基于CDEGS的牵引变电所回流不畅分析及解决措施

夏梦怡

摘 要：牵引回流系统是电气化铁路的重要组成部分，各回流路径电流比例也是验收过程的重要指标。本文利用CDEGS软件的仿真结果，分析某牵引变电所在联调联试过程中产生的回流不畅问题，并提出解决办法，最终在牵引变电所实地测试，以验证解决办法的可行性。

关键词：牵引回流系统;回流不畅;牵引变电所;CDEGS软件

中图分类号：U224;TM934.7 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）14-0132-03

Analysis and Solution of Unsmooth Backflow of Traction Substation

Based on CDEGS

XIA Mengyi

（Electrification Division， China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043）

Abstract： The traction return system is an important part of the electrified railway， and the current ratio of each return path is also an important indicator in the acceptance process. This paper used the simulation results of the CDEGS software to analyze the problem of poor backflow during the joint commissioning test of a traction substation， and put forward a solution， and finally tested it on the traction substation to verify the feasibility of the solution.

Keywords： traction reflux system;poor reflux;traction substation;CDEGS software

牽引供电回流系统是高速电气化铁路的重要组成部分，其主要由钢轨回流、PW线回流、地网回流以及综合地线回流共同构成。不同回流路径在回流系统中所占比例应合理分配。钢轨回流过大，则会导致钢轨电位升高，危及人身安全;PW线回流比例太小，会减弱通信、信号设备防电磁干扰效果，从而影响设备正常运行;所内地网回流过大，在故障短路或雷击时会导致所内电位升高，危及所内人员安全[1]。因此，各回流途径所占回流比例也是牵引变电所验收过程中的重要指标，对于不合格工程，要查找不合格因素并提出解决办法，限期整改。

CDEGS软件是由加拿大SES公司耗时十余年开发而成的解决电力系统接地、电磁场和电磁干扰等工程问题的强大软件。在建模过程中利用图形化数据输入程序SESCAD来简化和加速形成AutoGrid、MALT、MALZ和HIFREQ的导体网络。

本文利用CDEGS软件，基于平行多导体理论和现场实际数据建立仿真模型，将仿真结果和现场实测数据进行对比分析，提出了牵引变电所回流不畅的解决方案。

1 基于CDEGS的牵引变电所回流系统模型

1.1 平行多导体传输线模型

从整体来看，牵引网的骨架都是平行多导体传输线，在拓扑结构上构成链式网络[2]。牵引网可以等效成为图1所示的网络形式。设平行导体数为[m]，则图中各阻抗矩阵和导纳矩阵的阶数均为[m]×[m]，表示可能于各切面的注入电流源向量[Ik]为[m]维。

式（1）可以简写为：

[YU=I]                                          （2）

式（2）可以转化为：

[U=Y-1I]                                          （3）

因此，第k节点有：

[UN-UN+1=ZNI'N]                                    （4）

[I'k=Z-1k（Uk-Uk+1）]                                    （5）

求解式（3）可以得到导线节点电压矩阵[U]，带入式（5）可以得到每一分段各导线电流矩阵[I'k][3]。

钢轨作为牵引回流网的主要导体，沿线路实际上是不间断的。然而，在牵引供电系统的分析中，通常只需要对一个供电臂的牵引网详细建模。在建模过程中，牵引网端部的回流网视作向无限远延伸的多导体传输线，端部采用特征阻抗矩阵来模拟。

1.2 计算模型的建立

通过建立沿线回流系统、牵引所地网、土壤特性以及综合接触网回流系统的仿真模型，可以模拟牵引变电所附近回流特性。

仿真模型参数如下。一是N线（LBGLJ300），内电阻为0.092 Ω/km，半径为0.002 4 m;二是PW线（LBGLJ120），内电阻为0.239 Ω/km，半径为0.014 5 m;三是钢轨，内电阻为0.18 Ω/km，半径为0.012 79 m;四是贯通地线，内电阻为0.271 4 Ω/km，半径为0.004 7m。建立仿真模型，如图2所示。

2 牵引变电所实测数据

某AT牵引变电所自带负载运行，通过对回流数据的监测、分析，结果发现，所内地网回流占总回流的比重为65%～75%，各供电臂在带负荷运行状态下均存在此问题。表1、表2、表3为该牵引变电所不同时刻一列列车通过供电臂时回流（单位：A）统计数据。

根据表4[4]判据可以看出，该所地网回流比例超标，即存在所谓回流不畅的问题。为避免在后期运营过程中产生因回流不畅、架空地线断线、设备线夹烧熔等故障，要对地回流比例较高的问题进行分析并提出整改方案。

3 CDEGS建模仿真及问题分析

通过对牵引变电所实测数据分析可知，當列车位于距离AT所约2 km处，牵引电流最大，利用图1仿真模型将列车放置于该位置处进行计算分析，得出理论计算下各回流路径电流及分配比例值，如表5所示。

将表5仿真数据理论值同现场实际值进行对比分析，可排除由综合地线引起的回流不畅。

为了检验桥墩接地对回流的影响，利用夜间天窗时间，以牵引变电所对面的桥墩为中心线，分别向两边各拆除30座桥墩上的两条接地引下线。次日对所内回流数据进行分析，与之前的数据相比，地回流占总回流的占比无明显变化。

综合上述检测结果分析，造成牵引变电所回流不畅有以下两个原因：回流各回路电缆电阻大于牵引变电所外桥上接地体至回流箱电阻，PW线回流大部分经支柱—桥墩接地—主地网回到主变压器，导致地回流比例远大于计算值;扼流变处PW线至扼流变中心点连接电阻过大。

4 整治措施及结果

4.1 新增4根回流电缆

在牵引变电所正对面桥墩上方，各新增2根70 mm2电缆，分别接到上下行支柱的PW线上，共计4根电缆（上行新增两根电缆线长度分别为100 m、106 m;下行新增两根电缆长度分别为96 m、95 m）。次日检测所内地回流占比恢复至正常范围，地回流数据比轨回流小，地回流占总回流比例为27%左右。新增电缆后不用时刻的回流统计结果如表6、表7和表8所示。

4.2 对GW线进行改造

该牵引变电所供电线单独架设，供电线顶部设有GW线，GW线两端通过引下线接地。通过对GW线进行检测，笔者发现GW线内未有电流通过。

将GW线一侧与牵引变电所接地端子箱相连接，另一侧与上网点附近的上下行扼流变中性点连接，此时变电所作为临时措施的4根70 mm2电缆就近与PW线连接（上行2根、下行2根）。4组测试数据如表9所示。

4.3 整治措施小结

由表6至表9测量值对比可知，改造后GW线起一定回流作用，但上下行新增4根70 mm2回流电缆对回流结果影响较大。为进一步降低地回流比例，可适当增大导线横截面积，该牵引变电所可新增4根150 mm2电缆。

5 结论

本文基于CDESG软件建模仿真，对牵引网回流模型进行分析。研究表明，牵引网回流网与地回流的阻抗关系是影响牵引变电所地回流大小的主要因素，减小各回流路径阻抗、增大大地电阻率以及缩短电流泄露至大地的路径等都是减小地回流的有效措施;当各回路电缆电阻大于牵引变电所外接地体至回流箱电阻时，地回流比例会远大于计算值，可采用将PW线改为绝缘悬挂或增大PW线电缆截面等方式降低回路电缆电阻;牵引变电所附近吸上线连接以及吸上线布置都会对回流比例造成一定影响，在架设过程中应尽量避免较长距离的电流通路。

参考文献：

[1]李天石.铁路综合接地系统回流指标研究[D].兰州：兰州交通大学，2017.

[2]张俊骐，吴命利.电气化铁路牵引网节点方程组数值解法比较[J].电工技术学报，2016（31）：109-116.

[3]王越.牵引供电系统复核过程的建模与计算机仿真研究[D].北京：北京交通大学，2015.

[4]李天石，李明祥，霍斌.高速铁路变电所牵引电流回流指标研究[J].中国铁路，2017（2）：21-25.