高速与重载铁路牵引回流钢轨电位规律的分析

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第一章绪论1．1高速及重载铁路存在的问题截止2008年底，我国电气化铁路已达2．6万公里，位居世界第二位，仅次于俄罗斯，全国铁路电气化率达到32．7％，承担了全部客货运量的50％，中国已步入世界电气化铁路先进行列。此时，铁道部发展计划司司长杨忠民也指出国家“十一五"规划《纲要》在优先发展交通运输业中提出“优化资源配置，开发应用高速重载’’。可见，电气化铁道高速和重载是我国铁路的发展方向。电气化铁道高速、重载因机车功率大、取流大、行车密度高，因此相应的短路电流大、牵引回流大，造成非常高的钢轨电位【l】。高速铁路一般采用整体道床，钢轨——地漏泄

2、电阻高，钢轨电位比既有电气化线路更高。如果不采取措施防护结构内部的预应力钢筋、增加钢轨接地或降低漏泄阻抗等措施，远端短路或雷电等影响将导致危险的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故障，加速钢轨与轨枕间绝缘垫板的老化，甚至烧毁及回流异常等情况【2】。因此，对于高速、重载区段必须采取适当的技术措施，设法降低钢轨电位。针对客运专线高速的特点造成钢轨电位升高，对涉及行车安全的信号、通信等设备造成影响以及人员安全的因素【3】，其引进了综合接地的概念和技术要求。即电气化区段内，通信、信号、牵引供电、电力等系统均采用综合接地方式，实现

3、等电位连接，能彻底消除系统内及系统间设备间的电位差，解决人身及设备的安全问题【4J。综合接地系统的研究包括两个重点：一是牵引网回流接地对人员安全的影响，二是系统内各设备的安全。为适应我国高速和重载的集成发展，尽早进行回流接地技术规定的理论研究，结合理论计算模型研究提出适应于我国安全规范和兼容信号、电气化要求的综合接地体系，保证通信信号等与钢轨相近的设备可靠工作，保障维修或旅客人身安全，有很大的必要性。西南交通大学硕士研究生学位论文第2页1．2课题的研究意义在高速电气化铁路中，随着机车(动车)速度的提高，重载运输的需要，机车功率增大、取流增加，相应的牵引回流大大增加，轨道电位升

4、高。在比较大的牵引回流和高轨道电位下，钢轨电压和电流以及分配规律呈现新的分布特征。钢轨电流和电压会产生多方面的不利影响：在牵引供电系统J下常运行状态下，钢轨电流的不平衡影响轨道电路的正常工作；过高的轨道电位可能影响牵引供电系统的运行性能、威胁运行检修人员的人身安全；在接触网对钢轨的短路状态下，形成危险的接触过电压和跨步过电压等，钢轨电流与综合地线的关系，对地下传输系统的耦合【5】，轨道不平衡电流对轨道电路的影响【6J等问题都与钢轨电流电压的分布有密切的关系。因而，深入地研究钢轨电流和电压分布和牵引回流问题，掌握它们的变化规律，为人身安全和电气设备运行可靠性提供理论基础，找到有

5、效的降低钢轨电位的措施，对我国目前大规模的电气化铁路建设和重载铁路的发展具有积极的意义。客运专线综合接地系统的主要作用是降低牵引供电回流对客运专线信号、通信等各专业设备的不利影响，减小钢轨电位和接触电势对旅客造成的人身安全威胁【71。在高速铁路中，特别是AT供电模式下设有贯通地线的牵引供电回流接地系统缺乏实测数据，因此的仿真技术是进行客运专线综合接地系统研究的关建技术【8'9】。不同国家的供电系统及钢轨都存在较大的差异，对于降低重载电气化铁道的钢轨电位，国外已有一些实用措施【101，但不同国家解决问题的思路和技术措施并不一致，这些措施是否适用于国内高速和重载铁路钢轨电位过高的

6、问题，国内还缺乏深入的研究。因此必须结合中国的实际情况，通过仿真及试验并结合理论计算模型建立中国高速重载铁路的钢轨电气参数，对中国铁路采用综合接地系统的可行性、总体方案等进行大量的理论研究及现场试验。1．3国内外研究现状1．3．1钢轨电流及电位和牵引回流的研究现状首先，对钢轨电位的形成机理进行分析。在电气化铁道牵引回流系统中，牵引变电所通过接触网向机车提供电流，并利用走行轨把牵引电流返回牵引变西南交通大学硕士研究生学位论文第3页电所【ll,12】。由于钢轨同道床间的接触是电气上的不良绝缘接触，存在一个钢轨一地漏泄电阻，当电流沿钢轨流通时，部分牵引回流在机车取流点附近通过轨一地

7、问的横向过渡电阻泄入大地【131，在牵引变电所或回流点附近重新进入钢轨，返回电源的接地端，形成杂散电流。如图所示，五和厶分别为一个供电区间两个牵引变电所向机车提供的牵引电流，厶和L分别为通过走行轨向两个牵引变电所回流的电流，厶和厶分别为泄漏到地下的杂散电流。由于钢轨与大地之间存在泄漏电阻，杂散电流流经后产生钢轨电位，在机车和回流点附近钢轨中产生明显的钢轨对地电位，有可能危及线路维护人员和设备安全¨4’。＼3、。。／√』LL。／／夕i翕属～==二二==J图卜1杂散电流分布示意图下面对钢轨电位分布进行定性分