接触网独架供电线回流及支柱接地实施方案

陈 敏



接触网独架供电线回流及支柱接地实施方案

陈 敏

对于接触网独立架设的供电线，若由于雷击或其他原因发生供电线对支柱闪络，故障电流没有通畅的回路，保护装置无法识别并快速切除故障，形成系统隐患。针对该问题，本文提出完善的接触网独架供电线回流及接地实施方案。

独架供电线；回流；接地

0 引言

在电气化铁路接触网系统工程中，受征地、线路坡度等因素的影响，有的接触网上网点距牵引变电所较远，距离几百米甚至几公里，同时考虑维护检修方便，供电线与接触网采用分杆架设。该情况下，当遭遇雷击或由于其他原因导致供电线对支柱闪络时，故障电流没有通畅的回路，保护装置无法识别故障并将之快速切除，形成系统隐患，最终可能造成无法挽回的损失和灾害。因此，对供电线的回流及接地进行合理设计至关重要。

2016年9月，中国铁路总公司运输局印发的《牵引变电所二次系统防强电侵入优化技术方案指导意见》（运供设备函[2016]325号）指出，接触网独架供电线支柱接地宜采用的方案为：每根支柱设独立接地极，接地电阻不大于30W；具备成排架设集中接地线条件的，应架设集中接地线，架空集中接地线或者零散供电线支柱接地极都应保证至少和接触网回流线、综合接地贯通地线、牵引变电所主接地网三者之一可靠连接，构成可靠的短路电流回流径路。

结合325号文相关要求，本文从支柱接地电阻选择、回流线截面计算、支柱危险电位评估等方面，对接触网独架供电线支柱接地方案进行综合分析，并提出具体的工程实施方案。

1 接触网独架供电线增设回流线

1.1 增设回流线作用

牵引供电系统设计中，牵引负荷电流经钢轨、回流线、正馈线及保护线（AT供电方式）、吸上线、大地回流至牵引变电所，即为正常的负荷电流设计了通畅的回路。对于独架供电线，增设的回流线主要解决供电线对支柱发生闪络时，为短路电流提供畅通回路，使保护装置快速识别并及时切除故障。因此，该回流线设计时不应与既有回流系统并联，避免正常负荷电流回路复杂化。

1.2 增设回流线实施方案

（1）回流线所亭侧与变电所接地网相连，另一侧末端通过单独的接地极接地，接地电阻值选择的具体分析见第2节。

（2）回流线敷设优先选择直埋方式，埋深1 m左右，导线采用裸铜线。采用直埋方式不仅可以将雷击电流快速泄入大地，还可以降低雷击或绝缘子污闪短路时支柱对地的电位。直埋困难需架空安装时，回流线可选择采用与架空地线一致的铝包钢芯铝绞线或钢芯铝绞线。

（3）回流线截面选择。基于前述的连接方式，该回流线的截面仅与流经的短路电流大小、持续时间及导线材质有关。计算示例如下。

假设牵引变压器容量为50 MV·A，阻抗电压10.5%；电力系统短路容量1 000 MV·A（后续仿真分析中，电源参数均基于该假设）。此时，牵引变电所出口处短路电流为9.35 kA。

瞬时电流剧增会导致导线温度升高，导线抗拉强度不降低的极限温度铜导线为200 ℃，铝导线为180 ℃。由于短路时间很短，假设导线不向外散热，则流过指定电流时所需的导线截面积为

式中，为短路电流，A；为初期温度为40 ℃时的常数，铜导线为152，钢芯铝绞线为93.26；为短路电流持续时间，s，结合保护装置性能确定（以某工程为例，距离保护一段动作故障切除的时间为：保护装置监测到短路电流后出口时间为26 ms，延时100 ms，断路器跳闸60 ms，至全部熄弧再加20 ms，合计206 ms，计算取300 ms）。

回流线按采用裸铜导线和铝包钢芯铝绞线2种材质考虑，可计算得到裸铜导线截面为33.7 mm2，铝包钢芯铝绞线截面为54.8 mm2。结合导线规格并预留一定裕度，当采用裸铜导线时，截面选择为50 mm2；当采用铝包钢芯铝绞线时，截面选择为95 mm2。

（4）回流线采用架空方式架设时，需核算供电线对支柱闪络时的电位，据此确定回流线是否需要绝缘安装（见第2节）。

2 接触网独架供电线支柱接地方案

通过对牵引变电所、供电线、回流线、支柱及接地建模，可仿真不同导线和接地电阻情况下，发生供电线对支柱闪络时的电位，以确定合理的接地电阻及绝缘方案。仿真模型如图1所示。

模型中独架供电线长度为3 km，采用双根LGJ240导线，右侧为牵引变电所电源，上部为供电线，下部为回流线，0为牵引变电所接地网电阻，按0.5W计算；1—61为接触网支柱的接地电阻，分别计算4、10和30W时，供电线在不同点闪络时的支柱电位，计算结果见图2。

从图2可以看出，故障点距牵引变电所距离越远，支柱的电位越高；支柱接地电阻越小，其电位越低；仅降低第一根和最末根支柱的接地电阻，不能有效降低支柱的电位。因此后续计算仅对支柱接地电阻全部为10W和全部为30W这2种情况进行研究。

图1 仿真计算模型

图2 支柱接地电阻不同时供电线对支柱闪络的电位

2.1 回流线采用LGJ95导线架空敷设

回流线采用LGJ95导线架空敷设，供电线对支柱闪络时，支柱电位曲线如图3所示。

图3 回流线架空敷设供电线闪络时的支柱电位

2.2 回流线采用TJ50导线埋地敷设

回流线采用TJ50导线埋地敷设，供电线对支柱闪络时，支柱电位曲线如图4所示。

图4 回流线埋地敷设供电线闪络时的支柱电位

2.3 支柱电位限值

为避免对人身安全造成威胁，支柱电位不能超过一定数值。IEC62128.1-2013[3]中给出了不同时限下接触电压的允许值。持续时间与保护装置跳闸时间有关，保护装置一般能够在0.2 s内跳闸，因此，接触电压限值取0.2 s时对应的645 V。

对于接触网支柱，人体与其接触时通过人体的电流通常是由手经双脚接地，此时双脚距接触点（即接触网支柱）的水平距离标准中规定为1 m。另外，标准中还给出了在均匀土壤电阻率和走行轨直接接地的情况下，沿轨道垂直方向的钢轨电位衰减值，在距钢轨1 m处，接触电压为钢轨电位的30%。为安全考虑，支柱电位按不超过接触电压的3倍控制，即不大于1 935 V（0.2 s）。

2.4 支柱接地电阻及架空回流线安装方式

根据前述仿真计算结果及电位限值的分析，可得出如下结论：

（1）供电线支柱接地电阻均为10W时，可有效降低短路时的电位；采用该方案，当供电线长度大于3 km时，需采取双重绝缘方案。

（2）当供电线支柱接地电阻均为30W，供电线长度大于2.3 km时，需采取双重绝缘方案。

具体实施中，可结合项目实际情况，选择适当的接地电阻及回流线安装方式。

3 结语

接触网独架供电线有必要设置用于流通故障电流的回流线，该回流线仅一端与回流系统连通，其直接与牵引变电所电网连接。该回流线最宜采用裸铜导线直接埋地的敷设方式，当困难地段需架空架设时，需结合当地大地土壤电阻率、独架供电线长度合理选择接地电阻值，并校核供电线对支柱闪络时支柱上的电位，超出限值时需采取双重绝缘安装方案，确保人身安全。

[1] 铁路总公司运输局. 运供设备函[2016]325号《牵引变电所二次系统防强电侵入优化技术方案指导意见》[S]. 2016.

[2] 方大千. 输配电速查速算手册[J]. 北京：中国水利水电出版社，2001.

[3] IEC62128-1 Protective provisions against electric shock[S]. 2013.

For independent erected power supply feeders of overhead contact line, there is no smooth path for faulty current if there is arc flashing between power supply feeder and mast caused by the lightning striking or other reasons, and the protection devices are unable to distinguish and cut out the faults, which will be becoming the risks of the system, so the implementation scheme for independent erection of the power supply feeders and earthing for overhead contact line are put forward accordingly.

Independent erection of overhead contact line; return current; earthing

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.015

U224.2+5

B

1007-936X(2018)06-0064-03

2018-03-23

陈 敏.中铁电气化勘测设计研究院有限公司，高级工程师。