高速铁路变电所牵引电流回流指标研究

李天石，李明祥，霍斌

（中国铁道科学研究院 通信信号研究所，北京 100081）

高速铁路变电所牵引电流回流指标研究

李天石，李明祥，霍斌

（中国铁道科学研究院 通信信号研究所，北京 100081）

利用近年来高速铁路联调联试获取的大量检测数据，开展高速铁路牵引变电所牵引回流分配指标的研究。确定牵引变电所地网回流比例和贯通地线回流比例2个考核参数，对其以往测试数据进行数理统计分析和计算，得出适用于高速铁路牵引变电所牵引回流质量的判定依据，填补了联调联试中变电所牵引回流领域判定依据的空白，为综合接地系统的联调联试、动态验收和工程整改提供参考。

高速铁路；变电所；牵引电流；回流指标；联调联试；数理统计；回流比例

0 引言

我国高速铁路正处于高速发展期，为确保高速铁路的工程质量和运营安全，在开通运营前要进行高速铁路联调联试和动态检测工作。在新建高速铁路联调联试和动态检测过程中，发现个别变电所测点牵引回流系统不同回流途径的回流比例与以往大量测得值相比偏离较大，或与设计预期值有较大偏差（如变电所地网回流）。但由于目前没有这方面的相关标准要求，即使测试结果明显异常，动态验收报告也无法评判，整改也无依据，对高铁工程建设质量和动态验收造成一定影响。因此，充分利用高铁联调联试动态检测获取的大量数据和阶段成果，开展相关标准的研究和制定工作，为工程整改、联调联试和动态检测提供依据。该研究工作的主要技术内容为：制定牵引变电所（或AT所、分区所）各牵引回流途径电流比例的技术指标。

1 高速铁路牵引变电所回流指标考核参数

高速铁路均采用电力牵引系统，当牵引电流在变电所内回流比例不正常时，其产生的危害体现为：牵引变电所地网回流（简称所地网回流）比例过大，钢轨、PW线和贯通地线的回流比例就会较小，如果金属回流通道回流过小，说明存在连接不良、线缆损坏等问题导致回流不畅；所地网回流过大，架空回流线回流必将减少，接触网靠架空回流线抵消磁影响的作用降低，整个牵引网对地平衡性下降，对路内外金属线缆（包括铁路信号电缆、路外通信线缆及输油管线）磁影响会显著增大；所地网回流比例过大在故障短路和雷击时导致所内电位上升，人员安全性下降[1]；长期地网回流过大还会导致地网电化学腐蚀加快；所地网回流比例过小，可能存在变电所接地电阻过大的情况；贯通地线回流比例过大，会使变电所附近的弱电设备的地电位有较大波动，产生地电位差，使通信信号设备的运行可靠性和稳定性降低，在雷击或者接触网短路情况下，可能会导致贯通地线烧毁。所以将牵引变电所（或AT所、分区所）内不同回流途径回流占总回流比例作为考核参数是必要的。

该研究工作主要通过2个参数来制定牵引变电所（或AT所、分区所）各回流途径电流分配比例的技术指标：

（1）牵引变电所（或AT所、分区所）地网回流占总回流比例（ηpe），反映回流网络是否符合设计要求。当ηpe过大或者过小时，则认为明显不正常。

（2）牵引变电所（或AT所、分区所）贯通地线入所回流占总回流比例（ηee）。近年来，大部分变电所用电缆从线路上贯通地线T接引入所内集中接地箱，贯通地线会承担一部分回流功能[2]。当ηee过大时，则认为明显不正常。

2 高速铁路牵引变电所回流指标的依据

高铁工程设计一旦确定后，变电所（或AT所、分区所）各回流途径的回流占总回流比例等考核参数就应存在各自客观的确定值（真值）。可将真值作为参照值，将实测值与之比较，越接近该值工程质量越好；越偏离该值则工程质量越差。但真值难以确定，解析计算的方法因边界条件复杂，相关因素太多而不易得出准确结果，只能得出近似结果。但在实测样本量足够大的条件下，可采用数理统计方法，用大样本均值逼近真值，且样本量越大与真值近似程度越好，从而解决没有准确参照值的问题，同时也可验证理论计算结果是否符合实际情况。

通过多年的联调联试动态检测，已积累大量综合接地回流实测数据。统计分析采用的样本来自43条高铁线路，115个测点，4 000余次过车数据。数据包括各种不同类型的线路，样本量足够大，充分满足数理统计分析中经常采用的假设检验、方差分析及区间估计等方法对于样本量的要求。

3 高速铁路牵引变电所各回流途径实测数据的统计分析

3.1 分布特性和差异显著性检验[3]

3.1.1 正态分布

表1—表3分别为3种类型线路各所地网回流比例等间隔数值段上限对应的累积概率值。其中n为样本量，250AT为250 km/h AT供电线路，350AT为350 km/h AT供电线路，250直为250 km/h直供加回流线线路。

表1 350AT各所ηpe累积概率值（n=46）

表2 250AT各所ηpe累积概率值（n=14）

表3 250直各所ηpe累积概率值（n=11）

表4、表5为2种类型线路各所贯通地线回流比例等间隔数值段上限对应的累积概率值。测试的250 km/h直供加回流线线路只有一条线路变电所有贯通地线引回线，因此未作统计分析。

表4 350AT各所ηee累积概率值（n=23）

表5 250AT各所ηee累积概率值（n=18）

以表1—表5中的数据为依据，以相应累积概率值为纵坐标，在正态概率纸上绘出散点图，结果表明，各种线路变电所地网回流比例和贯通地线回流比例均服从或近似服从正态分布。

3.1.2 方差齐性

3种不同类型线路实测各所地网回流比例可采用方差齐性检验（F检验），见表6。

表6 3种不同类型线路实测各所ηpe方差齐性检验

表6得出，F（α=0.01）查表值均大于相应的方差比，即在水平α=0.01时认为二者总体方差相等，说明对应3种不同类型线路的3个数据总体方差两两相等，即具有方差齐性。

3.1.3 差异显著性

3种不同类型线路牵引变电所（或AT所、分区所）地网回流比例实测数据样本量、均值、方差见表7。

表7 3种不同类型线路牵引变电所ηpe实测数据样本量、均值、方差

3种不同类型线路实测得出的3个钢轨回流比例样本在水平α=0.05时，有无显著差异的单因素方差分析见表8。

表8 3种不同类型线路牵引变电所ηpe方差分析

表8中，因F0.05（2，68）=3.15>1.94，所以在显著性水平α=0.05时，样本间无显著差异。即350AT、250AT和250直线路之间牵引变电所（或AT所、分区所）地网回流比例无显著差异，可制定统一的所地网回流比例质量判据。

2种线路实测得出的贯通地线回流比例样本在水平α=0.05时，有无显著差异的单因素方差分析见表10。

表9 2种不同类型线路牵引变电所ηee实测数据样本量、均值、方差

表10 2种不同类型线路牵引变电所ηee方差分析

表10中，因F0.05（1，40）=4.08>1.37，所以在显著性水平α=0.05时，样本间无显著差异。即350AT、250AT线路之间牵引变电所（或AT所、分区所）贯通地线回流比例无显著差异，可制定统一的所贯通地线回流比例质量判据。

通过对不同类型线路实测数据进行正态分布检验和方差齐性检验，并对各检验参数进行差异显著性检验得出：对于不同供电方式的高速铁路（350AT线路、250AT线路和250直线路），牵引变电所（或AT所、分区所）ηpe和ηee可认为来自同一母体（3个样本组的组间差异未显著大于组内差异）。因此，针对牵引变电所（或AT所、分区所）ηpe和ηee只需制定一套质量判据，不必区分线路类型。

3.2 样本统计特征值

表11为不同类型线路上各考核参数实测大样本统计特征值，这些特征值为构建牵引变电所回流质量等级判据提供依据。

急 性 毒 性LD50大 于5 g/kg（大 鼠 经 口）。ADI 0.15～ 2 mg/kg（FAO/WHO，1994）。根据国家标准《食品添加剂使用标准（GB 2760）》的规定，可作为营养强化剂添加在食品之中[12]。

表11 不同类型线路各回流途径回流比例均值与方差

4 高速铁路牵引变电所回流指标等级判据

4.1 判据方法

根据方差偏离均值的程度进行质量评估，是工业质量控制中常用的方法。通过对各考核参数实测样本的统计分析，得出每个参数实测数据的均值和均方差，即可对每个回流指标考核参数构建出优良、合格与较差3个质量等级的判据。

（1）ηpe的评定。

当ηpe=（均值±均方差）时，工程质量为一级，回流指标优良；

当（均值±均方差）＜ηpe＜（均值±2×均方差）时，工程质量为二级，回流指标合格；

当ηpe＞（均值±2×均方差）时，工程质量为三级，回流指标较差。

（2）ηee的评定。

贯通地线本应承担弱电接地母线和等电位连接线功能，如过多分担回流任务会使等电位性能降低，ηee按照下述办法评定。

当ηee＜均值时，工程质量为一级，回流指标优良；

当均值＜ηee＜（均值+1.5×均方差）时，工程质量为二级，回流指标合格；

当ηee＞（均值+1.5×均方差）时，工程质量为三级，回流指标较差。

（3）特殊情况的处理。

当ηpe＞入所总回流50%、ηee＞入所总回流45%即为超限。从机理分析上看，这2个途径回流比例过大，应该整改，但整改常常较为耗时费力。当整改较为困难，且短时间不影响行车的情况下，可以考虑将这2个考核参数的限值短时间内放宽至ηpe不超过70%和ηee不超过60%。放宽后的限值可称之为短期允许限值，即相对较短的一段时间内可以允许的限值，相应的，采用统计分析得出的限值称之为长期限值。联调联试和动态检测中，如发现某个考核参数超过长期限值，在线路开通前，应努力整改达到长期限值要求。如到线路开通时仍不能满足长期限值要求，在没有超过短期限值的情况下，可允许线路开通，线路开通后将此问题作为遗留问题限期整改，使之最终达到长期限值要求。

4.2 各考核参数回流质量判据

根据牵引变电所回流指标的确定方法，提出适合我国高速铁路的牵引变电所回流质量各考核参数的判据（见表12、表13）。

表12 地网回流比例质量等级判据

表13 贯通地线入所回流比例质量等级判据

4.3 维护整改措施

不同质量等级回流状况和应采取的维护整改措施见表14。

表14 不同判定等级回流状况和应采取的维护整改措施

5 结束语

通过研究确定高速铁路牵引变电所回流指标的2个考核参数，即牵引变电所（或AT所、分区所）地网回流比例和贯通地线入所回流比例。这2个参数积累数据量较大，测试技术成熟，通过对这2个参数的测量和考核，可以客观反映出变电所牵引回流系统的工程质量，为动态检测提供依据。

回流指标的考核参数均分3个质量等级，各等级边界以数理统计特征值（均值、方差等）为主要依据。质量等级划分中合格与较差的边界，即质量限值，在以统计结果为依据的同时，根据危害程度、整改难易和开通时限等因素进行适当调整，使所制定的质量判据具有较好的实用性和可行性，可以适当做为联调联试和动态检测的评判依据。

[1] 吴广宁，曹晓斌，李瑞芳．轨道交通供电系统的防雷与接地[M]．北京：科学出版社，2011．

[2] 淮平．铁路贯通地线系统[J]．中国铁路，2014(4)：88-90．

[3] 浙江大学数学系高等数学教研组．概率论与数理统计[M]．北京：人民教育出版社，1979．

责任编辑 李凤玲

A Research on Ref ux Indicator of Traction Current of HSR Traction Substation

LI Tianshi，LI Mingxiang，HUO Bin
（Signal and Communication Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Based on huge inspection data acquired from integration testing and commissioning for high speed railways over recent years, the research on ref ux distribution indicator of HSR traction substation has been rolled out and two evaluation parameters are determined, namely, ref ux ratio of earthing network and ref ux ratio of through earth wire. After mathematical statistics and computation of the inspected data of these two parameters, the assessment foundation for ref ux quality of HSR traction substation has been concluded, which f lls in gapes of assessing reflux quality of traction substation during integration testing and commissioning and provides references for the integration testing and commissioning, dynamic acceptance and engineering rectif cation of the integrated grounding system.

high speed railway；traction substation；traction current；reflux indicator；integrated commissioning and test；mathematical statistics；ref ux ratio

U22

A

1001-683X（2017）02-0021-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.02.021

2017-01-18

李天石（1981—），男，副研究员。E-mail：99247351@qq.com