电气化铁路牵引回流入所线缆方案优化

马九洋

0 引言

当前高铁线路中，牵引回流入所线缆的接入方式缺乏统一方案，难以横向比对线路之间的回流状况。相关设计标准和设计方案往往只对回流入所线缆的入所和连接提出保证接入良好的要求，缺乏系统全面的接入方案，对现场施工造成一定困扰[1，2]。另外，即使具备了全面的线缆接入方案，施工现场也经常出现未完全遵照设计方案执行的情况，为了加快施工进度，常出现根据施工现场情况或按照对牵引回流的主观理解擅自更改回流入所线缆接线设计的情况。

目前，回流入所线缆的设置主要存在两方面问题：（1）回流入所线缆截面选取出于安全角度考虑往往预留一定的冗余度，然而有些线路为了加大供电安全冗余度，在设计或施工时过度增加回流入所线缆。例如，在某客专线路变电所内，仅PW线一个回流途径就从线路上引回多达12根甚至更多的线缆，过度提高冗余度，不仅对安全性没有明显提升作用，反而浪费过多人力物力。（2）牵引回流的 不恰当接线方式会导致变电所牵引回流比例的分布异常，如地网回流比例过大，超过总回流的50%。然而这种异常问题并不会立刻对正常牵引供电、列车运行、人员设备安全等造成危险，但是长期运行存在较大隐患，不利于铁路的长期可靠安全运营。

本文针对回流入所线缆设计方案中的线缆材质、截面冗余度、不同类型回流线缆接入方案、接入位置等内容，对牵引变电所处的回流系统设计展开试验，并进行对比分析。

1 回流入所线缆材质及截面冗余度分析

冗余度是从安全角度考虑的多余量，为了保障仪器、设备或某项工作在非正常情况下也能正常运转[3]。铁路设计方案中，对于线路的牵引回流线缆就采用了保留安全冗余度的设计思路。

在各条线路中，贯通地线和地网的入所线缆截面较为固定，均采用基本相同的截面。因此试验主要针对各条线路中的钢轨及PW线入所线缆的不同截面设置进行分析。

1.1 回流入所线缆的材质对比分析

在变电所正对所外的位置，从线路上下行PW线上分别T接引回1根150 mm2截面的回流线，在试验初期设置为铜绞线，试验后期更换为铝绞线。试验期间线路上的行车车型、速度、取流基本一致，因此将试验初期和后期的牵引变电所内的回流比例测试数据进行统计，以均值进行对比，如表1所示。

表1 不同材质的牵引回流入所线缆条件下的变电所回流比例 %

铜和铝在常温下的电阻率分别为1.75×10-8和2.83×10-8Ω·m，两者相差近1倍。但根据试验数据，两种材质的线缆对于牵引变电所的各回流途径回流比例几乎不产生影响。

因此，线路采用铝质或铜质回流入所线缆，对变电所牵引回流比例影响很小，可以忽略。

1.2 钢轨回流入所线缆的截面冗余度分析

在试验不同时期设置不同截面的钢轨回流入所线缆，试验期间的线路工况、牵引取流基本一致。统计牵引回流比例测试均值如表2所示。

表2 不同截面的钢轨回流入所线缆条件下的牵引变电所回流比例 %

根据试验数据：当单侧线路的钢轨回流入所线缆截面由300 mm2增加到600 mm2时，钢轨回流占比增加6%；贯通地线和地网的回流占比变化量为3%。当线缆截面由单侧线路600 mm2截面增加到900 mm2截面时，钢轨回流占比增加1%。

因此，增加钢轨回流入所线缆的截面，可对钢轨回流比例起到一定的改善作用，但达到单侧线路600 mm2截面后，再增加截面对回流比例的改善作用不明显。

1.3 PW线回流入所线缆的截面冗余度分析

在正对变电所的所外位置，在试验不同时期设置不同截面的PW线回流入所线缆，各时期的线路工况、牵引取流较为一致，统计各时期的变电所牵引回流比例均值进行对比，如表3所示。

表3 不同截面的PW线回流入所线缆接线方式下的牵引变电所回流比例 %

根据试验数据，当上下行的PW线回流入所线缆截面由150 mm2增加到300 mm2时，钢轨及PW线的回流比例增加6%。此时钢轨及PW线总回流比例已达85%，继续增加PW回流入所线缆的截面已经很难使钢轨及PW线的回流比例进一步明显增加。

因此，可将300 mm2作为PW线回流入所线缆单侧线路最佳的截面选择。

2 牵引变电所回流入所线缆接入方案的对比分析

2.1 PW线是否单独回流入所的回流比例分析

PW线是否单独入所是很多线路之间PW线回流入所线缆设置的主要区别，因此进行PW线是否单独入所的试验测试，试验期间的线路及列车运行工况基本一致。接线位置为在正对变电所所外位置的PW线上进行T接，上下行各引入1根150 mm2截面的铜质线缆。试验期间的测试数据统计均值如表4所示。

表4 PW线是否增加回流入所线缆的牵引变电所回流比例 %

根据试验数据，PW线由所外T接入所对于降低贯通地线和地网回流比例效果明显，对钢轨及PW线的回流比例有较为明显的提高，且能够较大程度降低贯通地线回流比例。

因此，从钢轨及PW线作为主回流途径的角度考虑，应在正对变电所所外的PW线上单独引入入所线缆。

2.2 贯通地线回流是否入所的回流比例对比分析

很多线路将变电所距线路的距离作为贯通地线是否入所的依据：当变电所距线路大于20 m时，将贯通地线引入所内；小于20 m时，不将贯通地线引入所内。根据实测数据，贯通地线是否入所对于变电所的牵引回流比例有较大影响。

试验依托京石武铁路的高邑西牵引变电所完成贯通地线是否入所的对比试验。在正对变电所所外位置的上下行贯通地线上分别T接1根70 mm2截面铜质回流入所线缆，试验期间的线路及列车工况基本一致。试验数据统计均值如表5所示。

表5 是否增加贯通地铁回流入所线缆的牵引变电所回流比例 %

根据试验数据，贯通地线入所后可明显降低钢轨和地网的回流比例，二者的回流比例变化量之比与二者在贯通地线入所之前的回流比例之比接近。

根据各试验线路的测试数据，贯通地线入所后其回流通常占据较高的比例。贯通地线入所的主要目的是等电位连接[1，4]，而贯通地线流过大量牵引回流会破坏等电位连接的效果，且对变电所附近区域内将贯通地线作为地线的沿线设备也会产生较大影响。根据表4的数据分析，如果根据线路状况需要将贯通地线引入所内，可以在正对变电所所外位置的PW线上T接PW线回流入所线缆，可以较大程度降低贯通地线上的回流比例，从而保证等电位连接的效果。

因此，从牵引回流角度考虑，不建议将贯通地线引入牵引变电所，在必须将贯通地线引入所内的情况下，可在正对变电所所外PW线上就近T接PW线回流入所线缆，从而保障贯通地线不会流过较大牵引回流，等电位连接作用不被破坏。

2.3 回流入所线缆接入位置分析

牵引变电所的4种回流途径为钢轨、PW线、贯通地线、地网。多数铁路在设计和施工时，钢轨、贯通地线和地网的回流入所线缆在线路上的接续位置是固定的。钢轨回流入所线缆接入位置：在线路上距离变电所最近的扼流变压器中心抽头处引回，该扼流变压器在实际线路中往往距离变电所几百米不等，很少有处于正对变电所所外的位置；贯通地线回流入所线缆由正对变电所所外的贯通地线上T接入所；地网与汇流排之间的连接线缆的接线位置也是固定的。因此能够对接续位置进行调整的主要是PW线回流入所线缆。

主要针对以下3种PW线回流入所线缆接入位置进行试验：

（1）线路靠近变电所的扼流变压器位置处，在PW线上T接入所线缆。

（2）在正对变电所的所外PW线上T接回流入所线缆，通常与线路回所的扼流变压器相距几百米不等。

（3）在正对变电所的所外钢支柱根部引回入所线缆，少数线路采用该接线位置。

另外，线路上还有一种PW线回流入所线缆的常见设置方式，即不单独设置PW线回流入所线缆，仅在扼流变压器位置设置吸上线，与扼流变中心抽头的钢轨回流入所线缆合为一处。该方式由于不单独设置PW线回流入所线缆，因此不纳入接入位置试验内容。

分别在试验不同时期设置不同位置的入所线缆，线缆规格为上下行各2根150 mm2截面的铜绞线，试验期间的线路工况较为一致，试验数据如表6所示。

表6 不同PW线回流入所线缆接入位置情况下的牵引变电所回流比例 %

根据试验数据，在正对变电所所外位置的PW线上T接引回入所线缆时，变电所中钢轨及PW线的牵引回流比例最高，占总回流的85%。PW线由所外的钢支柱根部引回，与所外PW线上T接引回相比，钢轨及PW线的牵引回流比例稍小，地网回流比例增加，贯通地线的回流比例几乎相同。若地网回流比例过小（如石武客专的溪水堰AT所地网回流比例仅1.7%），可将PW回流入所线缆移至钢支柱的根部引回，以适当提高地网回流比例。

PW线回流入所线缆的不同接入位置试验结论如下：

（1）将PW回流入所线缆在线路侧由扼流变压器位置的PW线上T接回所，或是通过吸上线连接扼流变压器中心抽头，不再单独设置PW线回流入所线缆的两种做法是不合适的，不便于牵引回流集中由钢轨和PW线缆返回变电所，也弱化了单独设置PW回流入所线缆的意义。

（2）最佳接入位置是在正对变电所的所外PW线上T接回所，此时可实现钢轨及PW线回流比例最大，贯通地线和地网回流比例最小。

（3）由正对变电所所外的钢支柱根部引回PW回流入所线缆，可适当提高地网回流比例。

3 结语

根据试验分析结果，对于牵引变电所地网回流比例过高的问题，可以通过调整变电所PW线回流入所线缆的设置方式得到有效解决。将回流入所线缆调整试验的相关结论汇总如下：

（1）回流入所线缆选择铜质绞线或铝质绞线，对于变电所的牵引回流比例分布几乎不产生影响。

（2）可将600 mm2与300 mm2分别作为单侧线路的钢轨及PW线回流入所线缆的最佳截面。

（3）当钢轨、PW线的回流入所线缆在线路上下行侧未达到最佳截面时，增加回流入所线缆的截面能够对变电所各回流途径的牵引回流比例起到改善作用，但并不能彻底解决回流异常问题。

（4）建议单独引入PW线回流入所线缆，不建议将贯通地线引入牵引变电所。

（5）将PW线在线路侧由扼流变位置的PW线回流入所或通过吸上线连接至扼流变中心抽头而不再单独设置回流入所线缆的做法是不合适的，不便于牵引回流集中由钢轨和PW线缆返回变电所，也弱化了单独设置PW回流入所线缆的意义。

（6）PW线回流入所线缆最佳接入方式是在正对变电所的所外PW线上T接回所；在钢支柱根部连接PW线回流入所线缆，可适当提高地网回流比例。