AT供电系统钢轨电位的灵敏度分析

米泽辉 李群湛 马庆安 胡景瑜 刘小涵

（西南交通大学电气工程学院，成都 610031）

牵引网以钢轨和大地作为负荷电流的返回路径[1-2]，在正常运行过程中，钢轨相对大地具有一定的电位，会对人体、设备造成危害[3]，国际标准 IEC62128-1规定了其允许值[4]。

近些年，国内外专家对钢轨电位问题进行了相关研究。文献[5]从两相对称分量法和序网络角度，研究了钢轨电位分布，该方法具有简单可行、物理概念清晰等特点。文献[6-7]从基于多导体传输线的链式网络角度，讨论了钢轨电位分布规律。文献[8]总结了计算钢轨电位的三种方法，序网模型、基于多导体传输线的链式网络模型以及等效模型，用三种方法研究了钢轨电位。文献[9-10]研究了钢轨对地泄露电导率、上下行横连等措施对降低钢轨电位的效果。文献[11]研究了新模式、法国模式与日本模式3种 AT供电模式对钢轨电位的影响。文献[12-13]结合我国高速铁路建设实际情况介绍了综合接地设计方案，研究了综合接地对降低钢轨电位的效果。

本文从基于多导体传输线的链式网络模型角度，利用Matlab/Simulink建立了AT供电系统模型，对钢轨电位进行仿真计算，研究各种因素对钢轨电位的影响。

1 牵引网模型

各种类型的牵引网都可用以多导体传输线为骨架的链式网络统一描述，牵引网中的各种电气元件，都可描述为两类元件：纵向串联元件和横向并联元件。对串联元件和并联元件适当建模，通过节点的设置可以计算每一节点上各个传输线的电压、电流分布情况[6,8]。

高速铁路一般使用 AT供电方式[11]。本文主要对全并联复线AT牵引网的钢轨电位进行仿真计算，图1给出了有综合接地的全并联复线AT牵引网示意图，每隔6km上下行钢轨、PW线、GW线作横向连接，每隔3km将上下行PW线、GW线作横向连接[13]。

图1 全并联复线AT牵引网(有综合接地)示意图

2 钢轨电位的允许标准

钢轨电位允许标准按电压作用时间可分为短时（t≤0.5s）、暂时（0.5s＜t≤300s=和长时（t＞300s）3种情况，不同工况的允许值不同，根据国际标准IEC62128-1的规定，交流电气化铁道短时和暂时工况下的最大允许电压见表1[4]。长时工况下交流电气化铁道的最大允许接近电压一般不超过 60V。在特殊困难场所不得超过 25V。所谓接触电压是指人或牲畜在接触网故障时同时触及短路径路中两点所遭受的电压。而接近电压则是指在接触网正常工作条件下人和牲畜可能作为导体的一部分跨接于部分钢轨电位间的电压[10]。根据国际经验,用作计算接触电压的短路电流切断时间一般采用 100ms[12]，接触电压可以轨道电位的50%计算[13]。

3 钢轨电位的灵敏度分析

本文从基于多导体传输线的链式网络模型角度，利用Matlab/Simulink建立了全并联复线AT供电系统模型，正常运行与T-R短路时，对负荷点、钢轨电位取得最大值点（测试点）与短路点进行钢轨电位仿真计算，拟合计算结果，对钢轨电位进行灵敏度分析。

3.1 钢轨电位的影响因素

钢轨电位的影响因素有很多，包括牵引网供电方式、上下行横连、CPW 线、钢轨对地泄露电导率、AT漏抗以及贯通地线等。本文假设牵引变压器为单相接线，额定容量为 31.5MVA，短路电压百分比为15%，AT变压器容量为 8MVA，AT变压器漏抗为0.45Ω，电力机车电流为600A，速度为350km/h[6]。AT段长度为12km，轨道为无砟轨道，钢轨对地泄露电导率为0.002S/km[8-10]。综合接地系统采用TJ70贯通地线GW，每隔1.5km上下行钢轨、PW线、GW线作横向连接，每隔500m将上下行PW线、GW线作横向连接，每隔100m在无砟轨道内设置接地钢筋，并将其以“T”形连接方式接入综合接地系统，贯通地线接地电导率为1.5S/km。牵引网参数见表2[12-13]。

表2 牵引网参数

3.2 钢轨电位的仿真计算

1）正常运行时的钢轨电位

（1）上下行横连对钢轨电位的影响

上下行钢轨、PW 线、GW 线每隔 6km、3km与1.5km全横连时，负荷点与测试点钢轨电位分布情况如图2所示，上下行横连对钢轨电位的影响情况见表3。

从图2和表3中负荷点钢轨电位可见，在无综合接地时，上下行钢轨、PW线每隔3km与1.5km全横连时的钢轨电位最大值（209.4V与167.6V）比6km时的钢轨电位最大值（260.8V）降低51.4V与93.2V，降低了19.7%与35.7%。从测试点钢轨电位可见，钢轨电位高于IEC62128-1规定的最大允许钢轨电位。在有综合接地时，上下行钢轨、PW 线、GW线每隔3km与1.5km全横连时的钢轨电位最大值（111.7V与58.9V）比6km时的钢轨电位最大值（225.3V）降低112.1V与164.9V，降低了50.1%与73.7%。从测试点钢轨电位可见，6km时的钢轨电位高于IEC62128-1规定的最大允许钢轨电位[6-8]。可见，增加上下行横连对钢轨电位降低效果明显。

表3 上下行横连对钢轨电位的影响

图2 负荷点与测试点钢轨电位

（2）钢轨对地泄露电导率对钢轨电位的影响

钢轨对地泄露电导率为0.002S/km与0.01S/km时，负荷点与测试点钢轨电位分布情况见图 3，钢轨对地泄露电导率对钢轨电位的影响情况见表4。

图3 负荷点与测试点钢轨电位

表4 钢轨对地泄露电导率对钢轨电位的影响

从图3和表4中负荷点钢轨电位可见，在无综合接地时，钢轨对地泄露电导率为0.01S/km时的钢轨电位最大值（162.5V）比0.002S/km时的钢轨电位最大值（167.6V）降低6.6V，降低了2.5%。从测试点钢轨电位可见，钢轨电位高于IEC62128-1的最大允许钢轨电位。在有综合接地时，钢轨对地泄露电导率为0.01S/km时的钢轨电位最大值（58.5V）比0.002S/km时的钢轨电位最大值（58.9V）降低0.4V，降低了0.7%。从测试点钢轨电位可见，钢轨电位低于IEC62128-1规定的最大允许钢轨电位。可见，增大钢轨对地泄露电导率对钢轨电位降低效果不明显，影响钢轨的对地绝缘性能，降低信号的传输距离，使通过钢轨的牵引回流量减少，对轨道电路，钢轨对地泄露电导率越小越好，因此不能增大钢轨对地泄露电导率[12-13]。

（3）AT漏抗对钢轨电位的影响

AT漏抗为0.45Ω、0.90Ω与1.80Ω时，负荷点与测试点钢轨电位分布情况见图4，AT漏抗对钢轨电位的影响情况见表5。

图4 负荷点与测试点钢轨电位

表5 AT漏抗对钢轨电位的影响

从图4与表5中负荷点钢轨电位可见，在无综合接地时，AT漏抗为0.90Ω与0.45Ω时的钢轨电位最大值（168.0V与167.6V）比为1.80Ω时的钢轨电位最大值（168.0V）降低0V与0.3V，降低了0%与0.3%。从测试点钢轨电位可见，钢轨电位高于IEC62128-1规定的最大允许钢轨电位。在有综合接地时，AT漏抗为0.90Ω与1.80Ω时的钢轨电位最大值（58.9V与58.7V）比为0.45Ω时的钢轨电位最大值（58.9V）降低0V与0.2V，降低了0%与0.3%。从测试点钢轨电位可见，钢轨电位低于IEC62128-1规定的最大允许钢轨电位。可见，改变AT漏抗对钢轨电位降低效果不明显，同时改变AT漏抗会增加变压器的制造难度。

（4）贯通地线接地电导率对钢轨电位的影响

贯通地线接地电导率为1S/km与2S/km时，负荷点与测试点钢轨电位分布情况如图5所示，贯通地线接地电导率对钢轨电位的影响情况见表6。

图5 负荷点与测试点钢轨电位

表6 贯通地线接地电导率对钢轨电位的影响

从图5和表6中可见，贯通地线接地电导率为2S/km时的钢轨电位最大值(57.7V)比1S/km时的钢轨电位最大值(61.3V)降低0.6V，降低了1.0%。从测试点钢轨电位可见，钢轨电位低于IEC62128-1规定的最大允许钢轨电位。可见，增大贯通地线接地电导率对钢轨电位降低效果不明显。

2）T-R短路时的钢轨电位

上行线T-R短路时的钢轨电位分布情况如图6所示，综合接地对钢轨电位的影响情况见表7。

表7 综合接地对钢轨电位的影响

图6 短路点钢轨电位

从图6和表7中可见，有综合接地时的钢轨电位最大值（1917.5V）比无综合接地时的钢轨电位最大值（654.9V）降低377.5V，降低了65.8%，钢轨电位低于IEC62128-1规定的最大允许钢轨电位[2,9]。

4 结论

本文基于Matlab/Simulink仿真工具建立了AT供电系统模型，对钢轨电位进行了灵敏度分析。结果表明：增加上下行横连对钢轨电位降低效果明显，增大钢轨对地泄露电导率，增大AT漏抗，增大贯通地线接地电导率对钢轨电位降低效果不明显。

[1] 曹建猷.电气化铁道供电系统[M].北京：中国铁道出版社, 1983：172-177.

[2] 李群湛,贺建闽.牵引供电系统分析 [M].四川成都：西南交通大学出版社, 2007 ： 69-102.

[3] XIE S F.Study on methods to reducing rail potential of high-speed railway[C]//IEEE industrial electronics society.32nd Annual Conference on Industrial Electronics.Pariss IEEE, 2006： 1042-1046.

[4] Railway Applications—Fixed Installations—Part 1：Protective Provisions Relating to Electrical Safety and Earthing, International Standard IEC62128-1, 2003

[5] 李群湛,郭锴,周福林.交流电气化铁路 AT供电牵引网电气分析[J].西南交通大学学报,2012, 47(1)：1-6.

[6] 吴命利.牵引供电系统电气参数与数学模型研究[D].北京交通大学, 2006 ： 113-150.

[7] 何俊文,李群湛,刘炜,等.交流牵引供电系统仿真通用数学模型及其应用[J].电网技术,2010,34(07)：25-29.

[8] 杜雪松.AT牵引网轨地电位参数研究[D].西南交通大学, 2012.

[9] 吴广宁,曹晓斌,李瑞芳.轨道交通供电系统的防雷与接地[M].北京：科学出版社,2011：257-312.

[10] 缪耀珊.交流电气化铁道的钢轨电位问题[J].供变电, 2007(4)： 1-6.

[11] 马庆安,朱小军,郭楷,等.三种AT供电模式的比较[J].铁道学报, 2012, 34(3)： 34-39.

[12] 蒋先国.高速铁路综合接地研究[D].西南交通大学,2009 ： 34-62.

[13] 中华人民共和国铁道部.铁路综合接地和信号设备防雷系统工程设计指南[M].中国铁道出版社,2009：40-65.

[14] 中国中铁二院工程集团有限责任公司.通号 9301-铁路综合接地系统[S].铁道部经济规划研究院,2009.