铁路站场中列车位置对钢轨电位的影响分析

张志刚 曹晓斌 何方方 韩虎

(1.朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司， 原平 034100;2.西南交通大学电气工程学院， 成都 610031)

铁路站场中列车位置对钢轨电位的影响分析

张志刚1曹晓斌2何方方2韩虎2

(1.朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司， 原平 034100;2.西南交通大学电气工程学院， 成都 610031)

在一些大型站场中，存在回流不畅、钢轨电位过高等许多回流问题。为了研究大型站场中牵引回流系统的回流特性以及钢轨电位的分布规律，文章利用CDEGS仿真软件，根据现有铁路站场回流系统拓扑结构，搭建站场回流系统仿真模型。利用搭建的仿真模型，研究牵引电流在回流系统中的分配情况，吸上线和钢轨上的牵引电流和电位的变化规律，根据分析结果确定大型站场中的回流系统的回流情况。由仿真结果可得：不论列车在哪个位置，站场中只有小部分吸上线工作，其他吸上线基本不工作，因此导致钢轨上有很高的牵引电流；且钢轨上的电位和电流在牵引变电站处和列车处的值最大，所以这两处存在着钢轨电位过高危及设备和人员安全的隐患。

铁路站场； 回流系统； 吸上线； 钢轨电位

1 引言

随着我国高速铁路的发展，为了适应我国高速铁路的运输要求，铁路站场越来越大，因此，回流系统的回流情况越来越复杂。经过实际测量研究发现，在大型站场回流系统中，只有靠近受流列车和牵引变电所附近的吸流线起作用，大部分吸流线失去吸流作用。这样就会导致牵引电流大部分通过钢轨流回变电所，钢轨电位过高，对钢轨附近的信号设备以及信号线造成严重影响，甚至危及工作人员的人身安全。因此，为了更好地了解大型站场回流系统的回流情况，本文根据铁路站场实际情况搭建了回流系统仿真模型。通过分析仿真结果，从而得到钢轨上电位和电流的变化规律，这对大型站场回流系统的研究以及我国高速铁路的发展具有重大意义。

2 站场回流系统模型建立

2.1 站场回流系统结构

图1为我国某站场回流系统线路结构示意图，图中a为承力索；b为接触线；c为H型钢支柱；d为支柱基础；e为贯通地线的横向连接线；f为钢轨；g为回流线；h为贯通地线。其中单独接地支柱在站场中道岔附近处，常采用单独接地且没有回流线或架空地线与之相连；站场两边接触网支柱与贯通地线相连；贯通地线与钢轨和回流线都没有电气连接。

图1 站场回流系统示意图(m)

2.2 模型建立

本文为了研究站场回流特性，利用加拿大SES公司研发的接地分析软件CDEGS进行仿真研究，并严格按照站场实际回流系统在CDEGS中搭建模型。

结合图1中各导体的电气参数和位置，利用CDEGS建立站场模型，建立的模型中包括支柱、钢轨、回流线以及贯通地线等导体。接触网钢支柱采用H型钢支柱，每隔50 m架设1个，支柱距离钢轨1.2 m，深入地下2.5 m；轨距采用标准轨距1.435 m；轨道采用CHN70轨道，等效为圆柱体时的半径为49.6 mm。建模时钢轨、回流线以及贯通地线长设为3 km,并在它们两端都接上匹配阻抗，以模拟导线延伸至无穷远的情况。

将接触网支柱、钢轨等效为圆柱导体，各个导体的主要参数如表1所示。

表1 导体的主要参数

在CDEGS中根据图1连接各个导体、表1设置各个导体的参数以及导体的空间位置搭建仿真模型，如图2所示。

图2 仿真模型透视图

3 仿真分析

根据建立的模型进行仿真分析，由于站场中的钢轨以及回流线布置较为复杂且不规律，所以仿真分析时，对站场的回流系统进行了简单优化，以便仿真分析。初始设置各参数：牵引电流I为1 000 A；土壤分2层，上层土壤电阻率为2 000 Ω·m，厚度为0.5 m；下层土壤电阻率为500 Ω·m；整体站场长度为 3 000 m(即，钢轨长度为3 000 m)；站场中以500 m设置一个完全横向连接，在战场两边横向连接的点处设置一吸上线，所以整个站场设置14条吸上线，并以1-14数字编号以便分析；站场两边布置2条回流线以及2条贯通地线，且列车位置如图3所示。

图3 列车位置示意图(m)

列车位置不同，分为以下几个考虑因素：列车在同一钢轨的不同位置(位置A和位置B)；列车在不同的钢轨上(位置B和位置C)；列车距离变电站最近、最远处或处于站场中间(位置A、D和E)；列车恰好处在钢轨的横向连接处(位置F)。

3.1 列车在同一钢轨的不同位置

假设列车在第1根钢轨的235 m(图3中A点位置)处和785 m(图3中B点位置)处，则通过仿真可以得到各个吸上线上的牵引电流分布情况，1和2号吸上线上牵引电流如图4、图5所示，并将仿真得到的各个吸上线的牵引电流情况列于表2中。

图4 列车在位置A时1号吸上线上的牵引电流

图5 列车在位置A时2号吸上线上的牵引电流

吸上线编号1234567电流幅值(A)97044.43.00.22000吸上线编号891011121314电流幅值(A)1421382.10000

假设列车位于第1股道上785 m处时(图3中B点位置)，仿真得到的各个吸上线的牵引电流情况如表3所示。

表3 列车在位置B时各个吸上线上牵引电流分布情况

从表2、表3可以看出：在列车处以及牵引变电所附近的吸上线上牵引电流较大，而其他处的吸上线上基本没有牵引电流；同时在牵引变电站附近的吸上线上牵引电流很大，达到970 A和818 A，说明牵引电流经过钢轨在牵引变电所附近汇聚，因此，牵引变电站附近吸上线分流很多。

通过仿真分析列车在位置A(235 m)和位置B(785 m)可以得到列车所在钢轨上的钢轨电位和钢轨上的电流变化情况，如图6、图7所示。

图6 列车所在钢轨上电位变化情况

图7 列车所在钢轨上电流变化情况

从图6、图7可以看出，当列车在钢轨上 235 m处(位置A)时，电位达到一个峰值36.37 V。以235 m为中心两边电位逐渐减小，钢轨超过500 m的部分电位几乎减小为零，这表明钢轨上列车所在位置的钢轨电位最高。而电流在0至235 m处是最大值652.97 A，在235 m处时突变并减小为347.03 A，这表明从列车下来的1 000 A电流中的大部分(2/3)流向牵引变电站方向；而在第2个横向连接500 m处(即第2根吸上线所在的位置)，电流再一次突变为2.85 A，电流值非常小，也就说明电流基本上全部通过吸上线和横向连接分流了。

当列车在钢轨上785 m处(位置B)时，电位在785 m处达到一个峰值46.16 V。而在0至500 m的钢轨上，电位从变电站开始依次减小，在钢轨500 m处电位几乎减小为零。而电流在500 m至 1 000 m处是最大值501.06 A，在500 m处，即在第2个横向连接处发生突变，即第2根吸上线所在的位置处电流从501.1 A 降到199.0 A，这是因为此处有吸上线将部分电流吸回回流线上。

综上可以得出：列车所在位置电位最大值，向两端逐渐减小，并且都在横向连接处电位极小。电流值在横向连接处突变，电流在下一个横向连接处减小为零。

3.2 列车在不同的钢轨上

以图3中位置B和位置C为例，研究钢轨上的电流和电位的变化规律，通过仿真可以得到钢轨吸上线的牵引电流变化情况，如表4所示。

表4 列车在位置C时各个吸上线上牵引电流分布情况

对比表3、表4可以看出，当列车从位置B变到位置C时，1号吸上线上的电流由819 A 变为818 A；2号吸上线的电流由16.5 A变为137 A；而8号吸上线的电流在2种情况下分别为126 A和125 A，基本相同，说明吸上线上的牵引电流受到列车位置和牵引变电站位置的共同影响。

同样可以得到列车所在钢轨上的电位和电流变化情况，如图8、图9所示。

图8 列车所在钢轨上的电位变化情况

图9 列车所在钢轨上的电流变化情况

从图8、图9可以看出，列车在钢轨上785 m处(位置B)时，钢轨电位在该处达到峰值为46.16 V，列车在位置C时，钢轨电位也在该处达到峰值为47.00 V；同时，列车所在的2根钢轨上的电位变化趋势基本相同，这说明在列车距离牵引变电站距离相同时，列车所在钢轨上的电位变化规律基本相同。

列车在位置B时，电流在列车所在的钢轨段(2个横向连接之间)达到最大值为501.27 A，列车在位置C时，电流在列车所在的钢轨段同样达到最大值为511.85 A。所以在列车距离牵引变电站距离相同时，电流的变化趋势相同，并均在横向连接处发生突变。

3.3 列车距离变电站最近、最远处或处于站场中间

以图3中位置A、位置D和位置E为例，研究钢轨上电位和电流的变化规律，如图10所示。

图10 列车所在钢轨上电位变化情况

从图10可以看出，列车在235 m处(位置A)时，电位在该处达到最大值36.37 V；列车在1 530 m处(位置D)时，列车处于站场中部，电位也在该处达到一个极大值21.34 V。但是列车在此位置时，钢轨电位的最大值是在变电站所在的位置。当列车在距离变电站最远处即2 950 m(位置E)时，电位同样在该点达到了一个最大值59.78 V，同时电位在牵引变电站处也非常大，为52.54 V。所以可以得到，列车所在处钢轨电位比较大，同时牵引变电站所在的位置电位也非常大，这因为牵引电流从列车处进入钢轨，并在牵引变电站处汇聚，因此导致这两处钢轨电位较高。

图11 列车所在钢轨上电流变化情况

从图11可以看出，当列车在235 m处(位置A)时，列车离变电站很近，列车所在的一段钢轨上(2个横向连接之间)电流很大，而到500 m横向连接处时，电流骤减为只有2.84 A；列车在站场中部的1 530 m处(位置D)时，钢轨电流在此处到达940.34 A后又迅速减小为59.39 A；而列车在2 950 m处(位置E)时，列车距离变电站最远，此时钢轨电流在列车处达到最大值783.58 A。所以可以得到，钢轨上电流在列车处最大，在列车附近吸上线处就会减小到很小值。主要因为附近吸上线将大部分电流吸回回流线。

3.4 列车恰好在钢轨的横向连接处

以图3中位置F为例，研究钢轨上电位和电流的变化规律，如图12所示。

图12 列车所在钢轨上电位变化情况

如图12所示，列车恰好在500 m处(位置F)时，钢轨电位在500 m达到极大值4.25 V，远远小于牵引变电站所在处，电位最高的地方依然是牵引变电站所在的位置，电位达到23.91 V。

图13 列车所在钢轨上电流变化情况

如图13所示，列车恰好在500 m处时，钢轨上的电流从原先的202.64 A瞬间降低到很低的数值，接近为零。主要因为列车处有吸上线，所以钢轨电位比较低且电流会突变到很小。

4 结论

通过以上仿真分析，可以得到以下结论：

(1)由表2至表4可以得到，在大型站场的回流系统中，大部分牵引电流通过钢轨在牵引变电所处汇聚，所以靠近牵引变电站附近的吸上线将承受很大的牵引回流(即表中1号和8号吸上线)；同时列车附近的吸上线上也有较大部分的电流。所以，站场中的吸上线只有牵引变电站附近和列车附近的吸上线有较大部分电流，而其他吸上线电流很小。

(2)通过仿真分析可知，钢轨上的电位在列车位置处和牵引变电站处最大。主要是因为牵引电流在列车处进入钢轨，以及牵引电流在牵引变电站附近钢轨汇聚流回牵引变电站。所以这两处钢轨电位最大。

(3)根据以上仿真结果可知，钢轨上电流在列车处和牵引变电站处都很大，也是因为牵引电流在列车处进入钢轨，以及牵引电流在牵引变电站附近钢轨汇聚流回牵引变电站。同时钢轨上电流会在列车附近吸上线处突变，这是因为吸上线会将钢轨上电流大部分吸回回流线。

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Research on the Effect of Train’s Location on Rail Electric Potential in Station Yard

ZHANG Zhigang1CAO Xiaobin2HE Fangfang2HAN Hu2

(1．Yuanping Branch of the Shuo-Huang Railway Development Co.Ltd.,Yuanping 034100,China2．School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In some large station yards, there are many return current problems such as obstructed traction return and much high rail electric potential. In order to study the characteristics of traction return of traction return system and distribution rule of rail electric potential in large station yard, the CDEGS simulation software is used to build the simulation model according to the current reflux system topological structure of railway station. The simulation model built is then used to study the distribution of the traction current in the return current system, return line and rail traction current variation on steel rail; the return flow of big station yard is determined according to the analysis results. The simulation results show that no matter where the train is there are only a small number of boosting cables working while other boosting cables almost do not work, thus leading the high traction current on rail. And electric potential and current on the rail at the traction substation and the train are at the maximum value, so there are hidden dangers to equipment and personnel at these two places.

traction substation; return system; boosting cable; rail electric potential

2015-10-30

张志刚(1970-)，男，工程师。

1674—8247(2016)01—0001—05

U231.8

A