AT供电方式下影响钢轨电位的因素分析

杜雪松，段胜朋，申 宁

（西南交通大学 电气工程学院，硕士研究生，四川 成都 610031）

当今铁路建设中，AT供电方式适合高速重载大电流运行、具有良好防干扰效果〔1〕，同时还具有现行其他供电方式不具有的技术优势，所以广为采用〔2〕。在AT供电方式中，钢轨是牵引网回流网络的重要组成部分，由于钢轨同道床间的接触是电气上的不良绝缘，存在钢轨-地的泄露电导率，当牵引电流回流时必然会形成较高的钢轨电位。处理不当会对铁路沿线的人员安全以及设备安全造成威胁。

较既有的电气化铁路而言，客运专线列车具有运行速度高、牵引电流大、短路电流大、行车密度高、轨地泄漏电阻大等特点，它产生的轨地电位问题十分严重〔3〕。因此，近年来国内外专家对钢轨电位越来越关注〔4〕，只有了解了系统中每个因素对钢轨电位的影响情况,才能有效的采取措施降低钢轨电位〔5、6〕。

1 CPW线

为了降低钢轨电位通常会设置保护线（PW线），并用CPW线将钢轨与保护线做有效连接。AT段内CPW线将AT段平均分成若干份，数量越多降低钢轨电位的效果越好，但是投资也就越大。所以CPW设置数目需要在效果与经济之间找到平衡点〔7、8〕。

本文主要研究AT牵引网主要参数对钢轨电位的影响情况。全文计算导线选取：承力索型号为IJ-95，接 触 线 TCG-100，馈线 TGJ-185，保 护 线TGJ-120，钢轨P60〔1、9〕。

通过仿真计算可以看到，在第一个AT区段内，无CPW线时，当列车运行到AT区段中间段时钢轨点位最大值为116.80 V（见图1）；在一个AT段中间加设一条CPW线后，钢轨电位最大值可降低到98.63 V（见图2）；两种情况下钢轨点位最大值减小18.17 V,降压比为15.56%。随着CPW线的增加，对钢轨的降压效果逐渐减弱（见表1）。

图1 无CPW线时第一个A T区段内钢轨电位情况

图2 一个A T区段设置1条CPW线时钢轨电位情况

表1 CPW线对钢轨电位的影响

2 泄露电导率

钢轨的泄露电导会影响钢轨电位，目前国内外对钢轨电导的取值各有不同，而且差别较大：日本板式轨道泄漏电导取值范围为0.0 001～0.2 S/km，有渣轨道的泄露电导取值范围为0.01～0.1 S/km；德国泄露电导的取值范围为0.02～50 S/km〔10〕。

钢轨泄露电导取0.2 S/km，0.4 S/km，0.6 S/km。通过仿真计算可以看，钢轨泄露电导率取值变化时，钢轨电位情况变化情况十分明显，随着钢轨泄露电导率的增大，钢轨电压呈下降趋势，当泄漏电导率为0.2 S/km时，两种情况下钢轨电位最大值为137.07 V和115.31 V；当泄漏电导率为0.4 S/km时，两种情况下钢轨电位最大值为93.67 V和89.94；当泄漏电导率为0.6S/km时，钢轨点位最大值为77.92 V和76.87 V（见图3、图4），计算中AT漏抗取值为0.45 Ω。泄露电导率位0.2 S/km时，两种情况下降压比为31.44%与22%（见表2），降压效果显著。

图3 无CPW线时取不同泄露电导时钢轨电位情况

图4 设CPW线时取不同泄露电导时钢轨电位情况

表2 泄露电导变化时钢轨电位最大值情况

3 A T漏抗

自耦变压器漏抗（AT漏抗）为影响钢轨电位的因素之一，除了影响钢轨电位外，对防干扰也有较大影响，自耦变压器的阻抗越大，钢轨至馈线间的阻抗就大，每个变电所将钢轨和地中电流吸至正馈线的效果小，电磁感应影响大，降低了自耦变压器的防干扰效果，电能损耗也增大；反之亦然。一般计算中将AT漏抗这算至低压侧规定为0.45 Ω〔11〕。

AT漏抗分别取为0.15 Ω，0.45 Ω，0.75 Ω。通过仿真计算可以看到，AT漏抗值变化会对自耦变压器附近钢轨电位产生影响。随着AT漏抗值的增大，自耦变压器附近钢轨电位呈上升趋势，当AT漏抗取0.15 Ω时，两种情况下AT处钢轨电位为16.51 V和17.50 V；当AT漏抗取0.45 Ω时，两种情况下AT处钢轨电位为28.74 V和26.27 V；当AT漏抗取0.75 Ω时，AT处钢轨电位为37.39 V和32.56 V,同时AT漏抗值改变只对自耦变压器附近钢轨电位有影响，对整个钢轨电位沿线分布影响不大（见图5、图6）。无CPW线时AT漏抗取0.15 Ω，0.45 Ω，0.75 Ω时，AT处钢轨电位大小分别为16.51 V、28.74 V和37.39 V；AT段内设置一条CPW线时AT处电位为17.50 V、26.27 V和32.56 V（见表3），可见随着AT漏抗值增大，AT漏抗处电压降增大。计算中钢轨电导取为0.2 S/km。

图5 无CPW线时取不同A T漏抗时钢轨电位情况

图6 设CPW线时取不同A T漏抗时钢轨电位情况

表3 A T漏抗变化时A T变压器附近钢轨电位值情况

4 钢轨横连

为了降低钢轨电位，复线情况下通常还会采用钢轨横连的措施，方法是每隔一段距离便将上下线钢轨并联〔12〕。在AT漏抗值为0.45 Ω，钢轨泄露电导为0.2 S/km以及一个AT段设置一条CPW线的情况下仿真计算。假设列车只运行在上行线路上，通过仿真计算看到，增设钢轨横连线后，上行线路的钢轨电位得到了极大的降低，在设置钢轨横连线处降压情况较为明显。每隔6 km设置钢轨横连线时，上行线路电压为108.96 V；每隔2 km设置钢轨横连线时，上行线路电压为82.96 V（见图7、图8）。当设置横连线时，列车所在钢轨的电压得到了明显降低，降压效果明显，设置钢轨横连线为每隔6 km与每隔2km时，电压降为34.52 V，降压率为31.6%（见表4）。下行线路点位如表5所示。由此可以看出，钢轨横连线数目增加时，上下行钢轨电位大小越接近。

图7 每隔6k m设置钢轨横连情况

图8 每隔2k m设置钢轨横连情况

表4 横连间隔不同时上行线钢轨电位情况

表5 横连间隔不同时下行线钢轨电位情况

5 结论

在Matlab/Simulink数学模型基础上，选择实际的线路进行仿真计算。在不同泄露电导、有无CPW线以及不同AT漏抗的情况下进行计算，结果表明：

1）由图形和分析结果可以看出，设置CPW线、改变泄露电导，使用钢轨横连均能对钢轨电位造成较大影响，其中泄漏电导值改变对钢轨电位的影响最大，从0.2 S/km至0.6 S/km，最高压降达到了59.1 V，降低达到了43.15%，并且可以看到在变化过程中每个AT段中间位置的变化最大。设置CPW线与钢轨横连后，设置装置处的钢轨电位得到了较大的降低。AT漏抗值的改变时，自耦变压器周围的钢轨电位会受到影响，但其他位置钢轨电位影响较小。

2）增加的CPW线，加大钢轨泄露电导，增加钢轨横连数目是降低钢轨电位的有效途径，通过合理选择可以在经济性和安全性上找到平衡点，可使经济耗费降到最低同时达到安全标准。

〔1〕李群湛;贺建闽,牵引供电系统分析〔M〕.2007,四川成都：西南交通大学出版社.

〔2〕缪耀珊,交流电气化铁道的钢轨对地电位问题〔J〕.电气化铁道,2007（04）：p.1-6.

〔3〕吴德范,电气化铁路AT供电参数选择的研究〔J〕.中国铁路,1994（01）：p.23-25+32.

〔4〕辛成山,关于省掉变电所AT的讨论〔J〕.电气化铁道,1998（01）：p.1-4.

〔5〕冯金博,高速铁路车网匹配研究〔D〕.2008,西南交通大学

〔6〕何俊文;李群湛;刘伟;周晓辉,交流牵引供电系统仿真通用数学模型及其应用〔J〕.2007.

〔7〕李爱武;解绍锋;牛朋超;马志刚,电气化铁道复线AT供电网络研究〔J〕.铁道运营技术,2010（03）：p.44-47.

〔8〕吴命利;黄足平;辛成山.降低电气化铁道钢轨电位技术措施的研究〔J〕.铁路客运专线建设技术交流会.2005.中国湖北武汉.

〔9〕解绍锋;汪吉健;魏宏伟;马劲飞.高速铁路钢轨电位计算及限制方案研究〔J〕.中国铁道学会电气化委员会2006年学术会议.2006.中国陕西.

〔10〕张民,何正友;方雷;钱清泉,自耦变压器供电方式下降低高速铁路钢轨电位的方法及其仿真分析〔J〕.电网技术,2011（03）：p.80-84.

〔11〕彭晨,AT供电方式在高速电气化铁路中的应用〔J〕.电气技术,2009（09）：p.76-79+88.

〔12〕何俊文,牵引供电系统负荷过程仿真〔D〕.2010,西南交通大学.