高速铁路变电所回流异常的分析

熊秋龙

(中铁建电气化局集团南方工程有限公司 湖北武汉 430074)

1 前言

目前，AT供电方式作为国内高速铁路主要供电模式，理论上其回流系统主要通过PW/钢轨回流系统，综合接地系统辅助回流。针对所亭地理位置不同的情况，回流比例占比会不同。而回流比例作为检测变电所工作状态的一个重要参数，是后期运营过程中，检测供电系统是否稳定的指标依据之一，也是PW/钢轨回流系统中扼流变容量配置的参考依据，直接影响着信号轨道电路的稳定[1]。目前，牵引回流系统回流比例较为正常的情况下，PW线/轨回流与地回流占比为2∶1。在变电所建设过程中，由于其地理位置的特殊性，可能会引起牵引变电所回流不畅以及回流比例地网占比过高的情况。长此以往，会引起线路轨道电路电位过高、地网腐蚀[2]、架空地线烧损[3]等影响设备运营安全的情况。针对此类问题，本文以银兰高铁白鸽牵引变电所回流比例异常为出发点，探讨调整回流比例异常的解决方案。对AT供电方式下牵引所供电回流比例异常问题具有借鉴意义。

2 牵引变电所回流系统问题判定

2.1 回流方案

银兰高铁白鸽牵引变电所主要通过电缆将PW/钢轨的路径电流引入所内集中接地箱。接入牵引变电所集中回流箱内的回流线主要分为两个部分:一是PW线及钢轨回流，采用一根300 mm2的纯铜电缆线，连接上行PW线与集中回流箱内“PW线及钢轨”端子处；两根300 mm2的纯铜电缆线，连接扼流变中性点与集中回流箱内“PW线及钢轨”接线端子处。二是综合贯通接地回流，采用一根70 mm2的纯铜电缆线，连接扼流变中性点与集中回流箱内“综合贯通接地”端子处。变电所接地回流:三根150 mm2纯铜电缆，连接主接地网与集中回流线内“地回流”端子处，牵引所回流图见图1。

图1 牵引所回流

2.2 回流路径分析

牵引所所内设置的集中接地箱将所有回路集合到一起，其牵引回路可通过线路上扼流变中性点电缆回所，PW线电缆回所，与桥梁及桥墩综合接地相连的综合接地通过所亭接地网回所等方式。理论上，电力机车从接触网取流后，电流首先通过钢轨，再分别以三种方式汇流至牵引变电所的回流箱[4]。第一种为架空汇流方式:钢轨→吸上线→回流线(PW线)→回流电缆→集中接地箱。第二种为钢轨回流方式:钢轨→扼流变中性点→回流电缆→集中接地箱。第三种为地回流方式:钢轨→大地→牵引变电所接地网→集中接地箱。正常情况下，第一种与第二种回流为主回路，第三种地回流相对较小但无法消除。如果第一种以及第二种回流不畅时，地回流将成为主要的回流方式[5]。

2.3 联调联试试验情况判定

联调联试期间，通过测试动车经过牵引变电所时的回流特性试验，牵引变电所带负载运行后监测接地网回流占总回流的比例范围为70%～78%，如表1所示。

表1 回流比例占比

按照目前高铁建设的标准，牵引供电系统施工完毕后进行测试，根据测试数据与表1的数据进行对比可以判别回流比例是否合格。目前，评定主要标准参数为牵引所地网回流占总回流比例(ηpe)、牵引所贯通线入所回流占总回流比例(ηee)；如果ηpe>总回流50%、ηee>总回流45%的情况视为超限，若是现场测出这2个参数超标，即应整改。但在联调联试阶段，联调联试不影响行车要求，可以考虑将两个参数的临界值范围放大，为ηpe<70%和ηee<60%左右，该条件仅为短期允许限值，用以满足联调联试需求；与之对应的为长期限值，动检车测试期间，在线路开通前，应通过相关整改使ηpe>50%和ηee>45%，以达到长期限值要求[6]。

2.4 综合接地系统对回流的影响

该牵引所原回流方案中，回流线(PW线)与综合接地系统相连。当回流线接地后，系统阻抗变化较大。因大地与回流线组成的系统使得原有的回流线分流效果减弱，大部分的回流直接通过大地流回变电所。联调联试期间，将测试设备分别安装在靠近该变电所附近的153＃、177＃、187＃桥墩接地引下线处。通过带载测试数据(见表2)，靠近变电所附近的桥墩接地电流很大，仅一个桥墩就流过占比7.6%的电流，钢轨对地接地系统分配的回流较大[7]。

表2 变电所主接地网及桥墩接地电流

综合上述可以判定，该牵引变电所地回流不合格，地回流成为回流主通道，主要原因为钢轨对地电位过大，需要进行整改方可满足线路运营条件。

3 轨地电位影响所亭回流的要因分析

3.1 对地漏泄阻抗与钢轨的关系

依据钢轨电位相关的参数的描述[8]:钢轨感应电流系数nO，轨道电路特性阻抗ZO，动车负荷电流I，传播常数γ和钢轨长度d。其中感应电流系数与导线之间对应的位置和接触线型号有关，动车负荷电流与车辆自身的功率有关。根据现场实际情况分析，可以得出在高速条件下，机车电流很大，但对于其确定的电化区段变化余地不大，我们可对钢轨对地泄漏电抗ZRg和钢轨回流长度这2个因素加以分析，分析如下:一般情况下，动车长度不超过400 m，将其定义为4个引流点，其分散引流点视为集中在机车中部进行引流，即可得到钢轨回路自阻抗ZRg与ZO、γ的关系曲线，关系曲线见图2。

图2 ZO和γ的关系曲线

3.2 钢轨回流长度与钢轨电位分析

同理，γ与d的乘积共同作用于钢轨点位的衰减系数。在ZRg达10 Ω·km的最低值之上时，γ处于图3曲线拐点的后方，显示其开始平缓地衰减。此时，钢轨回流长度决定了钢轨最大电位的衰减系数。传播常数平均取0.1时的高速铁路钢轨回流长度与钢轨最大电位衰减系数的曲线关系见图3。

图3 钢轨回流长度与钢轨最大电位衰减系数的曲线关系

3.3 钢轨对地电位与该所供电方式的关系

该线路正常AT模式下，钢轨回流长度约为半个AT段长度，即5～7.5 km，而最大的钢轨回流长度不超过2 km，轨回流长度相对较短，回流主要还是通过钢轨，其对地电位较低。当机车运行途中，回流点会伴随机车的位置变化而改变。正常情况是通过机车附近的吸上线流入PW线回流。多列动车从同一AT区段通过时，一列车漏泄电流产生的钢轨电位大于所亭回流点的钢轨电位，所亭回流点的钢轨电位不会突变。电力机车由2个AT段并联供电，AT中性点钢轨电位会低于机车取流处的钢轨电位。在变电所回流点的钢轨电位也是较低的。动车通过时，该所地回流比例过高，说明变电所回流点的钢轨对地电位不满足要求。

4 回流比例特性说明

4.1 牵引所回流模型

该牵引变电所外电引入后，通过馈线至接触网上。前面提到的主回流路径为接触网→电力机车→钢轨(PW线)→回所。电流路径从变压器输出，通过供电线至接触网，再由受电弓流入机车。进而通过钢轨、PW线以及大地回流至变电所集中接地箱，形成电路闭环系统。具体电路闭环系统模型见图4。

图4 电路闭环系统模型

从模型看出，接触网、钢轨、回流线(PW线)、大地等导体组成了该牵引供电系统。根据电磁理论，其平行导体间相互影响、相互作用。本线路的回流线(PW线)与钢轨每1 200 m通过扼流变并联。回流系统的分流效果用Kh表示。

式中，Ih为回流线电流(A)；Ig为钢轨电流(A)；Zh为回流线自阻抗(Ω·km)；Zg为钢轨回路自阻抗(Ω·km)；Zhg为回流线与钢轨间互阻抗(Ω·km)。

根据上述分析，Kh的大小可表示PW线分流效果。Kh越大，钢轨的分流效果越差，即回流不畅。Kh越小，分流效果越好，即回流正常。根据式(1)得出，Kh大小由保护线自阻抗、钢轨的自阻抗、钢轨间互阻抗与PW线之间的关联因素决定。解决前文所提到的回流比例问题，即可考虑减小回流线自阻抗解决。

4.2 回流比例异常原因解析

该变电所附近的扼流变压器没有安装在距离变电所最近处，回流电缆较长造成电缆阻抗偏大，阻碍了牵引回流顺着电缆返回变电所，电流以PW线为路径流向牵引变电所方向，在返回变电所方向沿着每根钢柱－桥墩接地－大地返回牵引变电所。在此过程中，变电所两侧扼流变压器间的PW线承担了回流线的作用，承载了较多的牵引回流。

现场的回流电缆电阻比所亭位置桥墩接地体至变电所集中回流箱间的接地电阻大，因PW线为非绝缘悬挂，PW线经支柱、桥墩接地至变电所集中回流箱，相当于短路。所以PW线牵引回流大部分经钢支柱－桥墩接地－主地网回到变电所，导致地回流比例远大于计算值[9]。

另外，该变电所两侧扼流变压器间PW线，承载了较大的牵引回流，截面为120 mm2，为非绝缘安装，在PW线与钢柱连接部位长期有电流通过，如果连接不牢固，就会存在发热、电腐蚀进而烧损的安全风险。

综合以上考虑，解决该所回流比例异常的情况，可调整适当的牵引网供电方式缩减钢轨的回流长度。采取合理增加保护线截面和增加钢轨与保护线间横向连结(CPW)处所以降低钢轨电位。

5 回流异常改善具体措施

5.1 具体方案

结合联调联试及回流测试情况，为确保该牵引变电所供电回流通畅，制定了如下回流补强措施:

(1)自牵引变电所向两侧最近扼流变增设绝缘悬挂的回流线(上、下行均采用单支JL/LB1A-250)，回流线采用架空架设，在供电线独立架设区段，与供电线合架，在无供电线区段，与接触网合架。以此来减小综合接地系统通过桥墩等电耦合因素对回流的干扰[10]。

(2)在增设的回流线一端与变电所集中接地箱连接，另一端分别与上下行扼流变相连(增加 CPW连接点)。上下行扼流变处均采用双支YJV-1kV-1×150电缆，回变电所集中接地箱采用单支YJV-1kV-1×300电缆。

(3)保持原有回流电缆及吸上线连接处所不变，保障回流渠道畅通[11]。

5.2 措施验证情况

方案实施后，变电所集中回流箱内测试数据，增设回流线后回流比例占比见表3。

表3 增设回流线后回流比例占比

由此数据得出以下结论:

(1)通过在变电所两侧扼流变压器间加装了绝缘回流线后，牵引回流大部分从回流线返回牵引变电所，PW线载流变小。

(2)变电所集中回流箱内监测数据显示，轨回流数据增大，地回流占总回流的占比低于30%，符合标准要求。

(3)变电所附近PW线载流量偏大的问题得以改善，消除了PW线与钢柱连接部位过流烧断或PW线烧损的安全隐患。

6 结论

通过对该牵引变电所回流特性的研究分析得知，该变电所回流不畅的原因主要在于大地土壤电阻率低，综合接地系统与牵引变电所的电阻较小，其形成的大地回路阻抗小。所亭附近的桥墩通过综合接地系统充当了回流主回路，而原有的回流电缆存在迂回现象[12]。其电缆回流部分的总阻抗大于大地回路的阻抗。另外，供电线布置与回流电缆方向不一致，未能形成有效耦合，从而造成了地回流比例偏高的原因。针对上述问题，在原有所亭回流方案的基础上，增设绝缘架设的回流线来减小地回流通道，通过增设电缆优化原有回所电缆路径，减少回流路径迂回。上述方案的实施，有效地改善了该牵引变电所回流比例异常的问题所在，其方案可推行于同类情况下变电所回流不畅的问题整治。