直供方式下影响钢轨电位分布的因素研究

周子槊，汪繁荣

(1 湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068；2 湖北水利水电职业技术学院，湖北 武汉 430070)

相较于普速铁路，电气化铁路在高速区段需要更大的牵引负荷，从而需要增大牵引电流来提供牵引能量[1-3]，牵引功率的提升增大了钢轨对地泄流，从而影响到信号系统的外部电磁环境，如更为严重的电磁干扰(EMI)等。功耗低、灵敏度高是基于微电子技术的信号系统具有的特征，其信号系统的信号电平以及工作电流均较小，因此抗电磁干扰能力相对较弱。当铁路牵引供电系统给机车供电时，牵引电流会通过机车流向钢轨，钢轨对地泄流时会产生钢轨对地电位差，一般将该电位差称为钢轨电位。因此，若增大牵引电流，钢轨对地泄流也会同时增大，从而使得钢轨电位升高，钢轨附近的信号设备甚至工作人员的生命安全均会在钢轨电位升高时受到威胁，尤其是与轨道存在连接的信号设备，在泄漏电流过大而造成的钢轨电位过高时极有可能出现功能不良或故障的情况，钢轨对地泄流增大同时会腐蚀钢轨与轨枕间绝缘垫板，使钢轨与轨枕间绝缘能力降低，钢轨泄漏电流进一步增大就会造成牵引回流发生异常[4-6]。钢轨是牵引电流回流牵引变电所的关键路径，但钢轨电流过大又会造成钢轨电位升高，若不能将钢轨电位值控制在安全范围内，将会影响行车安全。因此，为了抑制钢轨电位升高并保证钢轨电位在安全范围内，迫切需要科研工作者研究出有效的技术措施、合适的降电位方案，否则过高的钢轨电位会使机车的运行存在安全隐患。

1 铁路牵引供电系统仿真模型的建立

本文所探讨的牵引电流为工频50 Hz下的交流电流，因此可利用CDEGS软件中的输入模块HIFREQ模块进行仿真建模以及设定参数，模型具体的建立方法将在下面进行详细叙述。

1)输入模块的选择 由于直供加回流线方式下的铁路牵引供电系统是采用工频激励，因此可采用CDEGS中的输入模块HIFREQ进行仿真建模。

2)参数的设置及模型的建立 HIFREQ模块内设为3个部分:计算、土壤类型、系统设置。

系统的频率设置是通过MALZ以及HIFREQ模块内设的计算模块完成的，由于铁路牵引供电系统是采用工频激励，因此需要将起始频率和基频均调为50 Hz。MALZ以及HIFREQ模块内设的土壤类型模块可进行土壤电阻率分层设置，由于实际情况中土壤存在分层问题，不同厚度下土壤的电阻率存在差异，因此可通过土壤类型模块灵活设置土壤分层，选择好土壤分层类型后，只需在土壤特性网格内填入不同土壤层的相应参数，所需填写参数包括土壤电阻率、土壤层厚度、相对磁导率以及相对介电常数。构建铁路牵引供电系统的模型需要在HIFREQ模块内设的系统设置模块进行设置。由于不同的导体类型具有不同的导体参数，因此在建模前首先需要确定模型中存在哪些不同类型的导体，并在导体类型中进行设置。

1.1 铁路牵引供电仿真模型的建立

根据上文介绍的建模方法及步骤，完成了在CDEGS仿真软件HIFREQ模块中对铁路牵引供电模型的建立：1)在仿真模型中共设有2根长度为50 km的水平钢轨；2)回流线设置在钢轨上方8 m处，长度与钢轨相同；3)共设置了19根吸上线，吸上线将一侧钢轨与回流线相连，使回流线与钢轨并联；4)通过在牵引站A及牵引站B处设置接地电阻为0.44 Ω的地网来等效牵引站的引流；5)将牵引变压器等效成27.5 kV的交流电压源；6)牵引站A及牵引站B地网与轨道回流系统通过回流线相连；7)仿真模型中总共分为2层，第一层为钢轨和大地之间的道床层，由于道床层相对复杂，包括绝缘板、道枕、碎石，因此通过均匀电阻率来等效道床层，可通过设置等效电阻率来解决，厚度为0.9 m；第二层为土壤层。仿真模型见图1。仿真模型中的吸上线坐标见表1，牵引站A的位置设置在x坐标0处。

图1 铁路牵引供电仿真模型

表1 铁路牵引供电模型吸上线坐标

1.2 参数的选择

铁路牵引供电系统中各参数见表2和表3，基于CDEGS仿真模型截图见图2。第2节中的仿真参数若无特别说明，均以表2和表3参数为准。

表2 铁路牵引供电模型土壤分层参数

表3 导体参数

图2 铁路供电仿真模型中部分区域示意图

2 影响钢轨电位分布规律的因素研究

钢轨电位过高会造成信号设备损坏以及危及线路维护人员和旅客的人身安全，因此需要对降低钢轨电位的方法进行探究，为了能够更有针对性的探究降低钢轨电位的方法，不仅需要了解钢轨电位的形成机理，同时有必要对影响钢轨电位分布的因素进行深入研究，为此，本节分别讨论了机车与牵引变电所距离、吸上线的距离、机车在吸上线之间的相对位置、钢轨对地泄流以及牵引站地网电阻大小对钢轨电位分布影响。

2.1 机车距离牵引变电站的距离对钢轨电位的影响

在整个铁路牵引回流系统中，牵引电流通过机车传输给钢轨，一部分钢轨电流通过道床层向大地泄流，另一部分钢轨电流通过吸上线传输给回流线，因此机车可以看作是电流源激励，并向铁路系统注入电流。而牵引变电所的牵引变压器为整个牵引网供电，由基尔霍夫电流定律得，注入机车的牵引电流最终将在牵引变电所的牵引变压器处回流，因此牵引变压器也可看做引流点或回流点。其中机车的位置是变化的，那么注流点与回流点的距离也在发生变化，为了探究铁路牵引供电系统中注流点和回流点的距离变化对钢轨电位分布的影响，仿真计算以牵引变电所位置设为坐标原点，总共设置了6种机车与牵引站的距离，为了避免吸上线造成的影响，机车位置设定在相邻两根吸上线的中心点处，分别为3800 m、6300 m、9100 m、13 700 m、16 800 m、19 000 m处，仿真模型见图1。

仿真模型中的导体参数见表3，土壤分层见表2，地网接地电阻设为0.44 Ω，若无特殊说明，仿真所用参数以及土壤分层情况以表2和表3为准。6组机车与牵引变电所不同位置时的钢轨电位分布如图2所示。其中，为了便于分析，钢轨在各个位置的电位均为有效值，并没有考虑参考方向。若无特殊说明，后续仿真所得钢轨电流分布曲线、钢轨电位分布曲线上的电流值以及电位值均代表有效值。

从图3图4可以看出，机车与牵引变电所的距离增大时，钢轨最大对地电位逐步升高，当机车与牵引变电所的距离增大到6000～8000 m时，最大钢轨电位达到最大值，随着机车与牵引变电所的距离继续增大，钢轨的最大电位却呈现出减小的趋势，当机车与牵引变电所的距离增大到14 000 m时，钢轨的最大电位又呈现出上升趋势。

图3 机车与牵引变电所在不同距离时的钢轨电位分布

图4 机车与牵引变电所在不同距离时的钢轨电流分布

牵引变电所附近最大钢轨电位随着机车与牵引变电所距离的增加而增大，但随着机车与牵引变电所的距离进一步增大，牵引变电所附近最大钢轨电位趋于饱和。

当机车与牵引变电所的距离为4000～9000 m时，钢轨最大电流随着机车与牵引变电所距离的增大而减小，当机车与牵引变电所的距离为15 000～20 000 m时，钢轨最大电流又开始随着机车与牵引变电所距离的增大而增大。

2.2 吸上线间距对钢轨电位分布的影响

为了解释2.1节中，机车距牵引变电所6300 m以及9100 m时最大钢轨电位高于其它位置的原因，对吸上线间距对钢轨电位分布的影响进行探讨，由于仿真模型是参照C线建立的，因此每根吸上线的相对位置也是按照C线所给坐标建立的，由表1可知，机车距牵引变电所6300 m处是x坐标为4817 m与x坐标为7892 m的两根吸上线的中心位置，机车距牵引变电所9100 m处是x坐标为7892 m与x坐标为10 333 m两根吸上线的中心位置，可以发现，这3根吸上线之间的两段间距分别为3075 m和2441 m，相比于其它吸上线之间的间距较大。

为了探究吸上线的距离是否会影响到最大钢轨电位值，本节对距x坐标为0的牵引变电所2000～10 000 m处的吸上线位置进行了重新设定，将相邻两根吸上线的距离缩短到了约1500 m，设定结果见表4，其它吸上线的位置以及参数均不变，在新的吸上线位置下，分别将机车设置在3200 m、4800 m、6300 m、7750 m、9300 m处，机车位置均为相邻两根吸上线之间的中心，同时还将2.1节中机车设置在3800 m、6300 m、9100 m处的钢轨电位分布与吸上线位置改变后的模型进行比较，道床层电阻率设为63 000 Ω·m，土壤电阻率设为200 Ω·m。

表4 更改吸上线坐标参数后的吸上线坐标

表5 原模型中的吸上线坐标

由图5可知，当把吸上线之间的距离缩短以后，列车位于相邻两根吸上线中心处时，最大钢轨电位满足随机车与牵引变电所的距离增大而增大的规律。同时，在不改变原模型吸上线的位置的计算结果中，根据图6可以看出，在不改变吸上线位置的情况下，机车在3800 m处的钢轨最大对地电位比吸上线位置变化后机车在3200 m以及4800 m时的钢轨最大对地电位均大；机车位置同为6300 m时，若相邻吸上线距离为1400 m，钢轨最大对地电位为1049 V，而相邻吸上线的距离为3075 m，钢轨最大对地电位为1320 V，相比相邻吸上线距离为1400 m时升高20.5%；机车位置为9300 m时，相邻两根吸上线距离为1741 m，钢轨最大对地电位为1180 V，机车位置在9100 m时，相邻两根吸上线的距离为2441 m，钢轨最大对地电位为1325 V，相比机车位置为9300 m，相邻两根吸上线距离为1741 m时的最大钢轨电位升高10.94%，由此可以看出，相邻两根吸上线的距离相差越大，机车通过相邻两根吸上线中心点时的钢轨对地电位越高。

图5 机车与牵引变电所在不同距离时的钢轨电位分布

图6 机车与牵引变电所在不同距离时的钢轨电位分布

2.3 机车在吸上线之间的不同位置时的钢轨电位分布

为了进一步探究机车位于吸上线之间各个位置时的钢轨电位分布情况，特取x坐标为17 928 m和20 475 m的两根吸上线，并将机车位置分别设置在17 930 m、18 500 m、19 000 m、19 500 m、20 000 m、20 475 m处。

由图7可以看出，在17 928 m和20 475 m的两根吸上线之间机车位置发生变化时，对牵引变电所附近的钢轨对地电位几乎不产生影响，但由图8可以看出，机车位于两根吸上线之间的中心位置时，钢轨的最大对地电位较机车靠近吸上线时较大，而机车在吸上线处时的钢轨最大对地电位最小，17 928～20 475 m区间内最大钢轨对地电位的差值达到了425 V，因此吸上线之间钢轨的位置对钢轨对地电位升的影响不可忽略，这是由于机车在相邻吸上线的中心位置时，牵引电流不能直接通过吸上线分给回流线，会导致机车附近电流较大，从而导致钢轨电位差增大，而机车靠近吸上线处时，钢轨电流能够尽快通过吸上线传给回流线，因此机车附近电流在吸上线处会明显降低，从而保证了钢轨电位下降速度减慢，因此在实际工程设计中需要考虑机车在吸上线之间的位置发生变化时对最大钢轨电位的影响。

图7 机车在相邻吸上线之间不同距离时的钢轨电位分布

图8 机车在相邻吸上线之间不同距离时的钢轨电位分布局部放大图

3 结论

经仿真分析，通过递进的方式得到了3种因素对钢轨电位的影响规律以及各因素之间的关系，并为抑制钢轨电位的方法提供了思考方向。

1)基于结论：机车在相邻两根吸上线中点处的钢轨电位最大的启发，通过在相邻吸上线中点的钢轨处接上接地电阻，可以在不影响且不改变吸上线位置的情况下，有效抑制钢轨电位。

2)下一阶段的重点工作之一就是在本文所建立的仿真模型基础上，进一步设计1)中提到的抑制钢轨最大电位的仿真模型，并验证该方案的可行性以及得到相应的抑制效果。