高速铁路轨回流通道施工技术研究

段廷华

0 引言

武广客运专线行车闭塞以3 min 为正向列车追踪行车间隔，以CRH-3 型双动车重联编组运行，每台动车功率8 800 kW，最大牵引电流每编组车辆为782 A。以AT 供电方式构成牵引供电网，每个供电臂平均长达26 km，供电臂末端最低网压19 kV，AT 分区所最大馈线电流880 A。

通过动态试验的统计数据分析发现，动车以时速300 km 通过分相时，时速平均下降15 km 左右。以时速350 km 通过分相时，在分相区域从断标位置到合标位置的速度差，最低 8 km/h、最高35 km/h，可以看出，高速动车运行速度受动力影响或者说受网压网流的影响相当敏感。

用复数阻抗计算动车运行时的轨回流，影响较大的是回流电缆长度和通道中各连接点的接触电阻。因此，要保持动车350 km/h 恒速运行以满足速度需求，在网压正常的前提下，保障轨回流畅通、提高通道质量是一个不容忽视的问题。

轨回流通道通常由接触网和信号2 个专业分别完成设计和施工，如果在工程接口部出现问题，将影响轨回流通道畅通。

1 现状分析

1.1 供电回路及轨回流通道分析

供电回路及轨回流通道原理见图1。

图1 供电回路及轨回流通道原理图

图1 中，T、F 间电压55 kV，TF 与JD 间电压27.5 kV，JD 为中性接地和轨回流端。

从图1 中可以看出，轨回流通道由变电所接地箱分别引出至信号扼流变压器、接触网PW 保护线（以下简称PW 线）和地网构成的大地回流3 条通道组成。

从现场监测到的数据来看，动车通过闭塞分区时，经信号扼流变压器中性点到大地的回路电流约为30～70 A，占总牵引电流的9%左右；经接触网吸上线流向PW 线的电流约为130～210 A，占总牵引电流的26%左右，剩余65%的牵引电流是经钢轨传送，由牵引变电所附近的扼流变压器中性点引出的回流电缆流向变电所接地箱，最终回至牵引变压器。

由于AT 所与至变电所、分区所的平均间距为13 km，考虑到轨回流流向的不规则性，列车在区间运行时有相当数量的牵引电流是通过平均设置间隔为1.3 km的扼流变压器至吸上线和接触网PW线回到变电所。因此，优化扼流变压器布置、提高连接工艺标准是保证轨回流通道畅通、保持列车动力恒定的重要环节。

1.2 设计方案

武广客运专线牵引供电设计分别在各变电所、AT 所和分区所处设置2 路轨回流电缆，由所内集中接地箱接地母线引出，1 路连接至对应变电所所址位置的信号扼流变压器中性点，1 路连接至PW线，均采用3×150 mm2多股电缆。

在区间信号闭塞分区扼流变压器处设置吸上线，采用截面积70 mm2多股电缆，隧道外从扼流变压器连接至H 形钢柱，再经钢柱连接至PW 线，隧道内从扼流变压器沿隧道壁直接引至PW 线。

另外，在变电所2 km 范围内、站内每隔300 m、其他地带每隔500 m 处，正线上下行间线路两侧的PW 线并联一次。

在信号设计方面，确定以进站信号机为起点，平均每隔1.3 km 上下行线各设置一组扼流变压器，遇有变电所、AT 所、分区所时，以变电所中心位置调整里程。同时要求，区间扼流变压器距离轨道电路电气绝缘关节不小于100 m，距离补偿电容不小于20 m。但没有明确要求为配合轨回流电缆和吸上线连接而调整扼流变压器设置位置。

另外，在上下行正线外侧各敷设一条截面积70 mm2贯通地线，并且沿线路方向每间隔500 m并联一次。

PW 线和贯通地线在轨道电路两侧形成的轨回流通路如图2 所示。

图2 轨回流通路示意图

2 工程实施中的一些问题

2.1 变电所处的信号扼流变压器设置问题

理想状态下，变电所处的扼流变压器应设置在距离变电所所址最近且便于回流电缆敷设，同时靠近无砟轨道预留过轨手孔和过轨管处，以达到回流电缆最短、衰耗最小的目的。

但实际工程应用中，受区间轨道电路中补偿电容和调谐区的影响，以及受征地、现场地质地貌环境条件干扰引起的所址位置变化影响，安装时部分扼流变压器实际安装位置距离变电所较远，个别扼流变压器安装位置甚至既不靠近变电所，又难以靠近无砟轨道预留过轨管和电缆手孔，造成回流电缆绕行较远。

2.2 扼流变压器引出回流电缆的连接问题

图3 中可看出，有4 条电缆在扼流变压器中间端子上连接，受电缆端头压接线环几何形状影响，连接部位拥挤，容易造成连接松动，导致接触电阻增大。在大电流状态下，该连接方式应改进。

2.3 闭塞分区扼流变压器的设置问题

部分扼流变压器设置没有靠近接触网钢柱，造成连接扼流变压器和H 形钢柱的吸上线延长，增加了回路衰耗和工程成本，还易造成回流电缆与信号电缆交叉。

图3 扼流变压器中性点电缆连接示意图

2.4 吸上线和PW 线回流电缆连接问题

现场的连接方式见图4 所示。

图4 吸上线与回流电缆连接图

图4 中来自扼流变压器中性点的吸上线电缆通过基础接地端子再跳接到H 形钢柱的做法既增加了回路故障点，又增加了回路连接电阻。

同时，来自变电所接地箱的回流电缆连接至PW 线的标准不统一，有的是3 条电缆全部连接至H 形钢柱，有的是2 条电缆连接至H 形钢柱、另1条电缆连接至PW 线；部分设置在隧道内的扼流变压器，其吸上线通过电缆引至隧道外H 形钢柱，增加了回流电缆的长度。

2.5 现场监测的几组牵引电流数据分析

双车重联正常运行状态时，地面监测到的牵引电流最小值517 A，最大值为782 A，中间分布值为615～686 A。在供电臂末端分区所位置监测到的最小电流为410 A，最大电流为540 A 左右。

单组动车通过时，最大电流为327 A，最小电流为184 A，多数电流值分布在270～308 A。

从电流分布情况看，供电臂末端电流值衰耗较明显，对回流电缆与信号扼流变压器的连接质量，以及吸上线与接触网H 形钢柱的连接电阻提出了更高要求。即使连接部位出现1 Ω的电阻差也将会产生上百伏的电位差。如此大的电位差对轨道电路和相关设备的安全构成了威胁。因此，必须保证回流通道电缆的连接质量。

3 对存在问题改进的思考

（1）在变电所附近设置扼流变压器时，无砟轨道板浇筑前，应由线路施工单位，站后房建、接触网、信号等设计和施工单位共同勘测现场，以确定最佳位置，必要时通过增改过轨预留管以减少回流电缆长度。同时由接触网和信号2 个专业共同制定扼流变压器、回流电缆的设置方案。

（2）来自所内连接PW 线的3 条回流电缆全部上杆，与PW 线采用压接工艺连接。

（3）在隧道外设置扼流变压器时，其位置与接触网钢柱的距离应以不大于2 m 为宜，隧道内的扼流变压器则通过吸上线直接连接至PW 线。

（4）吸上线与H 形钢柱的连接标准和连接电阻值不得大于1 Ω。

（5）变电所附近的扼流变压器中性点应设置专用T 形连接板，由扼流变压器供应商配套供应，以解决在该处连接电缆较多，固定不牢靠等问题。