牵引供电系统地回流分析及接地网交流电腐蚀问题研究
1引言
电气化铁路运输具有节能、环保、高效等优势，目前被认为是较为理想的一种运输方式，2004年1月，国务院常务会议讨论完成了《中长期铁路网规划》，制定了我国铁路到2020年的远景规划。为了服务于社会经济发展，适应国家经济布局、资源和人口分布、土地开发等一系列要求，在2008年，国务院进一步讨论完成《中长期铁路网规划》的方案调整，完善了电气化铁路路网布局。近十几年来，电气化铁路发展迅速，同时对可靠性也有着越来越高的要求，作为电气化铁路的核心系统，研究牵引回流的相关问题对电气化铁路的安全运行具有重要意义。
近年来，我国高速铁路、客运专线和200km/h客货共线铁路等高等级铁路己经进入快速发展阶段，列车运行速度的提高导致牵引供电系统的牵引回流不断增大。牵引回流是电气化铁路牵引供电系统中不可缺少的关键技术，现在采用的牵引回流系统主要由架空回流、钢轨回流和地回流构成。架空回流线承担了大部分牵引电流回流任务，钢轨兼顾牵引回流和轨道电路的作用，地回流作为牵引回流的一部分，其电流成分相对来说比较复杂。在电气化铁路发展的初期，牵引地回流问题并没有引起人们的足够重视。随着高速、重载铁路的发展，电气化铁路牵引电流日益增大，牵引地回流对牵引供电系统带来的问题变得不可忽视。
牵引供电系统地回流中的谐波成分对铁路电务信号系统产生了严重干扰。近年来电缆烧损事件频发，给铁路运输带来了巨大的经济损失。例如，大秦线的翠屏山至蓟县西间K414+560m处于2008年2月6日出现电缆槽内电缆着火现象，多处信号点的信号机灭灯，故障延时174min; 2009年3月14日，茶玛至下庄间LK191号大桥上F-9和F-11电缆盒着火，电缆槽内五条信号电缆均烧毁3-4m，造成故障延时15hl6min随着高速铁路的快速发展，其运行速度快、行车密度大，导致牵引负荷和短路故障时电流明显增大，直接影响钢轨电位使其抬高，轻则对轨道旁的工作人员及车站人员的人身有着安全威胁；重则会损坏信号设备，威胁列车的运行安全。
牵引供电系统地回流过大对牵引变电所的安全运行带来严重影响。经技术人员的现场检测，株洲北牵引变电所全天监测出的地回流最大为550A,超出了电流表400A的量程(地回流的LH变比为400 / 5)。2004年12月15日，由于钢轨回流不畅，使得本来就很大的地回流更大，造成地回流电缆(VLV22-3X185mm2)烧坏，导致牵引供电系统事故。
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1.2.1直流牵引供电系统地回流研究现状
直流供电方式大量应用于城市轨道交通的牵引供电系统中，轨道交通直流供电方式的牵引电压多为直流750V或1500V,造成系统牵引电流很大。城市轨道交通沿线地下通常埋设有多种管线及设备，大量的牵引地回流会对埋地金属设备构成腐烛危险。因此，各个国家对直流供电方式的地回流已经有了较为深入的研究。德国、美国、日本及前苏联等国家的城市轨道交通已经有了近百年的历史，这些国家在地线线路日常的运行维护中，对地回流给地下埋地设备的影响给予了高度重视，德国柏林交通公司组建了 25人的交通团队，常年对轨道交通地回流情况进行检测和防护。
我国城市轨道交通发展较晚，在建设运行初期，直流供电方式地回流问题并没有引起运营单位的足够重视，直到1979年，北京地铁科研所通过现场试验研究才证明系统地回流的存在，引起了相关研究机构和学者对这一问题的关注。在此之后，北京地铁借鉴国外相关经验，着手研究并实施了改善牵引供电系统地回流的一系列措施。
直流牵引供电系统对地下管线电化学腐烛是轨道交通公司面临的最大问题。香港曾因地铁牵引地回流引起煤气管道的腐烛穿孔，而造成煤气泄漏的事故;北京地铁一期工程投入运营数年后，其主体结构钢筋发现严重腐蚀，險道内水管腐烛穿孔，仅东段部分区段更换穿孔水管54处;天津地铁也存在着水管被牵引地回流迅速烛穿的情况。在国外，如日本、美国、法国、意大利、英国、加拿大和俄罗斯等国的地铁也存在牵引地回流的腐烛问题近年来，为解决这些问题，许多研究机构对轨道交通地回流问题做了很多工作。文献研究了轨道交通地回流的形成原因及其埋地金属的腐烛机理和判定依据，建立了地铁牵引地回流的数学模型并研究了其分布规律，提出了在牵引变电所增设排流装置，并设计了相关软件对防护效果进行了分析。文献设计了城市轨道交通系统地回流的上位机在线监测系统，并在深圳地铁3号线进行了实验验证，说明了系统结构，解释了检测原理。文献通过计算机仿真分析，探讨牵引地回流防护的各种措施，并提出了地铁地回流防护的现场施工方案。
德国采用单轨传输的轨道电路，另外一根铁轨用来进行接地连接，因此德国铁路有一根接地轨专门用作接地。德国电气化铁路接地的理念主要为采用等电位联结，使铁路沿线金属结构均进行等电位的连接，这种设计不仅可以减小轨道接地电阻，而且使铁路沿线设备处于等电位体。德国的高速铁路设计普遍采用无澄轨道，这种设计同时增大了钢轨电位，为了使钢轨电位满足设计规范要求，接地系统充分利用了桥壤和險道进行接地。为了保护无澄轨道，减小无渔轨道对电务轨道电路信号的电磁干扰、同时满足继电保护设备短路时的快速动作，一般在无渔轨道间铺设四根接地钢筋，接地钢筋每隔一段距离与接触网基础、回流线和接地钢轨等相连，无渣轨道间的钢筋进行绝缘处理。德国铁路的接地系统专门指出在桥梁基础中用于接地的钢筋截面容易受短路电流影响，特别强调结构预应力钢筋不允许连入接地系统，以免流过短路电流。德国电气化铁路的回流线或PW线均采用无绝缘架设方式。
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2牵引供电系统地回流分布分析
电气化铁路开通运行以来，牵引供电系统的相关技术发展迅速，目前已经形成了一整套成熟的理论。随着高速和重载铁路的发展，电气化负荷牵引电流不断增大，原来一直没能引起重视的牵引供电系统地回流问题变得不可忽视。构建牵引供电系统地回流的数学模型，，研究牵引供电系统地回流在地中的分布规律，对于电气化铁路的安全运行具有积极意义。
2.1牵引供电系统地回流形成原因
2.1.1牵引供电系统回流交流电气化铁路中，牵引供电系统由牵引变电所、接触网、牵引负载、钢轨和回流线组成。牵引电流经过馈电线从牵引变电所流至接触网，电力机车通过接触网取流，最后经由回流线、钢轨和大地流回牵引变电所，从而构成了牵引供电系统的闭合回路。牵引网供电方式的选择是由牵引网特殊的输电方式及技术要求与经济性能决定的。按接触网类型可以分为直接供电方式、BT供电方式、AT供电方式和CC供电方式等[采用不同牵引供电方式的牵引供电系统的牵引回流也有所不同。直接供电方式的牵引电流通过钢轨直接流回牵引变电所。带回流线的直接供电方式是对直接供电方式的改进，安装在电务设备沿线的拥流变压器将牵引电流经由吸上线引至架空回流线，最后通过架空回流线流回牵引变电所。
AT供电方式是目前高速电气化铁路采用最广泛的牵引供电方式，自稱变压器的存在使牵引电压提高一倍，从而使得牵引电流降低一半。与直供加回流供电方式的回流类似，AT供电系统牵引回流更低，回流效果更好。BT供电方式和CC供电方式尽管有着最好的回流效果，但是由于接触网结构复杂，造价高，所以在工程上并没有广泛采用。
2.1.2钢轨-大地泄露电导
任何一种牵引供电方式中，钢轨都是牵引电流的重要回路。由于钢轨与大地之间不能做到完全绝缘，所以在钢轨和大地间存在着泄露电导。钢轨-大地间等效电导值大小取决于接触网基础及支柱形式、道床铺设材料和综合贯通地线设置等因素。
在理想状态下，牵引供电系统中的牵引电流会流经馈电线、接触网、电力机车，最后通过钢轨、架空回流线流回牵引变电所，构成闭合回路。但是钢轨-大地泄露电导的存在，使得牵引供电系统中一部分回流会经过泄露电导流入大地，最后在牵引变电所附近流回钢轨，这一部分牵引电流会在大地中形成地回流。
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影响牵引供电系统地回流的因素有很多，研究地回流的分布规律需要有一个理论的数学模型作为支持。本文将基于直接供电方式，仅从电磁方面考虑，建立牵引网网络的等效分布参数数学模型，计算牵引供电系统地回流的分布情况。
(1)钢轨参数均勾且长度无限长，同方向两根钢轨并联，电流分布相同。(2)钢轨电路是均匀线性电路，适用叠加原理。
前面给出了一般情况下直接供电方式下轨中电流和钢轨电压的数学模型及其计算公式。本小节将从忽略变电所接地电阻和考虑变电所接地电阻两种情况出发，对直接供电方式下的地回流分布情况进行分析。
牵引变电所接地网是构成牵引电流回路的重要环节，牵引电流经由变电所接地网、汇流排、接地母线流回牵引变压器。由于这些设备的存在，使牵引变电所存在接地电阻。为了分析方便，先讨论忽略牵引变电所接地电阻时地回流的分布
对比曲线易见，随着牵引变电所接地电阻增大，机车取流点的地回流成分逐渐增大，而牵引变电所处的地回流变小。综上所述，牵引变电所接地电阻的存在会对牵引回流的分布产生影响：(1)接地电阻的存在会同时增大钢轨和大地回路的阻抗值，而接地电阻对钢轨回路的影响更加明显，从而造成地回流成分较不考虑接地电阻时有所增大。(2)由于接地电阻的影响，使得变电所回流处的回流分布发生了较大变化，牵引变电所接地电阻越大，变电所处地回流成分越低。
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3.1牵引供电系统地回流通路谐波电流的产生原因.............17
3.1.1直流牵引传动系统及其谐波类型.............17
3.1.2交流牵引传动系统及其谐波类型.............21
4地回流对牵引变电所的影响与优化研究.............35
4.1牵引变电所接地网概述..........................35
4.1.1 接地体规格要求..........................35
4.1.2接地网布置形式..........................36
4.1.3接地网作用..........................37
5地回流对牵引变电所接地网的电化学腐蚀研究.............57
5.1牵引变电所接地网电化学腐蚀类型.............57
5.1.1 标准电极电势..........................57
5.1.2 Nernst 方程..........................58
5地回流对牵引变电所接地网的电化学腐烛研究
接地网是一个大型的网状接地装置，由垂直和水平埋设在地中的金属导体所构成。地回流通过牵引变电所接地网流回牵引变压器，长期的电流作用会对牵引变电所接地网钢筋产生电化学腐烛，使牵引变电所接地电阻升高，严重时还会造成接地网钢筋断裂。因此，研究地回流对牵引变电所接地网的电化学腐烛过程，并提出有效的防护措施对牵引变电所的安全运行具有重要意义。
资料显示，新建兰新铁路第二双线(新疆段)地处戈壁地区，全长713.4km，途径哈密盆地、吐鲁番盆地、准鳴尔盆地，盐渍土分布范围广(尤其是哈密盆地)，盐渍土主要为氣盐渍土和硫酸盐渍土。其类型为硫酸盐、亚硫酸盐、氣盐、亚氯盐。主要分布于荒地和耕地，表层为白色盐霜、盐壳，土体松胀。其中部分地段地下水埋深1.0-6.0m，部分地下水埋深大于10m，土层均为透水层，超限土层厚0.25m，毛细水强烈上升高度为1.8-2.3m。统计表明：全线139个盐渍土样品含盐量(DT)在 0.30-25.04%之间。
在直流牵引供电系统中，牵引地回流对线路沿线埋地金属设备，以及对牵引变电所接地网的直流电化学腐烛问题已经形成了一套成熟理论，并且提出了相应的检测和防护措施。如前文所分析，交流电化学腐蚀的反应机理及规律与直流电化学腐蚀不同，影响因素更多。针对这种情况，需要等效出腐烛铁电极的交流电化学腐蚀速率模型，进而对交流地回流对接地网的腐蚀影响问题进行研究。
在石油管道运输防腐独领域，相关机构和学者已经对交流电引起的石油管道电化学腐蚀原因及规律做出了相关研究，并取得了一定成果。在下面的讨论中，我们需要假设腐烛铁电极的极化曲线不发生变化，这种假设在外部环境不发生剧烈变化的情况下是合理的。
双对数线性方程拟合出的接地网腐蚀速率模型符合实际交流电腐烛实验事实。接地网腐蚀速率变化曲线图显示，接地网地回流在0-50A区间变化时，接地网腐蚀速率增加速度最快。随着地回流电流增大，接地网腐蚀速度增加率减小。而牵引电流的这一变化区间正是现在牵引供电系统运行的绝大多数工况。牵引变电所接地网钢筋选取的材料一般为直径8mm圆钢或厚度4rmn扁钢，交流地回流的电化学腐蚀过程会造成接地网表面金属腐蚀脱落。牵引变电所的设计使用寿命一般为50年，做出到达使用年限时地回流大小与接地网腐烛率的关系，如图5-8。
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6结论与展望
牵引供电系统地回流问题对整个电气化铁路的安全运行起到至关重要的作用。传统的电气化铁路地回流研究主要把目光聚焦于其造成的钢轨电位升高，对于钢轨电位升高的问题，前人己经做了相当多的研究工作。本文主要对牵引供电系统地回流在地中的分布问题进行了系统的研究，得到了牵引供电系统地回流在地中的横向与纵向分布规律，并且就其给电气化铁路带来的相关问题进行了分析，定性提出了一些可行的防护措施。总结全文主要包括以下内容：
(1)本文根据直接牵引供电系统的网络拓扑推导出牵引供电系统地回流的等效数学模型，并根据这一模型对地回流沿钢轨的分布规律进行了计算求解。分析发现牵引供电系统地回流峰值取决于牵引供电系统的固有参数（钢轨阻抗、接触网-地回路与钢轨-地回流互阻抗、轨地泄露电导）和牵引电流大小，与机车取流位置无关，理想情况下直接供电系统地回流含量占到总牵引回流的50%
(2)牵引供电系统地回流的谐波电流类型主要为直流牵引传动系统产生的低次谐波和交流牵引传动系统产生的高次谐波，谐波电流频率越高，其分布越趋近于地表；计算证明地回流的高次谐波成分60%都分布在地表下3m以内。地回流谐波成分的这一分布规律对电务信号系统产生干扰，会对轨道电路、电务信号传输和信号电源系统造成影响。
本文己经完成了预期的牵引供电系统地回流分布及防护研究，因为时间及实验条件有限，未在以下方面进行研究：本文研究牵引供电系统地回流分布规律采用的模型为直接供电系统，并未研究讨论AT供电系统、BT供电系统、同轴电缆供电系统地回流分布规律，直接供电方式下的牵引地回流分布规律是研究所有供电方式地回流问题的理论基础，其他供电方式下的地回流分布可以由直接供电方式地回流分布规律进一步研究分析得出；地回流对电务系统的影响是强电与弱电的交叉学科，本文只是定性的给出了地回流对信号系统的影响，没有做定量研究；牵引变电所接地网的电化学腐蚀反应有很多种，本文对主反应进行了研究分析，相关副反应并没有考虑在内。这些问题需要在今后进一步研究与完善。
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参考文献（略）
本文编号：42928
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/caipu/42928.html
