牵引变电所接地计算探讨

杨天平

0 引言

变电所接地的主要目的是保障系统能够安全可靠地运行，保障人身及设备的安全。安全可靠的接地需要满足接地装置接地电阻、接触电势和跨步电势的要求，因此接地系统设计的关键是确定设计区域的入地电流，然后根据入地电流的大小进行合适的接地系统设计[1]。

目前牵引变电所接地设计主要计算依据是《铁路电力牵引供电设计规范》[2]（TB10009-2005）附录介绍的入地短路电流及电位计算，该计算方法同电力系统发电厂、变电所经接地装置的入地短路电流及电位计算[3]方法。因为电力系统110 kV及以上供电系统采用有效接地系统，所以规范中计算方法对于牵引变电所高压侧（110 kV或220 kV）流经接地装置的入地短路电流都是适用的，但在交流电气化铁路牵引供电系统中，牵引电流是从牵引变电所经馈线流出，沿接触网送给电力机车，然后经轨道、大地和回流线流回牵引变电所，轨道和大地就成为牵引回流的组成部分，当在牵引变电所牵引侧发生接地时，其实质是发生了相间短路，因此规范中介绍的计算方法不再适用于牵引变电所牵引侧发生接地时的入地短路电流计算。

在牵引变电所接地设计时，往往只考虑在接地故障状况下的地电位升高造成的危害，但轨道和大地为牵引回流的组成部分，在正常运行不采用带吸回装置的供电方式时，牵引供电回路中的入地电流较大，造成地电位升高较大且该入地电流不属于故障电流不能切除，因此对人身及设备的安全会造成极大的危害，在接地设计时必须引起足够的重视。

本文将着重对上述在接地设计中存在的问题加以探讨。

1 入地电流的近似计算[4～7]

1.1 单相接地短路时入地电流

1.1.1 牵引变电所高压侧单相接地短路

对于牵引变压器在运行中有中性点引出的，在发生接地短路时，则可直接运用《铁路电力牵引供电设计规范》附录中的计算方法，对于牵引变压器在运行中无中性点或中性点不引出的，在变电所内发生接地短路时，由于Iz= 0，所以可简化为

而在变电所外发生接地短路时，由于Iz= 0，所以可简化为

式中，I为入地短路电流；Imax为接地短路时最大接地短路电流；Iz为发生最大接地短路电流时，流经变电所接地中性点的最大接地短路电流；Kf1为变电所内短路时，避雷线的工频分流系数。

电力系统为了减小单相接地短路电流，降低对邻近通讯系统的干扰，往往有选择性地将一部分变压器中性点接地，一部分变压器中性点不接地，而目前铁路系统绝大多数牵引变压器实际都运行在中性点不接地状态，因此在进行接地短路时入地电流计算主要运用的是式（1）及式（2），在设计时需加以注意。

1.1.2 牵引变电所馈线单相接地短路

牵引变电所牵引侧接地短路主要表现为母线接地短路、接触网接地短路及馈线（供电线）接地短路。

牵引侧母线接地短路时，虽然短路电流很大，但因为在所内短路，都是以接地装置作为短路电流回路，所以经接地装置入地的短路电流为0。

接触网单相接地短路时，则经接地装置入地的短路电流可近似为短路电流计算值乘以地中电流分配系数。由于牵引网短路阻抗的存在及轨道的分流作用，则当接触网单相接地短路时，经地回流的入地电流并不大，本文不再详述。

牵引变电所馈线（供电线）接地短路，由于牵引变电所与接触网连接的馈线情形是多种多样的，有的与线路几乎垂直且距离较远，有的与线路几乎平行且距离较近，因而精确的数学模型较难建立，本文仅着重分析在最不利情况下的入地短路电流。

当馈线在变电所接地装置外但相距很近且距钢轨较远时发生短路，可忽略轨道电路的分流作用，接地短路电流主要经地、变电所的接地装置流回牵引变压器，此时流经变电所接地装置的入地短路电流，在牵引侧各种短路中是最严重的，可近似为牵引侧母线一相接地短路时的最大短路电流。其入地短路电流表达式见式（3）—式（5）。

单相变电所（V/v）

三相变电所（Y/D）

三相-两相变电所（SCOTT）

1.2 正常运行状况下入地电流

在单线电气化区段直接供电方式下，地中电流约为接触网电流的 1/2；在双线电气化区段，地中电流约为接触网电流的1/3，上述入地电流可用于计算牵引网中经接地装置流回牵引变电所的电流上限，其表达式见式（6）：

单线电气化区段地中电流分配系数

式中，KE为地中电流分配系数；I1为接触网-地回路电流；I2为轨道-地回路电流；Z12为接触网-地回路与轨道-地回路单位互阻抗；Z2为轨道-地回路单位自阻抗。

双线电气化区段地中电流分配系数

式中，I1为上行接触网-地回路电流；I2为下行接触网-地回路电流；I3为轨道-地回路电流；Z13为上行接触网-地回路与轨道-地回路单位互阻抗；Z23为下行接触网-地回路与轨道-地回路单位互阻抗；Z3为轨道-地回路单位自阻抗；一般情形Z13= Z23。

2 工程案例分析

案例1：某牵引变电所牵引变压器为三相YN，D11结线，额定容量为 25 MV·A，额定电压为110/27.5 kV，变压器阻抗电压百分值Ud% = 10.5，1台运行1台备用，中性点不接地，系统最大运行方式时，110 kV母线正序阻抗标幺值X1= 0.1548，零序阻抗标幺值 X0= 0.3097（基准容量为 Sj=100 MV·A，基准电压取平均电压），计算接地短路时最大入地短路电流。

高压侧单相接地短路时最大接地短路电流：

在变电所内发生接地短路时，由式（1）可知，在忽略避雷线的工频分流系数情况下，短路时最大入地短路电流为2430 A。在变电所外发生接地短路时，由式（2）可知，最大入地短路电流为0 A。

由（3）式可得，馈线侧单相接地短路时最大接地短路电流：

由上述计算可见，当在牵引变电所外馈线近点接地时，短路电流全部流经牵引变电所接地装置，有时会超过110 kV（或220 kV）侧单相接地短路时流经牵引变电所接地装置的入地电流，因此在对牵引变电所入地短路电流分析时也应加以考虑。

案例2：某牵引变电所土壤电阻率为100 Ω/m，接地网采用长孔接地网，接地电阻及计算值为0.42 Ω，最大接触电位系数计算值为Kj= 0.273，最大跨步电位差系数计算值为Kk= 0.065，经计算接地短路时最大入地短路电流为3310 A，正常运行时最大入地电流为490 A。校核接地系统接触电势及跨步电势是否安全可靠。

接地短路时

接地装置的电位EW= I · R = 1516.2 (V)

最大接触电势Ejm= Kj· EW= 379.5 (V)

最大跨步电势EK= KK· EW= 98.55 (V)

接触电势最大允许值

跨步电势最大允许值

其接触电势及跨步电势均小于允许值，满足规范设计要求。

正常运行时

接地装置的电位EW= I · R = 205.8 (V)

最大接触电势Ejm= Kj· EW= 56.2 (V)

最大跨步电势EK= KK· EW= 12.8 (V)

接触电势最大允许值Ej= 50 +0.05ρ = 55 (V)

跨步电势最大允许值Ek= 50 +0.2ρ = 70 (V)

其最大接触电势小于接触电势最大允许值，不满足接地系统安全性要求，因此需要增设水平均压带或垂直接地极等措施，以此降低接触系数或增大土壤电阻率。

通过上述接地短路时与正常运行时接触电势及跨步电势比较可见，在接地设计时，不仅要校核接地故障状况下的接触电势及跨步电势，当正常运行时入地电流较大时，也需要加以校核。

3 结语

牵引变电所接地是牵引供电系统安全运行的根本保证，在接地设计计算中，入地电流的准确计算是校核接地装置接地时，接地电阻及接触电势和跨步电势是否满足要求的关键；在计算入地短路电流时，不仅要计算牵引变电所高压侧（110 kV或220 kV）流经接地装置的入地短路电流，还应计算牵引变电所馈线侧接地时流经接地装置的入地短路电流，并加以比较取其最大值，在接地装置接地，校核接地电阻及接触电势和跨步电势时，不仅要考虑接地短路故障下的入地电流造成地电位升高的影响，还要考虑在正常运行时入地电流造成地电位升高的影响。

[1]何金良，曾嵘.电力系统接地技术[M].北京：科学出版社，2007.

[2]TB10009-2005 中华人民共和国铁道部.铁路电力牵引供电设计规范[S].

[3]DL/T621-1997 中华人民共和国电力工业部.交流电气装置的接地[S].

[4]谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统[M].成都：西南交通大学出版社，2007.

[5]李群湛，贺建闽.牵引供电系统分析[M].成都：西南交通大学出版社，2007.

[6]谭秀炳.牵引变电所经接地装置的入地短路电流计算方法的应用研究[J].西铁科技，2000，1.

[7]简克良.电力系统分析[M].成都：西南交通大学出版社，1993.