。特别是当地下设有金属管道或金属表皮电缆时,地中电流将很大程度地集中沿金属管道流通,随之使金属温度升高。另外,由于电流在其中产生电压降而使金属物出现对地电压,与铁路并行的金属导体包括电缆、管道,愈靠近铁路,上述现象就愈加显著,温度升高将加速金属腐蚀,对地电压超过规定值时还将危及操作人员的安全。

(4)走行轨对地电位升高危及行人及周围铁路系统设备使用安全

钢轨无论是钉固在轨枕上还是敷设在混凝土整体道床上,部分回流经过走行轨漏泄到大地中,使轨道产生对地电位,在正常运行过程中,高达上千安培。走行轨和列车的导电部分产生可接近电压,但该电压存在潜在的危险,因为流经大地的电流愈强,危险性就愈大,如错车时钢轨对大地的电压出现叠加,使轨电位增加1倍,万一发生接触网断线,发生短路,更使轨电位骤升,短路电流即可达数十千安,恶劣的气候及严重的环境污染都可能造成漏泄电流的增加,从而引起轨电位升高,产生危险接触电压,造成人员伤害。所以电气化铁道要求有特殊的防护措施,以消除电位差来保障人身安全和系统设备使用安全,尤其是建设大功率、高密度的高速铁路以及像宜万铁路这种地质条件极其复杂的山区铁路更应该注意。

2 减少大地回流及相关影响的主要措施

我国电气化铁道自1968年第二次开工建设以来,一直注重开发和研究应用各种不同供电方式,以减少经大地流回变电所的电流及其相关影响。

(1)BT(吸流变压器)供电方式

20世纪70年代我国首先在宝成线马绵段试验成功。随后在阳安线、石太线等多条长大干线广泛采用,收效显著。

如图4所示,这种在接触网中安装吸流变压器,原边串接在接触导线上,副边串接在与接触线平行等高架设的田野侧回流线上,变比为1∶1。当牵引电流流经吸流变原边时,副边在回流线产生很大的互感电势,极大地削弱了周围磁场,显著地降低了电磁干扰的影响,在两个吸流变压器中间位置,使用吸上线连接走行轨与回流线,其电位大致等于轨电位,迫使由钢轨—大地流回牵引变电所的电流,大部分改由回流线流回变电所。

图4 BT供电示意

这种供电方式的缺陷:

每隔2～4km,大量安装吸流变、开关等设备;尤其是在多线铁路系统中投资大,运行费用高等;

使用该装置牵引网阻抗加大约50%,从而加大了电压降和功率损失;

高速、大功率机车通过吸流变分段时,在接触网分段绝缘器上产生的电弧加速了接触线和集电弓的磨损;

当电力机车在2个吸流变压器间运行并取用牵引电流时,根据距离和线路参数不同,仍将有牵引电流流过部分区段的钢轨和大地。

(2)AT(自耦变压器)供电方式

1984年,我国从日本引进这种供电方式,首先在京秦线吸收消化总结提高,安装成功,随后在大秦、陇海、郑武等长大干线广泛采用,收效显著。

如图5所示,AT变压器,变比为2∶1,其一端接入接触网,中点接入钢轨,另一端接入正馈线。理论分析认为,原边的激磁电流贯穿在n1、n2两个线圈之中,副边线圈n2在电源看来也是原边线圈的一部分,在负载下,两个线圈中的负载电流总是大小相等,方向相反,两个线圈中的负载电流的励磁作用相互抵消。电流由变电所沿接触网送给电力机车,然后沿正馈线流回,轨道中电流为零,实际是用正馈线代替了回流线。这种供电方式大大降低了牵引网中的电压损失,从而扩大了牵引变电所间隔,同时,也消除了在接触网中安装吸流变必须安装绝缘分段的突出问题。

图5 AT供电示意

这种供电方式的缺陷:

牵引网投资显著增加;钢轨电流和地电流虽然很小,但依然存在于所有的AT区段中;

在牵引供电网络短路时,自耦变压器的短路电流增加。

(3)直供加回流

这种供电方式,现在在我国被广泛采用。如图6所示。

图6 直供+回流供电示意

从BT到AT,有一个共同的特点,就是在牵引网中增加了回流线(AT正馈线代替了BT中的回流线),通过吸上线与钢轨连接(在自动闭塞区段与扼流变压器中点接线端子连接),为牵引电流回归牵引变电所提供主通道。同时在接触悬挂处与双重绝缘的接地跳线连接,即使由于某种原因,支持正馈线F的绝缘子和支持接触悬挂T的绝缘子一旦发生闪络时,将会迅速通过闪络直接构成故障电流的金属回路,使变电所等处的距离保护迅速、可靠动作,起到保护作用,由于站场和大桥地段安装了架空地线,一旦发生绝缘子击穿短路,故障电流也会立即经架空地线转移到车站、大桥两端接地,避免产生跨步电压。正是由于安装了回流线,在很大程度上减少了流经轨道和大地的回流,有资料表明,架设回流线后至少将流经大地的电流可减少到15%～20%;轨电位显著降低,有资料表明,轨电位可减少50%～55%;与铁路并行安装的导线中产生的感应纵向电压,也减少了将近一半;铁路附近的磁场也得到很大削弱;牵引网单位长度阻抗也减小了,提高了回流的导通性。

这种供电方式的缺陷:钢轨电流和地电流虽然很小了,依然存在于电气化区段中;无论是在运行状态还是在故障状态下,轨电位都会在走行轨和与之相连的导体上产生,尤其是接触网断线接地短路后,更为严重,极易造成电击伤害和对周围系统设备的严重破坏。

3 安装综合接地系统完善供电方式

为最大限度地减少电气化铁道的大地回流,消除十分有害的漏泄电流对铁道沿线金属导体的腐蚀,尤其是随着大功率、高密度的高速铁路,地质条件复杂的山区铁路大规模建成,当运行电流或短路电流流经电气化铁道钢轨时,发生接触网断线时,迅速消除钢轨和大地之间电位差,保护人体不遭受电击、相关系统设备不遭受破坏,确保牵引电流、再生制动电流、故障短路电流在低阻抗下迅速回流,距离保护快速可靠动作,笔者认为:在“直供加回流”供电方式下,安装完善的综合接地系统非常必要。如图7所示。

图7 改进型“直供+回流”供电方式示意

图7是“直供+回流”供电方式的改进和优化。主要是增加了综合接地系统。图中①、②、③、④、……代表了综合接地系统各子系统接地。

3.1 综合接地系统的组成

综合接地系统由贯通地线、接地装置及引接线构成。综合接地系统以沿线敷设的贯通地线为主干,充分利用沿线桥梁、隧道、路基地段构筑物设施内的接地装置作为接地体,形成低阻抗等电位综合接地平台。主要有:(1)桥梁综合接地;(2)隧道综合接地;(3)路基综合接地;(4)车站范围综合接地;(5)无砟轨道综合接地;(6)接触网接地系统;(7)通信信号综合接地等。各分系统接地通过设置接地端子,连接引接线与贯通主干线可靠连接。距接触网带电体5m范围内的金属构件和需要接地的设施设备应接入综合接地系统;距线路两侧20m范围内铁路设备房屋的接地装置应接入综合接地系统;不便与铁路综合接地系统等电位连接的第三方设施(路外公共建筑物、公共电力系统、金属管线等设施)必须采取可靠的隔离或绝缘等措施。

3.2 各专业接入综合接地系统的主要地线种类

(1)信号:沿线信号设备(所有相关金属设备外壳)的安全接地和屏蔽接地以及工作接地。

(2)通信:沿线漏泄电缆悬吊钢索、通信电缆金属外皮等的屏蔽地线、通信设备接地、避雷器的安全接地。通信站、微波站、无线基站在满足综合接地总体接入原则时,可接入综合接地系统。

(3)电力:电力电缆的金属外皮屏蔽地线,电力变压器中性点接地及设备外壳接地。

(4)电气化:接触网PW接地保护线的接地,沿线接触网支柱基础及隧道悬挂装置基础接地。

(5)车辆:红外轴温探测站、复示站的接地。

(6)给排水:新兴客车上水栓的工作地线和外壳安全接地。

(7)独立避雷针和架空避雷线(网)的接地应设独立接地装置,接地装置与被保护建筑物或变、配电所接地网中的地中距离不应小于3m;当有困难时,可与综合接地系统相连,但其地下连接点至建筑物内的电气、电子设备或变、配电所35kV及以下设备与接地网的地下连接点之间,沿接地体的地中长度不应小于15m。

(8)站台上金属构筑物的安全接地。

(9)车站信号楼、行车室、区间中继站等的综合接地网在条件许可时可就近接入综合接地系统。

(10)其他:沿线信息化系统设备的安全地线和屏蔽地线、工作地线;无砟轨道板、隧道内、桥墩内非预应力钢筋接地;沿线距接触网带电体5m范围内金属构件(如桥栏杆、雨棚、声屏障等)的防感应接地。

3.3 宜万铁路电气化等专业接地子系统简介

图8 隧道接触网综合接地系统(单位:m)

(1)电气化专业针对隧道内高电阻率,单独接地接地电阻极难达标的特点,采用贯通地线的方式设置接触网的接地系统。如图8所示。起点每隔500m由接地扁钢处向上在距轨面高度5m处引出φ12mm的接地钢筋2处,接地引上线埋设在隧道衬砌内,外露长度不小于300mm,接地钢筋均应作镀锌处理。每500m增加垂直接地体(实际为50mm×50mm×5mm)5根,间距约5m,垂直接地体直接焊接在贯通的50×5的扁钢上。贯通的接地扁钢两头引出隧外,并作接地引上,外露长度不小于200mm,两端接地扁钢与接地极连接。搭接工艺:不同段的扁钢、角钢、钢筋间采用可靠焊接,中间不允许有虚焊,搭接焊缝面积不小于200mm2,焊缝长度不小于100mm。

加强措施:若接地电阻不满足要求,可采取以下措施直至接地电阻满足要求:①增加水平接地极,增加的水平接地极(50mm×5mm的扁钢)与贯通接地扁钢每隔1.5m焊接1次;②在接地体周围埋置长效固化型

全线长度大于500m的隧道和设有隔离开关洞室和自动过分相洞室的隧道在水沟底(电力电缆槽一侧的水沟内,一般为隧道左侧)预埋镀锌接地扁钢,接地扁钢敷设处的混凝土覆盖层不小于100mm,镀锌接地扁钢截面应不小于120mm2(实际为50mm×5mm镀锌扁钢),镀锌层不小于70μm。

长度大于500m的隧道内,以宜昌端进口为测量降阻剂。

隧道内采用架空地线集中接地的方式,每个隧道贯通1根架空地线。当架空地线长度大于500m时,需每500m设接地1处,与隧道壁外露的接地引上线连接。

隔离开关、避雷器等电气设备需设可靠的接地极。

距接触网带电体5m以内的金属构件,包括沿线的防护网栅、下锚坠砣限制架等均设可靠接地极。

(2)信号专业采取了贯通地线防护措施。贯通地线采用截面积为35mm2铜缆,引出线采用35mm2铜绞线,接地体采用50mm×50mm×5mm型镀锌角钢,垂直埋设在路基面下不小于0.5m深处,一般路段按不大于1000m设置1处,困难地段(桥梁、隧道及硬质岩石地段)按不大于500m(200m)设置1处,一般1处设3～5根,并通过引接线引出至信号电缆槽,与信号电缆槽内的贯通地线进行热熔接,并刷清漆进行防腐处理,贯通地线综合接地电阻不大于1Ω。桥梁上贯通地线通过梁体及墩台内的专用接地钢筋与接地极连接,专用接地钢筋与桥墩基础同步实施。

3.4 重点注意事项

(1)综合接地系统的设计施工要达到保护人身安全和设备安全的要求,遵循以人为本、系统优化、综合防护的原则,加强总体协调、全面规划、统筹考虑。在施工前,早期阶段就要做出完善设计,以便施工阶段全面实施。

(2)流经大地的回流取决于回流导线的设计和截面的大小,否则,极易出现供电故障(图9),因此贯通接地线截面的选择应能同时满足正常牵引负荷的长期载流量和短路故障下的短路电流的要求,应特别注意贯通地线的选用应耐腐蚀并符合环保要求,环保性能应能满足国家有关规定,同时要特别注意机械强度。

(3)为确保等电位连接,减少不同系统、不同设备之间存在的电位差,实现低阻抗,结构物内的接地钢筋之间均要可靠焊接,保证电气连接。考虑信息化电子设备工作需要,各项接地系统在贯通线接入处的接地电阻不应大于1Ω,变电所接地网接地电阻不应大于0.5Ω。

(4)回流线上的回流不应再经过贯通地线回归牵引变电所。

(5)接地端子、接地连接线均应采用不锈钢,贯通地线可用铜排或用热镀锌扁钢埋地敷设。贯通地线要求尽可能顺直,禁止形成环状。

有资料表明:正是由于安装了综合接地系统:架空接触线阻抗的绝对值减少了约2%～3%;位于距线路中心线3.5m,且高于轨面0.1m处导电部分中的感应纵向电压(感应纵电动势)减少了大约7%。钢轨对大地电压减少了大约53%,大幅降低了系统轨电位,促进了回流的导通。

该方式在马德里——塞利维亚高铁和德国柏林——汉诺威高铁上均已采用。

4 结论

通过对电气化铁道供电原理和牵引电流回流径路的分析,笔者认为,为最大限度地减少十分有害的大地回流,迅速消除短路故障状态下钢轨和大地之间的电位差,保障人身安全、四电设备安全和铁路运营安全,应该采用综合接地系统,这既是完善供电方式的一项重要举措,也是适应当前我国大规模建设大功率、高密度、高速铁路以及像宜万铁路这种地质条件极其复杂的山区铁路建设形势的迫切需要。

[1] 曹建猷.电气化铁道供电系统[M].北京:中国铁道出版社,1983.

[2] 中铁电气化局集团有限公司译.电气化铁道接触网[M].北京:中国电力出版社,2004.

[3] 张华志.客运专线牵引变电所接地设计·工程实施及测量技术研究[J].铁道标准设计,2008(5).

[4] 邓云川.综合接地系统钢轨电位及电流分布的分析[J].铁道标准设计,2009(S1).

U22

A

1004 -2954(2010)08 -0190 -05

2010 -05 -10;

2010 -06 -17

程彩红(1971—),女,高级工程师,1993年毕业于河北科技大学自动化专业,E-mail:EEBCGR@163.com。