AT供电方式下土壤电阻率对牵引变电所地网电位影响研究

黄 文，杨雪凇，杨 佳，李朝阳，祝幼强

0 引言

牵引负荷（即动车组、电力机车）的回流与牵引网供电方式有关，自耦变压器（AT）供电方式下保护线（PW）、钢轨、综合地线（IGL）和大地是4个主要的回流路径。在交流牵引网中，牵引变电所通过接触网将电能输送到电力机车，再通过牵引回流系统返回至变电所，形成一个闭合的能量循环体系。回流过程中，因为钢轨、综合地线等接地导体与大地之间存在泄漏电导，一部分电流会泄入大地，形成地中回流[1，2]。通过钢轨的回流则会产生一定的钢轨电位。

基于此，本文通过分析AT回流网分流系数与钢轨电位关系，得到影响钢轨电位的相应电气参数，考虑地回流分量，以回流网分流系数作为钢轨电位评价指标，为建立回流系统评估体系奠定基础。

1 牵引变电所回流分布

牵引回流与牵引网供电方式有关，AT供电方式下的回流系统较为复杂，目前我国高速铁路及客运专线均采用综合接地技术，加大了回流系统结构 复杂性。接入综合接地的AT回流系统中，回流路径不仅包括钢轨和大地，还包括与钢轨紧密并联的保护线、综合地线（作为钢轨回流的分支部分），共同构成线路上的回流系统。完整的AT供电回流接地系统如图1所示。

图1 AT供电回流接地系统

在电流返回牵引变电所的过程中，存在各回路导体中的回流分配问题，文献[3]已详述了AT供电方式下牵引回流在线路中的分配，并通过分流系数进行对比分析。由于线路中存在大地回流，在牵引变电所内将会存在大地电流返回牵引变压器的过程。牵引变压器低压侧接地端同时与钢轨和所内地网相连，导致变电所附近大地回流路径产生分流，由于钢轨对地泄漏电导的存在，部分大地电流会返回钢轨后再流向牵引变压器，而另一部分大地电流经牵引变电所内接地网流回牵引变压器低压侧接地端，这也是地网电位产生的原因。返回的牵引电流在牵引变电所内汇集在集中接地箱，箱中设置有地回流和轨回流等接线端。

2 分流系数与地网电位

分流系数的概念通常应用于电力系统短路计算中，分流系数的合理选择是接地系统安全设计的基础[4]。计算分流系数是研究地网电位抬升（GPR）问题的方法之一。通常铁路牵引变电所的接地设计以接地电阻Rjd≤0.5 Ω为设计标准，该标准未考虑地网中实际流通的电流，忽略了地网通流能力及地表电位的安全要求，因此并不合理，设计应以地电位满足安全要求为标准。对于牵引变电所，由于地网中实际流通的电流并非总牵引电流，分流系数可较好地反映所内回流各支路电流与总电流间的关系，简单有效地反映地网电位，因此可通过分析接地参数与分流系数之间的定量关系，进而获得参数与地网电位之间的定量关系，提高分析结果的工程参考价值。

根据分流系数定义，支路分流系数为支路电流Ii(i=1,2,…,n)比总电流Ik，可得回流系统第i个支路的分流系数ni：

其中，Ui为第i个支路的电压，在回流系统中，回流导体均与钢轨完全并联，每条支路的电压均相等。同理，在变电所处大地电流分支两端电压也相等，即U1=U2=…=Un=U，因此ni=ZkΣ/Zi，即回流接地系统的分流系数可按阻抗比定义，支路分流系数等于网络等值阻抗与该支路的转移阻抗之比，并且满足

文献[3]已推导出回流系统线路的分流系数

回流网线路支路分流系数关系为

由牵引变电所内的回流分布原理，总的牵引回流并不全部经过接地网，而是有一部分通过轨回流返回，分流的实质是依据钢轨特性阻抗Zo与接地网等效电阻Re的关系，变电所内的分流使得流过接地网的电流减小，在一定程度上减小了地网电位。

所内轨回支路与地回支路的分流系数为

其中：nrh、ndh分别为变电所内钢轨回流、大地回流的分流系数；ng-r、ng-d分别为综合地线对钢轨、综合地线对大地的分流系数。

由式（3）可知nd=ng-r+ng-d，则可推得

满足式（2）定义。

由阻抗关系可推出

其中：Re为接地网等效电阻。该式同样验证了nrh+ndh= 1。

由式（3）、式（5）和式（7）推出

上式表示地中电流在牵引变电所内经钢轨回流和接地网回流的分配关系。

文献[5]对接地网等效电阻的定义：

其中：ρ为土壤电阻率，Ω·m；S为地网面积，m2；L为接地极总长度，m；h为接地网埋深（一般为0.8或0.6 m），m；d为接地极直径，m。

考虑接地网网孔个数和垂直接地极对接地网等效电阻的影响，式（9）可改写为

其中：n、m分别表示接地网网孔的行数和列数；a、b分别表示网孔的长度和宽度，m，接地网总长度A为am，总宽度B为bn；c为单个垂直接地极长度，m；k为垂直接地极个数。因此，nm即为接地网网孔总个数，接地网面积S=A·B。

由式（10）可知，接地网等效电阻主要受土壤状况、地网面积、网孔分布等因素影响，这些因素进而会影响牵引变电所内的分流系数及地网电位。

根据式（2）和式（5）牵引变电所地回流分布规律可知

其中：Idh、Ig-d分别表示变电所内接地网的回流和地中电流分流到接地网的回流。

将式（8）和式（10）代入式（11）可得牵引变电所内汇集到接地网中的电流。接地网电位即为

3 土壤电阻率对分流系数及地网电位影响

直接供电方式下的回流系统较简单，仅由钢轨和大地组成，钢轨电位往往较高。AT供电方式在引入综合接地技术后，其回流系统不仅包括钢轨、综合地线、PW、CPW，还增设了综合地线与钢轨的横向连接线、上下行钢轨横向连接线等，大大降低钢轨电位，成为降低钢轨电位的良好措施[6]。图2所示为增加降低钢轨电位措施后的回流系统结构。

由上节推导可知影响分流系数的因素为钢轨漏导、地线漏导和横联间隔，通过分流系数与地网电位关系，可对土壤电阻率与地网电位降低效果之间的关系进行研究。

图2 增加降低钢轨电位措施后的回流系统

3.1 土壤电阻率对分流系数的影响

钢轨作为回流系统的接地导体，其泄漏电导对分流系数的影响体现在接地导体的阻抗模型中，回流系统分流系数随钢轨漏导变化如图3所示。

图3 分流系数与土壤电阻率关系

通过图3可以看出，大地的土壤电阻率通常在10～103Ω·m的范围内不等。牵引变电所内通常从人员及设备接地安全的角度出发，靠近上层地面的土壤电阻率非常大，几乎达到完全绝缘；而为了降低接地电阻，减小接触电势和跨步电压，下层地面土壤电阻率会相对较低，使得土壤电阻率在所内分布不均。由图3可知，地回流分流系数随土壤电阻率的增大而逐渐减小，轨回流分流系数随土壤电阻率的增大而逐渐增大，且土壤电阻率在780 Ω·m附近时地回流和轨回流达到各占一半。牵引变电所处地回流与轨回流的分流系数并非一成不变，例如冰霜雨雪天气可能降低土壤电阻率，则地回流将远大于轨回流。该结论也可以很好地解释同一高铁线路某一牵引变电所分流情况不固定的现象。

3.2 土壤电阻率对地网电位的影响

牵引变电所地网电位随土壤电阻率变化如图4所示。

由图4可知，牵引变电所地网电位受土壤电阻率影响较大。当不考虑所内分流时，地网电位随土壤电阻率增大而呈线性提升，当考虑所内分流时，地网电位随土壤电阻率增大而呈现略微凸起的非线性关系，这是因为所内土壤电阻率在影响地网接地电阻的同时，也对钢轨对地泄漏电导产生了影响。随着土壤电阻率发生变化，地中回流路径的电流分配取决于回流导体与土壤的耦合情况。而地网电位也将同时受到地回分流与接地电阻的影响。

图4 地网电位随土壤电阻率变化曲线

4 结论

本文给出了以阻抗比定义的牵引回流系统分流系数，通过工程设计中的典型参数分析了分流系数及地网电位的影响因素，得出如下结论：

（1）分流系数可较好反映回流网任意支路电流与牵引总电流间的关系，进而可简单有效地反映地网电位。

（2）大土壤电阻率将导致地网的回流减小，在一定程度上使地网电位较不分流时低。