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1、减少电气化铁道的大地回流降低轨道电位安装综合接地系统摘要：本文从电气化铁道牵引供电电流的一般回流过程及主要路径，分析了大地回流及轨道电位产生的原因及危害，并从各种供电方式原理分析对比中提出了安装综合接地系统，用以减少大地回流、降低轨道电位、完善供电方式的迫切必要性，同时对综合接地系统作了简要介绍。引言：电气化铁道牵引电流是机车受电弓通过接触导线取流并向机车供电的电流，牵引电流必须具备回流路径。由于考虑了电流路径要构成闭合回路，按照能量守恒，总的回流应等于流经接触线的电流。为最大限度地减少十分有害的大地回流，迅速消除短路故障状态下钢轨和大地之间的电位差，保障人身安全和电气化铁道系统设备安全，应该
2、采用综合接地系统，沿电气化铁道敷设贯通地线，这是完善供电方式的一项重要举措，也是适应当前我国大规模建设大功率、高密度、高速铁路以及地质条件复杂的山区铁路形势的迫切需要。1.电气化铁道牵引电流的大地回流不容忽视1.1牵引电流的一般回流过程及主要路径。牵引变电所接触线轨道大地图1 牵引电流一般回流示意图如图所示，牵引电流是由牵引变电所馈出，沿接触导线送给电力机车，然后经轨道和大地流回牵引变电所。1.2一般情况下，经大地流入牵引变电所的电流比例还相当大。走行轨可作为回流的导体，但由于钢轨敷设在地面上，其长度远远大于宽度，其纵向电阻的存在以及交流牵引网在其周围空间存在电场和产生交变磁场，接触网与地回路
3、，轨道与地回路存在感性耦合，必然导致部分回流流入大地，再经大地流回牵引变电所的接地系统。在实际中，电路参数的分析与测定基本上是按该回路构成进行的，即牵引网架空线路与地形成一个回路，轨道与地形成另一个回路，基于这种情况可以对地中电流的值作近似计算。单线区段：一般单线区段接触网等效电路如下图所示：IdJgZ12Z2IdI=IgZ12Z1-Z12Z2-Z12图2 一般单线区段接触网等效电路示意图Z1图中Z1与Z2分别表示接触网与地回路和轨道与地回路的自阻抗，Z12表示两回路的互阻抗，I为流经接触网的总电流，其中一路Ig流经钢轨，另一路为地中电流Id，其电流分配系数为：钢轨电流分配系数：Kg= Ig/
4、I= Z12/Z2地中电流分配系数： Kd= Id/I=(Z2 -Z12）/Z2根据电路原理，代入接触网一般单链形悬挂实际数据，经过计算（计算过程从略），可求得：Z1=0.228+j0.686Z2=0.198+j0.560Z12=0.05+j0.315因此可得Kg= Z12/Z2= (0.05+j 0.315)/(0.198+j0.560)=0.53610.50Kd=( Z2-Z12)/ Z2= (0.148+j0.245)/(0.198+j0.560)=0.481-11.60说明在一般单线情况下，轨道电流约为牵引网电流的53.6%，地中电流约为牵引网电流的48.1%，将近有50%牵引电流入地
5、。复线区段：实际有3个感应回路：上行接触网与地回路；下行接触网与地回路；轨道与地回路。和同时在中感应电流。u1I1Z1Z3Igu2I2Z2Z12Z13Z23图3 复线区段接触网感应回路示意图图中Z1、Z2、Z3均表示其自阻抗，Z13、Z23、Z12均表示其互阻抗，I1为上行接触网电流，I2为下行接触网电流，设I为总电流，因此，I=I1+I2 (1)对钢轨地回路可有平衡方程式：Z13I1+Z23I2+Z3Ig=0且Z12=Z13 (2)(1)式与(2)式合并求得轨道电流分配系数 Kg=Z13/Z3地中电流分配系数 Kd=(Z3-Z13)/Z3根据电路原理，代入接触网复线链形悬挂有关实际数据经过计
6、算（计算过程略），可求得Z3=0.124+j0.445Z13=0.05+j0.307因此可得 Kg=(0.05+j0.307)/(0.124+j0.445)=0.6736.30 Kd=(0.074+j0.138)/(0.124+j0.445)=0.340-12.60由此可知，一般复线情况下，轨道电流约为上、下行牵引网总电流的67.3%；地中电流约为34%，即在复线情况下，约有1/3的牵引电流入地。1.3地中电流危害严重。大地包含了组成大地外壳的所有类型的土壤和岩石，它能传导电流，像金属一样土壤也有电阻。人们习惯认为，大地任一点的电位都等于零，但实际由于大地并不是一个均匀介质，土壤导电率的值处处
7、随土质而异。特别是当地下设有金属管道或金属表皮电缆时，地中电流将很大程度地集中沿金属管道流通，随之使金属温度升高，另外，由于电流在其中产生电压降而使金属物出现对地电压，与铁路并行的金属导体包括电缆、管道，愈靠近铁路，上述现象就愈加显著，温度升高将加速金属腐蚀，对地电压超过规定值时还将危及操作人员的安全。1.4走行轨对地电位升高危及行人及周围铁路系统设备使用安全。钢轨无论是钉固在轨枕上还是敷设在混凝土整体道床上，部分回流经过走行轨漏泄到大地中，使轨道产生对地电位，在正常运行过程中，高达上千安培，走行轨和列车的导电部分产生可接近电压，但该电压存在潜在的危险，因为流经大地的电流愈强，危险性就愈大，如
8、错车时钢轨对大地的电压出现叠加，使轨电位增加一倍，万一发生接触网断线，发生短路，更使轨电位骤升，短路电流即可达数十千安，恶劣的气候及严重的环境污染都可能造成漏泄电流的增加，从而引起轨电位升高，产生危险接触电压，造成人员跨接。所以电气化铁道要求有特殊的防护措施以消除电位差来保障人身安全和系统设备使用安全，尤其是建设大功率、高密度、高速铁路以及地质条件复杂的山区铁路更应该注意。2.减少大地回流及相关影响的主要措施：我国电气化铁道自1968年第二次开工建设以来，一直注重开发和研究应用各种不同供电方式以减少经大地流回变电所的电流及其相关影响。2.1BT（吸流变压器）供电方式。上个世纪70年代我国首先在
9、宝成线马绵段试验成功。随后在阳安线、石太线等多条长大干线广泛采用，收效显著。牵引变电所回流线接触线钢轨吸流变吸流变图4 BT供电示意图如上图所示，这种在接触网中安装吸流变压器，原边串接在接触导线上，副边串接在与接触线平行等高架设的田野侧回流线上，变比为1：1。当牵引电流流经吸流变原边时，副边在回流线产生很大的互感电势，极大地削弱了周围磁场，显著地降低了电磁干扰的影响，在两个吸流变压器中间位置，使用吸上线连接走行轨与回流线，其电位大致等于轨电位，迫使由钢轨大地流回牵引变电所的电流，大部分改由回流线流回变电所。这种供电方式的缺陷：每隔24km，大量安装吸流变、开关等设备；尤其是在多线铁路系统中投资
10、大，运行费用高等。使用该装置牵引网阻抗加大约50%，从而加大了电压降和功率损失。高速、大功率机车通过吸流变分段时，在接触网分段绝缘器上产生的电弧加速了接触线和集电弓的磨损。当电力机车在两个吸流变压器间运行并取用牵引电流时，根据距离和线路参数不同，仍将有牵引电流流过部分区段的钢轨和大地。2.2AT（自耦变压器）供电方式：1984年，我国从日本引进这种供电方式，首先在京秦线吸收消化总结提高，安装成功，随后在大秦、陇海、郑武等长大干线广泛采用，收效显著。牵引变电所接触线钢轨正馈线u n2u n1n2n1AT1AT2图5 AT供电示意图如上图所示，AT变压器，变比为2：1，其一端接入接触网，中点接入钢
11、轨，另一端接入正馈线。理论分析认为，原边的激磁电流贯穿在n1、n2两个线圈之中，副边线圈n2在电源看来也是原边线圈的一部分，在负载下，两个线圈中的负载电流总是大小相等，方向相反，两个线圈中的负载电流的励磁作用相互抵消。电流由变电所沿接触网送给电力机车，然后沿正馈线流回，轨道中电流为零，实际是用正馈线代替了回流线。这种供电方式大大降低了牵引网中的电压损失，从而扩大了牵引变电所间隔，同时，也消除了在接触网中安装吸流变必须安装绝缘分段的突出问题。这种供电方式的缺陷：牵引网投资显著增加。钢轨电流和地电流虽然很小，但依然存在于所有的AT区段中。在牵引供电网络短路时，自耦变压器的短路电流增加。2.3直供加
12、回流。这种供电方式，现在在我国被广泛采用。牵引变电所回流线接触线钢轨图6 直供+回流供电示意图从BT到AT，有一个共同的特点，就是在牵引网中增加了回流线（AT正馈线代替了BT中的回流线），通过吸上线与钢轨连接（在自动闭塞区段与扼流变压器中点接线端子连接），为牵引电流回归牵引变电所提供主通道。同时在接触悬挂处与双重绝缘的接地跳线连接，即使由于某种原因，支持正馈线F的绝缘子和支持接触悬挂T的绝缘子一旦发生闪络时，将会迅速通过闪络直接构成故障电流的金属回路，使变电所等处的距离保护迅速、可靠动作，起到保护作用，由于站场和大桥地段安装了架空地线，一旦发生绝缘子击穿短路，故障电流也会立即经架空地线转移到车
13、站、大桥两端接地，避免产生跨步电压。正是由于安装了回流线，在很大程度上减少了流经轨道和大地的回流，有资料表明，架设回流线后至少将流经大地的电流可减少到15%20%；轨电位显著降低，有资料表明，轨电位可减少50%55%；与铁路并行安装的导线中产生的感应纵向电压，也减少了将近一半；铁路附近的磁场也得到很大削弱；牵引网单位长度阻抗也减小了，提高了回流的导通性。这种供电方式的缺陷；钢轨电流和地电流虽然很小了，依然存在于电气化区段中；无论是在运行状态还是在故障状态下，轨电位都会在走行轨和与之相连的导体上产生，尤其是接触网断线接地短路后，更为严重,极易造成电击伤害和对周围系统设备的严重破坏。3.安装综合接
14、地系统完善供电方式。为最大限度地减少电气化铁道的大地回流，消除十分有害的漏泄电流对铁道沿线金属导体的腐蚀，尤其是随着大功率、高密度、高速铁路、地质条件复杂的山区铁路大规模建成，当运行电流或短路电流流经电气化铁道钢轨时，发生接触网断线时，迅速消除钢轨和大地之间电位差，保护人体不遭受电击、相关系统设备不遭受破坏，确保牵引电流、再生制动电流、故障短路电流在低阻抗下迅速回流，距离保护快速可靠动作，笔者认为：在“直供加回流”供电方式下，安装完善的综合接地系统，非常必要。如下图所示：牵引变电所回流线接触线钢轨贯通地线1234图7 改进型“直供+回流”供电方式示意图上图是“直供加回流”供电方式的改进和优化。
15、主要是增加了综合接地系统。3.1综合接地系统的组成综合接地系统由贯通地线、接地装置及引接线构成。综合接地系统以沿线敷设的贯通地线为主干，充分利用沿线桥梁、隧道、路基地段构筑物设施内的接地装置作为接地体，形成低阻抗等电位综合接地平台。主要有：桥梁综合接地；隧道综合接地；路基综合接地；车站范围综合接地；无砟轨道综合接地；接触网支柱基础等构筑物接地等，各分系统接地通过设置接地端子，连接引接线与贯通主干线可靠连接。距接触网带电体5m范围内的金属构件和需要接地的设施设备应接入综合接地系统；距线路两侧20m范围内铁路设备房屋的接地装置应接入综合接地系统；不便与铁路综合接地系统等电位连接的第三方设施（路外公共建筑物、公共电力系统、金属管线等设施）必须采取可靠的隔离或绝缘等措施。3.2各专业接入综合接地系统的主要地线种类信号：沿线信号设备（所有相关金属设备外壳）的安全接地和屏蔽接地以及工作接地。通
