1引言

電氣化鐵路運輸具有節(jié)能、環(huán)保、高效等優(yōu)勢，目前被認為是較為理想的一種運輸方式，2004年1月，國務院常務會議討論完成了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，制定了我國鐵路到2020年的遠景規(guī)劃。為了服務于社會經(jīng)濟發(fā)展，適應國家經(jīng)濟布局、資源和人口分布、土地開發(fā)等一系列要求，在2008年，國務院進一步討論完成《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的方案調整，完善了電氣化鐵路路網(wǎng)布局。近十幾年來，電氣化鐵路發(fā)展迅速，同時對可靠性也有著越來越高的要求，作為電氣化鐵路的核心系統(tǒng)，研究牽引回流的相關問題對電氣化鐵路的安全運行具有重要意義。

1.1選題背景與意義
近年來，我國高速鐵路、客運專線和200km/h客貨共線鐵路等高等級鐵路己經(jīng)進入快速發(fā)展階段，列車運行速度的提高導致牽引供電系統(tǒng)的牽引回流不斷增大。牽引回流是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中不可缺少的關鍵技術，現(xiàn)在采用的牽引回流系統(tǒng)主要由架空回流、鋼軌回流和地回流構成。架空回流線承擔了大部分牽引電流回流任務，鋼軌兼顧牽引回流和軌道電路的作用，地回流作為牽引回流的一部分，其電流成分相對來說比較復雜。在電氣化鐵路發(fā)展的初期，牽引地回流問題并沒有引起人們的足夠重視。隨著高速、重載鐵路的發(fā)展，電氣化鐵路牽引電流日益增大，牽引地回流對牽引供電系統(tǒng)帶來的問題變得不可忽視。
牽引供電系統(tǒng)地回流中的諧波成分對鐵路電務信號系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴重干擾。近年來電纜燒損事件頻發(fā)，給鐵路運輸帶來了巨大的經(jīng)濟損失。例如，大秦線的翠屏山至薊縣西間K414+560m處于2008年2月6日出現(xiàn)電纜槽內電纜著火現(xiàn)象，多處信號點的信號機滅燈，故障延時174min; 2009年3月14日，茶瑪至下莊間LK191號大橋上F-9和F-11電纜盒著火，電纜槽內五條信號電纜均燒毀3-4m，造成故障延時15hl6min隨著高速鐵路的快速發(fā)展，其運行速度快、行車密度大，導致牽引負荷和短路故障時電流明顯增大，直接影響鋼軌電位使其抬高，輕則對軌道旁的工作人員及車站人員的人身有著安全威脅；重則會損壞信號設備，威脅列車的運行安全。

牽引供電系統(tǒng)地回流過大對牽引變電所的安全運行帶來嚴重影響。經(jīng)技術人員的現(xiàn)場檢測，株洲北牽引變電所全天監(jiān)測出的地回流最大為550A,超出了電流表400A的量程(地回流的LH變比為400 / 5)。2004年12月15日，由于鋼軌回流不暢，使得本來就很大的地回流更大，造成地回流電纜(VLV22-3X185mm2)燒壞，導致牽引供電系統(tǒng)事故。

......

1.2牽引供電系統(tǒng)地回流的研究現(xiàn)狀
1.2.1直流牽引供電系統(tǒng)地回流研究現(xiàn)狀
直流供電方式大量應用于城市軌道交通的牽引供電系統(tǒng)中，軌道交通直流供電方式的牽引電壓多為直流750V或1500V,造成系統(tǒng)牽引電流很大。城市軌道交通沿線地下通常埋設有多種管線及設備，大量的牽引地回流會對埋地金屬設備構成腐燭危險。因此，各個國家對直流供電方式的地回流已經(jīng)有了較為深入的研究。德國、美國、日本及前蘇聯(lián)等國家的城市軌道交通已經(jīng)有了近百年的歷史，這些國家在地線線路日常的運行維護中，對地回流給地下埋地設備的影響給予了高度重視，德國柏林交通公司組建了 25人的交通團隊，常年對軌道交通地回流情況進行檢測和防護。
我國城市軌道交通發(fā)展較晚，在建設運行初期，直流供電方式地回流問題并沒有引起運營單位的足夠重視，直到1979年，北京地鐵科研所通過現(xiàn)場試驗研究才證明系統(tǒng)地回流的存在，引起了相關研究機構和學者對這一問題的關注。在此之后，北京地鐵借鑒國外相關經(jīng)驗，著手研究并實施了改善牽引供電系統(tǒng)地回流的一系列措施。
直流牽引供電系統(tǒng)對地下管線電化學腐燭是軌道交通公司面臨的最大問題。香港曾因地鐵牽引地回流引起煤氣管道的腐燭穿孔，而造成煤氣泄漏的事故;北京地鐵一期工程投入運營數(shù)年后，其主體結構鋼筋發(fā)現(xiàn)嚴重腐蝕，險道內水管腐燭穿孔，僅東段部分區(qū)段更換穿孔水管54處;天津地鐵也存在著水管被牽引地回流迅速燭穿的情況。在國外，如日本、美國、法國、意大利、英國、加拿大和俄羅斯等國的地鐵也存在牽引地回流的腐燭問題近年來，為解決這些問題，許多研究機構對軌道交通地回流問題做了很多工作。文獻研究了軌道交通地回流的形成原因及其埋地金屬的腐燭機理和判定依據(jù)，建立了地鐵牽引地回流的數(shù)學模型并研究了其分布規(guī)律，提出了在牽引變電所增設排流裝置，并設計了相關軟件對防護效果進行了分析。文獻設計了城市軌道交通系統(tǒng)地回流的上位機在線監(jiān)測系統(tǒng)，并在深圳地鐵3號線進行了實驗驗證，說明了系統(tǒng)結構，解釋了檢測原理。文獻通過計算機仿真分析，探討牽引地回流防護的各種措施，并提出了地鐵地回流防護的現(xiàn)場施工方案。

德國采用單軌傳輸?shù)能壍离娐�，另外一根鐵軌用來進行接地連接，因此德國鐵路有一根接地軌專門用作接地。德國電氣化鐵路接地的理念主要為采用等電位聯(lián)結，使鐵路沿線金屬結構均進行等電位的連接，這種設計不僅可以減小軌道接地電阻，而且使鐵路沿線設備處于等電位體。德國的高速鐵路設計普遍采用無澄軌道，這種設計同時增大了鋼軌電位，為了使鋼軌電位滿足設計規(guī)范要求，接地系統(tǒng)充分利用了橋壤和險道進行接地。為了保護無澄軌道，減小無漁軌道對電務軌道電路信號的電磁干擾、同時滿足繼電保護設備短路時的快速動作，一般在無漁軌道間鋪設四根接地鋼筋，接地鋼筋每隔一段距離與接觸網(wǎng)基礎、回流線和接地鋼軌等相連，無渣軌道間的鋼筋進行絕緣處理。德國鐵路的接地系統(tǒng)專門指出在橋梁基礎中用于接地的鋼筋截面容易受短路電流影響，特別強調結構預應力鋼筋不允許連入接地系統(tǒng)，以免流過短路電流。德國電氣化鐵路的回流線或PW線均采用無絕緣架設方式。

......

2牽引供電系統(tǒng)地回流分布分析

電氣化鐵路開通運行以來，牽引供電系統(tǒng)的相關技術發(fā)展迅速，目前已經(jīng)形成了一整套成熟的理論。隨著高速和重載鐵路的發(fā)展，電氣化負荷牽引電流不斷增大，原來一直沒能引起重視的牽引供電系統(tǒng)地回流問題變得不可忽視。構建牽引供電系統(tǒng)地回流的數(shù)學模型，，研究牽引供電系統(tǒng)地回流在地中的分布規(guī)律，對于電氣化鐵路的安全運行具有積極意義。

2.1牽引供電系統(tǒng)地回流形成原因

2.1.1牽引供電系統(tǒng)回流
交流電氣化鐵路中，牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所、接觸網(wǎng)、牽引負載、鋼軌和回流線組成。牽引電流經(jīng)過饋電線從牽引變電所流至接觸網(wǎng)，電力機車通過接觸網(wǎng)取流，最后經(jīng)由回流線、鋼軌和大地流回牽引變電所，從而構成了牽引供電系統(tǒng)的閉合回路。牽引網(wǎng)供電方式的選擇是由牽引網(wǎng)特殊的輸電方式及技術要求與經(jīng)濟性能決定的。按接觸網(wǎng)類型可以分為直接供電方式、BT供電方式、AT供電方式和CC供電方式等[采用不同牽引供電方式的牽引供電系統(tǒng)的牽引回流也有所不同。直接供電方式的牽引電流通過鋼軌直接流回牽引變電所。帶回流線的直接供電方式是對直接供電方式的改進，安裝在電務設備沿線的擁流變壓器將牽引電流經(jīng)由吸上線引至架空回流線，最后通過架空回流線流回牽引變電所。
AT供電方式是目前高速電氣化鐵路采用最廣泛的牽引供電方式，自稱變壓器的存在使牽引電壓提高一倍，從而使得牽引電流降低一半。與直供加回流供電方式的回流類似，AT供電系統(tǒng)牽引回流更低，回流效果更好。BT供電方式和CC供電方式盡管有著最好的回流效果，但是由于接觸網(wǎng)結構復雜，造價高，所以在工程上并沒有廣泛采用。
2.1.2鋼軌-大地泄露電導
任何一種牽引供電方式中，鋼軌都是牽引電流的重要回路。由于鋼軌與大地之間不能做到完全絕緣，所以在鋼軌和大地間存在著泄露電導。鋼軌-大地間等效電導值大小取決于接觸網(wǎng)基礎及支柱形式、道床鋪設材料和綜合貫通地線設置等因素。

在理想狀態(tài)下，牽引供電系統(tǒng)中的牽引電流會流經(jīng)饋電線、接觸網(wǎng)、電力機車，最后通過鋼軌、架空回流線流回牽引變電所，構成閉合回路。但是鋼軌-大地泄露電導的存在，使得牽引供電系統(tǒng)中一部分回流會經(jīng)過泄露電導流入大地，最后在牽引變電所附近流回鋼軌，這一部分牽引電流會在大地中形成地回流。

......

2.2地回流的數(shù)學建模

影響牽引供電系統(tǒng)地回流的因素有很多，研究地回流的分布規(guī)律需要有一個理論的數(shù)學模型作為支持。本文將基于直接供電方式，僅從電磁方面考慮，建立牽引網(wǎng)網(wǎng)絡的等效分布參數(shù)數(shù)學模型，計算牽引供電系統(tǒng)地回流的分布情況。

從圖2-5可知，牽引網(wǎng)絡阻抗是從牽引變電所端口看入的多個導線一地回路結構的綜合等效阻抗。由于鋼軌一地回路為非線性分布參數(shù)系統(tǒng)，使牽引網(wǎng)阻抗表現(xiàn)出非線性特性，在計算中非常復雜。因此，需要在研究牽引變電所與電力機車之間的鋼軌中電流、地回流分布特點的基礎上，得出牽引網(wǎng)絡阻抗計算簡化的等效電路。進行鋼軌及地中電流計算時，為簡化起見，做如下假設：
(1)鋼軌參數(shù)均勾且長度無限長，同方向兩根鋼軌并聯(lián)，電流分布相同。(2)鋼軌電路是均勻線性電路，適用疊加原理。
前面給出了一般情況下直接供電方式下軌中電流和鋼軌電壓的數(shù)學模型及其計算公式。本小節(jié)將從忽略變電所接地電阻和考慮變電所接地電阻兩種情況出發(fā)，對直接供電方式下的地回流分布情況進行分析。
牽引變電所接地網(wǎng)是構成牽引電流回路的重要環(huán)節(jié)，牽引電流經(jīng)由變電所接地網(wǎng)、匯流排、接地母線流回牽引變壓器。由于這些設備的存在，使牽引變電所存在接地電阻。為了分析方便，先討論忽略牽引變電所接地電阻時地回流的分布

對比曲線易見，隨著牽引變電所接地電阻增大，機車取流點的地回流成分逐漸增大，而牽引變電所處的地回流變小。綜上所述，牽引變電所接地電阻的存在會對牽引回流的分布產(chǎn)生影響：(1)接地電阻的存在會同時增大鋼軌和大地回路的阻抗值，而接地電阻對鋼軌回路的影響更加明顯，從而造成地回流成分較不考慮接地電阻時有所增大。(2)由于接地電阻的影響，使得變電所回流處的回流分布發(fā)生了較大變化，牽引變電所接地電阻越大，變電所處地回流成分越低。

......

3牽引供電系統(tǒng)地回流諧波分布研究...........................17
3.1牽引供電系統(tǒng)地回流通路諧波電流的產(chǎn)生原因.............17
3.1.1直流牽引傳動系統(tǒng)及其諧波類型.............17
3.1.2交流牽引傳動系統(tǒng)及其諧波類型.............21
4地回流對牽引變電所的影響與優(yōu)化研究.............35
4.1牽引變電所接地網(wǎng)概述..........................35
4.1.1 接地體規(guī)格要求..........................35
4.1.2接地網(wǎng)布置形式..........................36
4.1.3接地網(wǎng)作用..........................37
5地回流對牽引變電所接地網(wǎng)的電化學腐蝕研究.............57
5.1牽引變電所接地網(wǎng)電化學腐蝕類型.............57
5.1.1 標準電極電勢..........................57

5.1.2 Nernst 方程..........................58

5地回流對牽引變電所接地網(wǎng)的電化學腐燭研究

接地網(wǎng)是一個大型的網(wǎng)狀接地裝置，由垂直和水平埋設在地中的金屬導體所構成。地回流通過牽引變電所接地網(wǎng)流回牽引變壓器，長期的電流作用會對牽引變電所接地網(wǎng)鋼筋產(chǎn)生電化學腐燭，使牽引變電所接地電阻升高，嚴重時還會造成接地網(wǎng)鋼筋斷裂。因此，研究地回流對牽引變電所接地網(wǎng)的電化學腐燭過程，并提出有效的防護措施對牽引變電所的安全運行具有重要意義。

5.1牽引變電所接地網(wǎng)電化學腐燭類型
資料顯示，新建蘭新鐵路第二雙線(新疆段)地處戈壁地區(qū)，全長713.4km，途徑哈密盆地、吐魯番盆地、準鳴爾盆地，鹽漬土分布范圍廣(尤其是哈密盆地)，鹽漬土主要為氣鹽漬土和硫酸鹽漬土。其類型為硫酸鹽、亞硫酸鹽、氣鹽、亞氯鹽。主要分布于荒地和耕地，表層為白色鹽霜、鹽殼，土體松脹。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，土層均為透水層，超限土層厚0.25m，毛細水強烈上升高度為1.8-2.3m。統(tǒng)計表明：全線139個鹽漬土樣品含鹽量(DT)在 0.30-25.04%之間。
在直流牽引供電系統(tǒng)中，牽引地回流對線路沿線埋地金屬設備，以及對牽引變電所接地網(wǎng)的直流電化學腐燭問題已經(jīng)形成了一套成熟理論，并且提出了相應的檢測和防護措施。如前文所分析，交流電化學腐蝕的反應機理及規(guī)律與直流電化學腐蝕不同，影響因素更多。針對這種情況，需要等效出腐燭鐵電極的交流電化學腐蝕速率模型，進而對交流地回流對接地網(wǎng)的腐蝕影響問題進行研究。
在石油管道運輸防腐獨領域，相關機構和學者已經(jīng)對交流電引起的石油管道電化學腐蝕原因及規(guī)律做出了相關研究，并取得了一定成果。在下面的討論中，我們需要假設腐燭鐵電極的極化曲線不發(fā)生變化，這種假設在外部環(huán)境不發(fā)生劇烈變化的情況下是合理的。

雙對數(shù)線性方程擬合出的接地網(wǎng)腐蝕速率模型符合實際交流電腐燭實驗事實。接地網(wǎng)腐蝕速率變化曲線圖顯示，接地網(wǎng)地回流在0-50A區(qū)間變化時，接地網(wǎng)腐蝕速率增加速度最快。隨著地回流電流增大，接地網(wǎng)腐蝕速度增加率減小。而牽引電流的這一變化區(qū)間正是現(xiàn)在牽引供電系統(tǒng)運行的絕大多數(shù)工況。牽引變電所接地網(wǎng)鋼筋選取的材料一般為直徑8mm圓鋼或厚度4rmn扁鋼，交流地回流的電化學腐蝕過程會造成接地網(wǎng)表面金屬腐蝕脫落。牽引變電所的設計使用壽命一般為50年，做出到達使用年限時地回流大小與接地網(wǎng)腐燭率的關系，如圖5-8。

......

6結論與展望

6.1結論
牽引供電系統(tǒng)地回流問題對整個電氣化鐵路的安全運行起到至關重要的作用。傳統(tǒng)的電氣化鐵路地回流研究主要把目光聚焦于其造成的鋼軌電位升高，對于鋼軌電位升高的問題，前人己經(jīng)做了相當多的研究工作。本文主要對牽引供電系統(tǒng)地回流在地中的分布問題進行了系統(tǒng)的研究，得到了牽引供電系統(tǒng)地回流在地中的橫向與縱向分布規(guī)律，并且就其給電氣化鐵路帶來的相關問題進行了分析，定性提出了一些可行的防護措施�？偨Y全文主要包括以下內容：
(1)本文根據(jù)直接牽引供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲推導出牽引供電系統(tǒng)地回流的等效數(shù)學模型，并根據(jù)這一模型對地回流沿鋼軌的分布規(guī)律進行了計算求解。分析發(fā)現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)地回流峰值取決于牽引供電系統(tǒng)的固有參數(shù)（鋼軌阻抗、接觸網(wǎng)-地回路與鋼軌-地回流互阻抗、軌地泄露電導）和牽引電流大小，與機車取流位置無關，理想情況下直接供電系統(tǒng)地回流含量占到總牽引回流的50%

(2)牽引供電系統(tǒng)地回流的諧波電流類型主要為直流牽引傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的低次諧波和交流牽引傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的高次諧波，諧波電流頻率越高，其分布越趨近于地表；計算證明地回流的高次諧波成分60%都分布在地表下3m以內。地回流諧波成分的這一分布規(guī)律對電務信號系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，會對軌道電路、電務信號傳輸和信號電源系統(tǒng)造成影響。

6.2展望

本文己經(jīng)完成了預期的牽引供電系統(tǒng)地回流分布及防護研究，因為時間及實驗條件有限，未在以下方面進行研究：本文研究牽引供電系統(tǒng)地回流分布規(guī)律采用的模型為直接供電系統(tǒng)，并未研究討論AT供電系統(tǒng)、BT供電系統(tǒng)、同軸電纜供電系統(tǒng)地回流分布規(guī)律，直接供電方式下的牽引地回流分布規(guī)律是研究所有供電方式地回流問題的理論基礎，其他供電方式下的地回流分布可以由直接供電方式地回流分布規(guī)律進一步研究分析得出；地回流對電務系統(tǒng)的影響是強電與弱電的交叉學科，本文只是定性的給出了地回流對信號系統(tǒng)的影響，沒有做定量研究；牽引變電所接地網(wǎng)的電化學腐蝕反應有很多種，本文對主反應進行了研究分析，相關副反應并沒有考慮在內。這些問題需要在今后進一步研究與完善。

......

參考文獻（略）

本文編號：42928