综合接地对AT 牵引供电网络参数影响的研究

2011-03-13苏保卫陈剑云

电气化铁道 2011年3期

苏保卫，陈剑云

0 引言

国内高速客运专线采用了许多新技术，综合接地技术就是其中之一。所谓综合接地就是在高速电气化铁路的沿线敷设一条贯通地线，把沿线的电气化牵引供电系统、10 kV 电力供电系统、信号系统、通信系统以及其他电气电子设备的接地连接在一起，构成一个共用接地系统，这不仅可以较大幅度地降低各系统的接地电阻，其等电位连接也可更有效地确保人身安全和电子、电气设备的可靠运行。国内在研究法、德、日铁路接地技术的基础上，经过京津城际、武广、郑西等客运专线工程实施中的消化、吸收、创新，形成了具有自主知识产权的中国客运专线综合接地技术体系，并颁布了《客运专线综合接地技术实施办法（暂行）》规范[1，2]。

牵引供电系统是以钢轨和大地作为回流的特殊供电系统，客运专线牵引供电系统都采用AT（自耦变压器）供电方式，这种方式由于其牵引电压高（2×27.5 kV），牵引网阻抗小，供电距离长，能较好地满足高速客运专线机车对大功率大电流的需求[3，4]。客运专线供电电流达到千安，而钢轨对地泄漏阻抗又较大，因此钢轨电位可能会比较大。采用综合接地技术后，能较好地降低钢轨电位，对整个牵引网的供电参数有影响，但影响多大，效果如何需要精确计算才能获得。

本文在建立AT 牵引网络的广义四端网络精确计算模型的基础上，分析计算综合接地对钢轨电位、牵引网阻抗、钢轨回流、地中回流的影响。

1 AT 牵引供电网络的构成

AT 供电方式所构成的牵引网络十分复杂，它由牵引网接触线T（包括并联的承力索）和正馈线F 接在自耦变压器的原边，构成55 kV 供电回路，而钢轨与自耦变压器AT（变比为1∶1）的中点连接，使接触网与钢轨间的电压仍然保持为27.5 kV。实际运行系统还加有保护线PW，保护线和接触网并行，约1.2 km 通过扼流变压器与钢轨连接，钢轨对大地存在沿线均匀分布的泄漏电阻。高速轨道对地泄漏电阻一般较大，特别是高架区段，不能依靠钢轨作为基本接地体。国内客运专线的电源一般采用V/X 接线，变压器次边中点接钢轨，该接线方式的优点是可以省去变电所端的AT，节省投资。图1 为AT 牵引供电示意图，没有考虑综合接地的情形。

图1 AT 供电系统示意图

下面讨论综合接地的情形。综合接地方式的要点是在桥梁地段，利用桥梁深达数十米的桩基础结构钢筋作为垂直地极或者利用几十平米的扩大基础中的结构钢筋作为水平接地网；隧道地段，利用锚杆或结构钢筋作为垂直或水平接地极；路基地段，利用国内首创的导电高分子护套贯通地线和深达数米的接触网支柱基础结构钢筋分别作为水平和垂直接地极；通过全线敷设的导电高分子护套贯通地线（桥隧地段敷设于电力电缆槽中，路基地段必须敷设于电缆槽下）将每个接地极连接起来，并在桥梁等土建结构物中安装不锈钢接地端子，形成贯通客运专线全线的综合接地公共接入平台。综合接地线也每隔1～2 km 和钢轨、保护线通过扼流变压器连接。因此，综合接地系统可以看成一条纵向导线，它隔段埋设接地极，并和钢轨分段连接的线路。图2 为接入综合接地系统的牵引网络示意图。

图2 带综合接地的AT 供电网络示意图

图2 中考虑了一条通讯线路。为了简化，图1和图2 都只画出了单线（上行）的供电系统图，实际的客运专线都是复线（上行和下行），上行和下行并联运行, 即上下行接触线网、正馈线在首末端和AT 处并联，上下行钢轨、保护线通过扼流变压器连接发挥网络的供电能力，并且降低钢轨的电位。

2 广义四端网络表征的AT 供电系统模型[5]

考虑上下行并联运行，AT 供电网络显得非常复杂，简化等值电路计算很难得出所需的数据和精度，采用并联多导体系统数学模型是非常必要的。这里考虑建立一个16 根纵向导线的模型，这些导线（上行）包括：1 接触线；2 承力索；3 正馈线；4 钢轨；5 钢轨；6 保护线；7 综合地线；8 通信线。另外有对称的下行8 根导线。纵向导线之间存在分布电感、互感、电容和泄漏电阻，纵向导线间还有横向连接元件，包括牵引变压器、AT 变压器、电力机车、连接导线、接地电阻等。整个牵引供电系统可以表征成图3 所示的广义四端网络[4]。

图3 由广义四端网络表征的AT 系统等值电路图

图3 中ZK为各段支路16×16 阶的阻抗矩阵，IK为16×1 阶的支路电流矩阵，YK为各节点16×16 导纳矩阵，GK为16×1 阶外界注入的电流矩阵，VK是16×1 阶的电压矩阵。对于上面的链式电路，第K 个节点，有

由此得

把式（3）、式（4）代入式（2），并令

则有

图3 整个网络方程为

简写为

可求解得

将求解得到的导线节点电压矩阵VK，代入式（3），可以求得导线各段的电流矩阵IK，整个网络得以求解。

3 牵引网特性曲线计算与分析

以沪宁线无锡东变电所至苏州工业园区分区所供电臂为算例。供电臂长 30.692 km，在15.802 km 处AT 所和末端分区所安装AT 变压器。各参数如下：牵引变压器为V/X 接线，中性点N引出接地，额定电压220 kV/(2×27.5) kV，中压绕组容量为25+25 MV·A，2 对高中压绕组的阻抗电压为10.5%，并满足阻抗Z21=Z31，（3Z21+Z31-Z23-1）/4=0.45 Ω；AT 变压器容量32 MV·A，短路阻抗 0.1+j0.45 Ω；牵引网导线型号：接触线MgCu-150，承力索THJ-120，正馈线LGJ-240，保护线LGJ-120，钢轨P60，综合地线TJ-95。大地导电率分区段不同，在（21～100）×10-3S/m 范围内。实测变电所接地阻抗0.21 Ω、AT 所接地阻抗0.42 Ω、分区所接地阻抗0.24 Ω。钢轨泄漏电阻100 Ω·km，综合接地每1.2 km 和钢轨并联，接地阻抗为1 Ω。

3.1 钢轨电位

为了考究综合接地对钢轨电位的影响，在供电臂22 km 处，分别计算正常机车取流1 000 A 时和短路故障时两种情况，计算结果如图4 和图5 所示。观察图4，图5，可以知道，钢轨最高电压出现在机车取流处，中间AT 处也有个小峰值。

图4 正常取流钢轨电位曲线图

图5 短路时钢轨电位曲线图

IEC479 规定：正常运行时接触电势≯60 V，短路时(0.1 s)≯852 V。表1 和表2 数值表明，带综合接地后，钢轨电位有显著的降低，完全满足规定要求。

表1 在22 km 处机车取流1 000 A 时钢轨电位极值表单位：V

表2 在22 km 处发生短路时钢轨电位极值表单位：V

3.2 牵引网阻抗

牵引网阻抗特性曲线是保护动作的主要依据。只考虑2 种短路类型，一种是接触网-钢轨（T-R）短路，另一种是接触网-正馈线（T-F）短路。图6和图7 分别为2 种类型的短路阻抗曲线。阻抗值的计算是取变电所馈出母线电压除以馈出电流求得。

图6 T-R 短路阻抗曲线图

图7 T-F 短路阻抗曲线图

分析图6，T-R 型短路曲线显示大波浪中有小波浪状，究其原因在于，上下行钢轨、架空回流线和综合接地在间隔1.2 km 左右会做一次连接，连接点之间区段短路阻抗再显非线性化。加综合接地后，阻抗略有减少。图7 曲线表明有综合接地时的阻抗曲线和无综合接地时基本重叠，换句话说，综合接地基本不影响T-F 型牵引网阻抗特性，曲线也没有小波浪，这主要是短路电流基本不走钢轨、通过综合接地线以及架空回流线回流。