CN103448574A - 一种干旱地区电气化铁路钢轨电位的限制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干旱地区电气化铁路钢轨电位的限制系统及方法，该系统由牵引变电所、自耦变压器、接触网、正馈线、保护线组成；本发明将综合接地系统应用到干旱地区铁路，提出针对干旱地区电气化铁路钢轨电位的限制方案，对于干旱地区铁路，在AT区段将保护线与钢轨充分地横向连接降低钢轨电位；引入贯通地线降低高泄漏电阻地区钢轨电位。对于干旱地区铁路，在AT区段将保护线与钢轨充分地横向连接可以较好地降低钢轨电位；贯通地线的引入对降低高泄漏电阻地区钢轨电位效果比较明显。

Description

一种干旱地区电气化铁路钢轨电位的限制系统及方法

技术领域

本发明属于铁路钢轨技术领域，尤其涉及一种干旱地区电气化铁路钢轨电位的限制系统及方法。 

背景技术

随着我国西部铁路里程、速度和载重量的快速发展和提高，电气化牵引负荷电流和短路故障电流随之增大很多，我国西部多处于干旱沙漠地区。干旱地区由于其地质结构、自然气候等原因，属于高土壤电阻率地区，并且随着列车运行速度的提高，载重量增大，机车牵引功率增大，相应的牵引回流随之大大增加，轨道电位升高。电气化铁路区段钢轨电位升高必将对沿线设备和人员生命安全造成威胁，容易引起同轨道相连的信号设备的功能不良或障碍，加速钢轨与轨枕之间的绝缘垫老化，造成牵引回流异常等情况。因此，对钢轨电位较高区段必须采取适当的技术措施，来限制其升高。现有技术方案如下： 

国外铁路以欧洲(德国、法国)和日本为代表，分别采用不同的接地方案。其中欧洲铁路建了EN50122铁路接地安全评价体系，采用等电位连接方式，在铁路沿线敷设贯通地线，将铁路沿线所有设备的接地网连接在一起，形成面积非常大的综合接地体，综合接地系统充分利用铁路沿线设施，降低了钢轨电位，保证了人身和设备安全，欧洲高速铁路车站普遍采用开放式，人员可自由进出。与欧洲相反，日本铁路采用分开独立接地方式，他们主张为避免牵引回流对信号设备产生不利影响，工作接地和安全接地必须分开，这样使得钢轨电位较高，日本采取了通过在车站、变电气设置放电间隙等措施来弥补，并采用车站封闭式管理等辅助措施，在站台两侧设防护栏杆，在铁路区间全封闭，不允许人员 擅自进入，尽可能地减少高电位差对人身安全的威胁。 

国内对于钢轨电位的研究起步较晚，2005年吴命利等人发表会议论文《降低电气化铁道钢轨电位技术措施的研究》，首次提出研究钢轨电位的相关理论，并结合工程实际，提出不同的钢轨电位限制措施，并进行数值计算分析；2008年中铁二院陈屹等人发表论文《遂渝线无砟轨道综合接地系统钢轨电位及电流分布的分析》，结合遂渝线无砟轨道综合接地系统，对无砟轨道钢轨电位及电流分布进行分析计算，结果表明，在回流系统无回流线和综合地线或有回流线无综合地线的情况下，钢轨电位都将超过或接近120V，因此应在回流系统中进一步设置综合地线，以降低钢轨电位和接触电势；2008-2009年，西南交通大学张婧晶、董文俊分别在其硕士论文里研究了高速铁路或客运专线综合接地系统，主要分析了综合接地系统中主要电气参数对钢轨电位的影响，提出了降低钢轨电位的各种有效措施，并结合我国高速铁路的实际特点，提出综合接地系统的实施方案。 

目前国内对钢轨电位的研究主要集中在高速铁路、客运专线和重载铁路上，对于西部干旱地区铁路钢轨电位的限制方法研究较少，对于综合接地系统的研究也只是应用在新建的高速线路中。随着西部干旱地区铁路发展，干旱地区由于其自然条件，属于高土壤电阻率地区，导致钢轨电位呈现新的变化。针对干旱地区，迫切需要研究高泄漏电阻对该地区电气化铁路钢轨电位的影响，并提出在高泄漏电阻情况下，降低干旱地区铁路钢轨电位的方法。 

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种干旱地区电气化铁路钢轨电位的限制方法，旨在解决针对干旱地区，迫切需要研究高泄漏电阻对该地区电气化铁路钢轨电位的影响，并提出在高泄漏电阻情况下，降低干旱地区铁路钢轨电位的方法的问题。 

本发明实施例是这样实现的，一种干旱地区电气化铁路钢轨电位的限制方 法，对于干旱地区铁路，在AT区段将保护线与钢轨充分地横向连接降低钢轨电位；引入贯通地线降低高泄漏电阻地区钢轨电位； 

进一步，该限制方法包括以下步骤： 

第一步，建立AT供电方式下牵引回流系统的仿真模型： 

利用Mat1ab/Simulink软件搭建仿真模型，AT变压器模型采用Mat1ab/Powersystem中的单相线性变压器实现，将变压器一次侧绕组和二次侧绕组的异名端连接起来作为中间抽头连接到钢轨并且接地； 

针对本文的仿真模型，在对钢轨电位测量时有2种方法：1)当机车在钢轨上运行时，随着机车位置的变化，测量机车所在钢轨处的钢轨电位，对于本模型就是随着A车的运行，测量A车所处的位置处的钢轨电位；2)当机车运行至钢轨上某处时，测量钢轨上各个测试点的钢轨电位值； 

第二步，进行仿真分析： 

泄漏电阻对钢轨电位的影响，仿真条件：根据仿真模型，在每个AT区段设置4条CPW，然后通过改变钢轨对地的泄漏电阻值来仿真观察钢轨电位的变化情况； 

CPW对钢轨电位的影响，采用AT供电方式时，为了降低钢轨电位，在铁路沿线架设一根保护线，并且将钢轨与保护线间每隔一定距离进行横向连接，即CPW； 

贯通地线对钢轨电位的影响，将模型里的钢轨对地泄漏电阻设为恒定的100Ω·km，对每个AT区段设置4条CPW，然后分别仿真有无贯通地线接入钢轨时的钢轨电位，其中在接入贯通地线时，贯通地线每隔1km与其泄漏电阻进行接地，每隔1km将综合地线与钢轨进行横向连接，贯通地线的单位电阻为0.269Ω/km，贯通地线对地泄漏电阻采用恒值，为1.125Ω·km。 

本发明实施例的另一目的在于提供一种干旱地区电气化铁路钢轨电位的限制系统，所述干旱地区电气化铁路钢轨电位的限制系统由牵引变电所、自耦变压器、接触网、正馈线、保护线组成。 

牵引变电所，使用55kV交流电压源模型，与自耦变压器相连； 

自耦变压器，即AT变压器模型采用单相线性变压器实现，将变压器一次侧绕组和二次侧绕组的异名端连接起来作为中间抽头连接到钢轨并且接地； 

接触网，流经牵引回路电流，与正馈线4组成回路； 

正馈线，流经牵引回路电流，与牵引变电所1相连； 

保护线，变压器一次侧绕组和二次侧绕组的异名端处。 

本发明将综合接地系统应用到干旱地区铁路，提出针对干旱地区电气化铁路钢轨电位的限制方案。对于干旱地区铁路，在AT区段将保护线与钢轨充分地横向连接可以较好地降低钢轨电位；贯通地线的引入对降低高泄漏电阻地区钢轨电位效果比较明显。仿真数据表明，通过设置4条CPW及贯通地线后，钢轨电位最大值降低了79％，且满足标准规定的安全电压范围。 

附图说明

图1是本发明实施例提供的AT供电方式下牵引回流系统示意图； 

图2是本发明实施例提供的不同泄漏电阻时A车处的钢轨电位图； 

图3是本发明实施例提供的不同泄漏电阻时钢轨电位的分布图； 

图4是本发明实施例提供的CPW数量不同时A车处的钢轨电位图； 

图5是本发明实施例提供的CPW数量不同时钢轨电位的分布图； 

图6是本发明实施例提供的有无贯通地线时A车处的钢轨电位图； 

图7是本发明实施例提供的有无贯通地线时钢轨电位的分布图。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

图1为是本发明实施例提供的AT供电方式下牵引回流系统示意图。为了便于说明仅仅示出了与本发明相关的部分。 

AT供电方式下铁路牵引回流系统由牵引变电所1、自耦变压器2、接触网3、正馈线4、保护线5以及机车6六个部分组成。 

牵引变电所1，使用55kV交流电压源模型，与自耦变压器2相连； 

自耦变压器2，即AT变压器模型采用单相线性变压器实现，将变压器一次侧绕组和二次侧绕组的异名端连接起来作为中间抽头连接到钢轨并且接地； 

接触网3，流经牵引回路电流，与正馈线4组成回路； 

正馈线4，流经牵引回路电流，与牵引变电所1相连； 

保护线5，变压器一次侧绕组和二次侧绕组的异名端处； 

机车6，包括A、B两台机车，在同一轨道上运行。 

本发明实施例还提供了一种干旱地区电气化铁路钢轨电位的限制方法，具体步骤如下： 

1、建立AT供电方式下牵引回流系统的仿真模型 

利用Matlab/Simulink软件搭建仿真模型。本文所建牵引供电区段长30km，分2个AT段，牵引变电所使用55kV交流电压源模型。AT变压器模型采用Mat1ab/Powersystem中的单相线性变压器实现，将变压器一次侧绕组和二次侧绕组的异名端连接起来作为中间抽头连接到钢轨并且接地。钢轨每隔1km与其泄漏电阻进行接地。模型结合干旱地区正在建设中的兰新二线，各部分电阻参数分别为：接触网单位电阻为0.2077Ω/km，钢轨单位电阻为0.2175Ω/km，正馈线的单位电阻为0.220Ω/km，保护线单位电阻为0.250Ω/km。其中考虑兰新二线的设计时速为200km/h，假设其追踪时间为5min，则可同时有2列车进入模型区段运行，且保持16.7km的追踪距离。为便于仿真，本文仿真时假定A、B两车保持17km的追踪间隔运行。A、B两机车采用相同的恒阻抗模型。 

针对本发明实施例的仿真模型，在对钢轨电位测量时有2种方法：1)当机车在钢轨上运行时，随着机车位置的变化，测量机车所在钢轨处的钢轨电位，对于本模型就是随着A车的运行，测量A车所处的位置处的钢轨电位；2)当机车运行至钢轨上某处时，测量钢轨上各个测试点的钢轨电位值，对于本模型假定A 车行到距变电所20km处，此时B车运行至3km处时，测量整个区段内各测试点的钢轨电位。 

2.仿真分析 

2.1泄漏电阻对钢轨电位的影响 

电气化铁路电力牵引区段列车在钢轨上运行时，钢轨是牵引回流的通道，而钢轨同道床之间的接触是电气上的不良绝缘接触，存在一个钢轨对地泄漏电阻。当电流沿钢轨流通时，必然会有电流从钢轨泄漏到大地上，从而影响钢轨电位的大小，因此泄漏电阻是影响钢轨电位的一个重要因素。 

仿真条件：根据仿真模型，在每个AT区段设置4条CPW，然后通过改变钢轨对地的泄漏电阻值来仿真观察钢轨电位的变化情况，如图2、3所示。其中泄漏电阻分别设为100、50、10、1Ω·km。 

由图2可知，A车处钢轨电位随着泄漏电阻的增大而增大，且当A车运行到AT段中间时，机车处的钢轨电位达到最大值。 

由图3可知，当A运行至20km处(B车运行至3km处)时，钢轨上各个测试点的钢轨电位值也是随着钢轨泄漏电阻的增大而增大，并且在A、B两机车所在位置处出现峰值。 

综合图2、3可以看出：泄漏电阻对钢轨电位的影响较大，钢轨电位随着泄漏电阻的增大而增大；当泄漏电阻由1Ω·km到10Ω·km时，钢轨电位的变化比较明显；当泄漏电阻从50Ω·km到100Ω·km，钢轨电位升高得比较缓慢。 

钢轨对地泄漏电阻一般由钢轨所在地区的气候条件、土壤电阻率和污染程度等因素决定。干旱地区由于其地理环境，钢轨对地的高泄漏电阻是影响该地区铁路钢轨电位升高的重要因素。因此对干旱地区钢轨电位的限制，首先就是要设法降低其钢轨对地泄漏电阻，可以对部分区段采用换土或使用降阻材料等措施来减小泄漏电阻，还可以充分将铁路附近的支柱、桥墩、线路旁建筑和结构的基础等自然接地体与钢轨有效地连接，以降低钢轨与大地之间的泄漏电阻。 

2.2CPW对钢轨电位的影响 

采用AT供电方式时，为了降低钢轨电位，在铁路沿线架设一根保护线，并且将钢轨与保护线间每隔一定距离进行横向连接，即CPW。 

根据仿真模型，由于针对干旱地区铁路，将钢轨对地泄漏电阻恒定在100Ω·km，通过改变CPW的数量来仿真钢轨电位的变化情况，分别在每个AT区段设置0、2、4条CPW来仿真分析钢轨电位的变化，如图4、5所示。 

由图4可知： 

1)通过设置CPW，可以降低钢轨电位，A车处的钢轨电位随CPW数量的增加而降低，并且在每个AT段中间达到峰值。当未设置CPW时，钢轨电位的最大值为278.92V，设置4条CPW后最大值降为179.77V，降低了36％。 

2)未设置CPW时，受流点的钢轨电位在2个AT段近似呈正弦变化，而在设置CPW后，钢轨电位在变化过程中会出现一些骤降点。有2条CPW时每个AT段有2个骤降点，有4条CPW时就有4个骤降点，并且出现骤降点的位置就是设置CPW处，因此设置CPW可以增加钢轨的回流支路，从而降低钢轨上的电压分布。 

由图5可知：当A、B两车追踪运行至假定点时，钢轨上电位的分布随着CPW数量的增加而降低，并且在A、B两机车处的钢轨电位都出现峰值；不设置CPW时，钢轨电位的最大值为245.37V，设置4条CPW后最大值降为157.27V，降低了36％。 

综合图4、5可知：通过在AT段设置CPW可以降低钢轨电位；在设置4条CPW后，分别用2种方法仿真得到的钢轨电位最大值均降低了36％。 

2.3贯通地线对钢轨电位的影响 

电气化铁路是一个多系统、多设备的复杂系统，以往铁路沿线设备根据不同专业分别设置其接地系统，但各设备之间不可避免地存在相互干扰。随着高速铁路的大规模建设，铁路系统技术装备水平要求越来越高，新建的高速铁路都相继引入综合接地系统。综合接地的核心思想就是在铁路沿线铺设对地电阻小于或等于1Ω的贯通地线作为接地平台，将轨旁及站区各种信号设备就近接入贯通地线，实现沿线信号设备等电位连接，避免了不同设备之间因电位不同 造成的损害[7]。本发明研究将贯通地线接入钢轨后钢轨电位的变化情况。 

将模型里的钢轨对地泄漏电阻设为恒定的100Ω·km，对每个AT区段设置4条CPW，然后分别仿真有无贯通地线接入钢轨时的钢轨电位，如图7所示。其中在接入贯通地线时，贯通地线每隔1km与其泄漏电阻进行接地，每隔1km将综合地线与钢轨进行横向连接，贯通地线的单位电阻为0.269Ω/km，贯通地线对地泄漏电阻采用恒值，为1.125Ω·km。 

由图6可知，接入贯通地线可以明显降低受流点处钢轨电位。在未接入贯通地线时，A车在整个区段内运行至距牵引变电所7.5km处时钢轨电位达到最大值，最大值为179.77V；而在接入贯通地线后，A车在同处的钢轨电位最大值为58.18V，接入贯通地线后钢轨电位降低了68％。 

由图7可知：当A、B两车追踪运行到假定点时，在接入无贯通地线时，钢轨电位的分布变化也比较明显；设置贯通地线后，钢轨上各个测试点的电位都低于未设置贯通地线时的电位。并且在A车处的测试点出现最大值，未设贯通地线时，最大值为157.27V；设置贯通地线后，最大值降为55.23V，降低了65％。 

综合图6、7可知：在轨旁铺设贯通地线，并将其接入钢轨可以有效地降低钢轨电位；在接入贯通地线后，采用2种方法仿真测量得到钢轨电位的最大值分别降低了68％、65％，效果较好。 

2.4综合分析 

在AT供电方式下，对高泄漏电阻地区，通过设置CPW和贯通地线可以有效地降低钢轨电位。 

对CPW数量的确定并非越多越好，由图4、5可知，当CPW由0条增加到2条时钢轨电位的变化幅度较大，而由2条到4条时变化就相对较小，在考虑工程投资后，应合理确定CPW的数量。贯通地线对钢轨电位有明显的限制作用，采用综合接地系统的线路一般须在上下行轨旁分别设置一根贯通地线，在铺设时必须满足相关工程要求，由于我国地形地貌变化起伏较大，因此铺设贯通地线工程量较大，代价较高。结合实际情况，从实用和经济的角度分析，对于既有线应首 选通过设置CPW等方法降低钢轨电位，对于新建线可以在工程设计时增加贯通地线。 

根据仿真结果，表1列出了不同限制方案下仿真测量得到的钢轨电位最大值。 

表1不同方案下钢轨电位最大值 

由表1可知，对于干旱地区，通过设置4条CPW+贯通地线，2种测量方法得到的钢轨电位最大值分别降低了79％和77％，限制效果良好。 

EN50122-1标准规定列车在正常运行时钢轨安全电压值不大于60V，由表1可知，在采用4条CPW及贯通地线后，钢轨电位的最大值均符合标准规定。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (3)

1.一种干旱地区电气化铁路钢轨电位的限制方法，其特征在于，对于干旱地区铁路，在AT区段将保护线与钢轨充分地横向连接降低钢轨电位；引入贯通地线降低高泄漏电阻地区钢轨电位。

2.如权利要求1所述的干旱地区电气化铁路钢轨电位的限制方法，其特征在于，该限制方法包括以下步骤：

第一步，建立AT供电方式下牵引回流系统的仿真模型：

利用Matlab/Simulink软件搭建仿真模型，AT变压器模型采用Matlab/Powersy stem中的单相线性变压器实现，将变压器一次侧绕组和二次侧绕组的异名端连接起来作为中间抽头连接到钢轨并且接地；

针对本文的仿真模型，在对钢轨电位测量时有2种方法：1)当机车在钢轨上运行时，随着机车位置的变化，测量机车所在钢轨处的钢轨电位，对于本模型就是随着A车的运行，测量A车所处的位置处的钢轨电位；2)当机车运行至钢轨上某处时，测量钢轨上各个测试点的钢轨电位值；

第二步，进行仿真分析：

泄漏电阻对钢轨电位的影响，仿真条件：根据仿真模型，在每个AT区段设置4条CPW，然后通过改变钢轨对地的泄漏电阻值来仿真观察钢轨电位的变化情况；

CPW对钢轨电位的影响，采用AT供电方式时，为了降低钢轨电位，在铁路沿线架设一根保护线，并且将钢轨与保护线间每隔一定距离进行横向连接，即CPW；

贯通地线对钢轨电位的影响，将模型里的钢轨对地泄漏电阻设为恒定的100Ω·km，对每个AT区段设置4条CPW，然后分别仿真有无贯通地线接入钢轨时的钢轨电位，其中在接入贯通地线时，贯通地线每隔1km与其泄漏电阻进行接地，每隔1km将综合地线与钢轨进行横向连接，贯通地线的单位电阻为0.269Ω/km，贯通地线对地泄漏电阻采用恒值，为1.125Ω·km。

3.一种干旱地区电气化铁路钢轨电位的限制系统，其特征在于，所述干旱地区电气化铁路钢轨电位的限制系统由牵引变电所、自耦变压器、接触网、正馈线、保护线组成；

牵引变电所，使用55kV交流电压源模型，与自耦变压器相连；

自耦变压器，即AT变压器模型采用单相线性变压器实现，将变压器一次侧绕组和二次侧绕组的异名端连接起来作为中间抽头连接到钢轨并且接地；

接触网，流经牵引回路电流，与正馈线组成回路；

正馈线，流经牵引回路电流，与牵引变电所相连；

保护线，变压器一次侧绕组和二次侧绕组的异名端处。

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