电气化铁路分区所接地电阻研究

侯东光

0 引言

牵引变电所接地系统是维持所内设备可靠运行及人员安全的重要保障。随着铁路运输的不断发展，对铁路牵引供电系统的安全可靠性提出了更高的要求，各所亭内接地网的设计及参数的选取也逐渐成为了工程设计中关注的焦点。同时，牵引变电所正朝着智能化和紧凑化方向发展，变电所内一次和二次设备对接地系统的要求也越来越高。所内一旦发生短路故障，故障电流涌入接地网，造成接地系统电位抬升，可能会对变电所内的设备和人员安全造成一定的危害。因此，研究牵引变电设施接地系统接地参数在故障情况下对牵引供电系统的影响具有重要的工程意义。

借助理论分析及计算机仿真等技术，行业内已经对牵引变电所接地网接地参数[1]及综合接地系统[2，3]有了较多的分析和研究，但对于分区所接地网接地参数的研究相对较少。本文将借助电路仿真软件搭建电气化铁路牵引供电系统模型，对分区所接地网接地参数进行分析和研究。

1 牵引供电系统仿真模型建立及参数设置

牵引网各导体之间的耦合关系，牵引及回流路径，牵引变电所、AT所及分区所的等效电路等，并结合工程实际确定仿真模型中的各项参数。

1.1 仿真模型建立

牵引供电系统中各导体主要以平行的位置关系布置，每个导体的阻抗由自阻抗及导体间互阻抗构成。在利用电路仿真软件建立牵引供电系统仿真模型时，可将牵引网分割为一定长度的子网模型，通过π型等效电路搭建子网模型，并将子网模型进行级联，构成牵引网链式网络模型。

如图1所示，AT供电方式牵引网导线主要由接触线CW、承力索MW、正馈线AF、钢轨、保护线PW及贯通地线GW组成。在仿真中，将承力索和接触线等效为T线，2条钢轨合并为R，因此等效后的复线牵引网模型中共包含10个导体[4]。同时仿真中还需考虑牵引变压器、自耦变压器及横向连接等模块，与牵引网链式网络模型共同构成牵引供电系统仿真模型。

图1 AT牵引供电系统导线悬挂示意图

1.2 仿真参数选取

仿真中选取牵引供电系统电压等级为220 kV，供电臂长度为30 km，分为2个AT段，AT所距离牵引变电所15 km。牵引网链路模型以1 km为单元进行模块划分，同时每隔1 km将保护线、钢轨及综合地线进行横向连接。牵引变压器及自耦变压器仿真参数见表1。

表1 牵引变压器及自耦变压器仿真参数

结合牵引网各导体的空间位置，利用经典公式计算各导体的自阻抗及互阻抗[5]，其中为简化仿真模型，综合贯通地线与各导体之间的互阻抗暂不考虑。仿真中选取钢轨对地泄漏电阻为100 Ω/km，综合贯通地线接地电阻为1 Ω。将AT所及分区所自耦变压器退出，即可进行直供方式的牵引供电系统仿真。

2 牵引供电系统分区所短路故障仿真分析

牵引供电系统中分区所内部发生对地短路故障时，部分故障电流经过主接地网注入大地，部分通过PW线、钢轨、回流线及贯通地线流向牵引变电所，除此之外对于AT分区所，还会有部分故障电流流入自耦变压器的接地端。因此不同的供电方式下，故障电流的流通路径及各部分的比例会有所不同，故仿真中针对直供无综合接地、直供带综合接地及AT供电带综合接地3种供电方式下分区所接地电阻对牵引供电系统短路故障时的影响进行分析。

2.1 直供无综合接地系统供电方式仿真分析

对于直接供电方式且铁路沿线无综合接地线的供电方式，分区所内部发生短路故障时，故障电流一部分经过主接地网进入大地，另一部分通过钢轨和回流线流向牵引变电所。

选取分区所处对地短路电流为3 000 A，仿真中选取了不同的分区所接地电阻，对分区所地网电位、入地电流及沿线钢轨电位进行分析，仿真结果如表2和图2所示。

表2 分区所接地电阻对地网电位及入地电流的影响

图2 铁路沿线钢轨电位的分布

从表2中可以发现，随着分区所接地电阻值的增大，短路故障时分区所主地网电位也随之升高，而经主地网入地的故障电流及入地电流与短路电流比逐渐减小。

从图2的钢轨电位分布可发现，短路点处的电位最高，距离牵引变电所越近，轨道电位呈现先下降后上升的趋势。分区所接地电阻的增加将会引起大范围的钢轨电位抬升。

选取分区所接地电阻为4 Ω，分析不同短路电流对分区所地网电位及入地电流的影响，结果如表3所示。

表3 分区所短路电流对地网电位及入地电流的影响

由仿真结果可得，分区所接地电阻一定时，分区所地网电位及入地电流随短路电流的增大而增加，且呈正比例关系。结合表2和表3，分区所的地网入地电流比不受短路电流的影响，主要与接地电阻有关。

2.2 直供带综合接地系统供电方式仿真分析

对于直供且带综合接地的供电方式，分区所内发生短路故障时，故障电流部分经分区所地网入地，其余部分经钢轨、回流线及综合接地线流向牵引变电所。结合实际工程经验，设置综合接地系统接地电阻为1 Ω。

选取分区所处对地短路电流为3 000 A，不同分区所接地电阻时仿真结果如表4和图3所示。

表4 分区所接地电阻对地网电位等参数的影响

图3 铁路沿线钢轨电位的分布

由表4数据可以发现，随着分区所接地电阻的增大，短路故障时分区所地网入地电流逐渐减小，综合贯通地线中的电流逐渐增大。分区所接地电阻为50 Ω时，主地网的入地电流比仅为0.4%，综合贯通地线中的电流比为16.2%，此时绝大部分短路电流经综合贯通地线、钢轨及回流线流回牵引变电所。分区所接地电阻从50 Ω增加至100 Ω时，接地网电位、入地电流及综合贯通地线电流等参数变化较小。

选取分区所接地电阻为4 Ω，分析短路电流对分区所地网电位、入地电流及综合贯通地线电流的影响，结果如表5所示。从仿真结果可得，短路电流的增加会引起分区所地网电位、地网入地电流及贯通地线内电流的增加，但对于分区所入地电流比及综合贯通地线电流比没有影响。

表5 分区所短路电流对地网电位等参数的影响

对比表3和表5可发现，在相同的短路电流及接地电阻下，铁路沿线敷设综合贯通地线可以将分区所地网的入地电流比从17%降低至4.2%，从而降低了短路故障时分区所地网电位的抬升。同时，综合接地系统的接地电阻远小于钢轨对地泄漏电阻，因此可以有效降低短路故障时的钢轨电位。

2.3 AT供电带综合接地系统供电方式仿真分析

对于AT供电方式带综合接地系统，当分区所内部发生对地短路故障时，由于自耦变压器的作用，部分故障电流会流入自耦变压器内，部分电流经主地网入地，剩余部分电流经PW线、钢轨及综合贯通地线流回牵引变电所。选取综合贯通地线接地电阻为1 Ω进行仿真。

选取分区所内短路电流为5 000 A，不同分区所接地电阻时仿真结果如表6、图4所示。由表6数据可发现，在AT供电方式且带综合贯通地线的情况下，分区所接地电阻在1～100 Ω范围内变化时，短路电流引起的地网电位仅为75.6～117.7 V，同时综合贯通地线内流入的电流也仅占短路电流的1.3%～2.0%。

表6 分区所接地电阻对地网电位等参数的影响

图4 铁路沿线钢轨电位的分布

从图4中可看出，铁路沿线钢轨电位的2个极值点出现在分区所和AT所处，分区所接地电阻对钢轨电位的影响效果明显减弱。

取分区所接地电阻为4 Ω，分析短路电流对分区所、AT所地网电位及分区所入地电流、综合贯通地线电流的影响，结果如表7所示。表7中结果表明，分区所接地电阻为4 Ω，短路电流从2 000 A增加至5 000 A时，分区所的地网电位由42.1 V增加到103.6 V，贯通地线内的电流从36.3 A增加至89.4 A。在AT供电方式下短路故障电流经主地网入地的电流占短路电流的比例较小，分区所接地电阻变化对于地网电位及综合贯通地线内的电流影响较小。

表7 分区所短路电流对地网电位等参数的影响

3 结论

结合规范要求，在实际工程设计中，接地网电位抬升不得超过2 000 V，在难以满足的情况下可放宽至5 000 V[6]。根据3种供电方式的仿真结果可得到如下结论：

（1）对于直接供电且铁路沿线无综合接地线的供电方式，分区所接地电阻的变化对短路时地网电位抬升的影响较大。当短路电流为3 000 A，接地电阻为4 Ω时，地网电位已经达到2 039 V，超过规范允许值。因此，该供电方式下的分区所接地电阻不宜过大。

（2）对于直接供电且带综合接地的供电方式，由于贯通地线可分担一部分短路电流，减少了分区所地网入地电流，因此分区所地网电位抬升均未超过2 000 V。但随着分区所接地电阻的增大，贯通地线内的电流也随之增大，可能会对与综合贯通地线相连接的其他设备及与贯通地线同沟敷设的信号电缆产生一定的干扰。因此，在设计过程中，该供电方式下的分区所接地电阻在综合考虑工程经济性及对沿线设备的影响后，可适当增大。

（3）对于AT供电且带综合接地系统的供电方式，分区所短路故障电流仅有一小部分通过地网入地，进入综合贯通地线的电流也较少，因此接地电阻对地网电位抬升的影响很小，接地电阻的裕量较大。但AT供电方式在实际运营中存在解列成直供方式的可能，因此在选取分区所接地电阻时需参考直供且带综合接地系统供电方式参数选择原则。