1引言

電氣化鐵路運(yùn)輸具有節(jié)能、環(huán)保、高效等優(yōu)勢，目前被認(rèn)為是較為理想的一種運(yùn)輸方式，2004年1月，國務(wù)院常務(wù)會(huì)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(yuǎn)景規(guī)劃。為了服務(wù)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)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(wù)院進(jìn)一步討論完成《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的方案調(diào)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(shí)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(guān)問題對電氣化鐵路的安全運(yùn)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(yùn)專線和200km/h客貨共線鐵路等高等級鐵路己經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展階段，列車運(yùn)行速度的提高導(dǎo)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(guān)鍵技術(shù)，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(gòu)成。架空回流線承擔(dān)了大部分牽引電流回流任務(wù)，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(fù)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(wù)信號(hào)系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴(yán)重干擾。近年來電纜燒損事件頻發(fā)，給鐵路運(yùn)輸帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)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(nèi)電纜著火現(xiàn)象，多處信號(hào)點(diǎn)的信號(hào)機(jī)滅燈，故障延時(shí)174min; 2009年3月14日，茶瑪至下莊間LK191號(hào)大橋上F-9和F-11電纜盒著火，電纜槽內(nèi)五條信號(hào)電纜均燒毀3-4m，造成故障延時(shí)15hl6min隨著高速鐵路的快速發(fā)展，其運(yùn)行速度快、行車密度大，導(dǎo)致牽引負(fù)荷和短路故障時(shí)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(huì)損壞信號(hào)設(shè)備，威脅列車的運(yùn)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(yùn)行帶來嚴(yán)重影響。經(jīng)技術(shù)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(dǎo)致牽引供電系統(tǒng)事故。

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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(yīng)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(shè)有多種管線及設(shè)備，大量的牽引地回流會(huì)對埋地金屬設(shè)備構(gòu)成腐燭危險(xiǎn)。因此，各個(gè)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(yùn)行維護(hù)中，對地回流給地下埋地設(shè)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(tuán)隊(duì)，常年對軌道交通地回流情況進(jìn)行檢測和防護(hù)。
我國城市軌道交通發(fā)展較晚，在建設(shè)運(yùn)行初期，直流供電方式地回流問題并沒有引起運(yùn)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(yàn)研究才證明系統(tǒng)地回流的存在，引起了相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對這一問題的關(guān)注。在此之后，北京地鐵借鑒國外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，著手研究并實(shí)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(xué)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(yùn)營數(shù)年后，其主體結(jié)構(gòu)鋼筋發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，險(xiǎn)道內(nèi)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(jī)構(gòu)對軌道交通地回流問題做了很多工作。文獻(xiàn)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(jī)理和判定依據(jù)，建立了地鐵牽引地回流的數(shù)學(xué)模型并研究了其分布規(guī)律，提出了在牽引變電所增設(shè)排流裝置，并設(shè)計(jì)了相關(guān)軟件對防護(hù)效果進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了城市軌道交通系統(tǒng)地回流的上位機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)，并在深圳地鐵3號(hào)線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，說明了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，解釋了檢測原理。文獻(xiàn)通過計(jì)算機(jī)仿真分析，探討牽引地回流防護(hù)的各種措施，并提出了地鐵地回流防護(hù)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(jìn)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(jié)，使鐵路沿線金屬結(jié)構(gòu)均進(jìn)行等電位的連接，這種設(shè)計(jì)不僅可以減小軌道接地電阻，而且使鐵路沿線設(shè)備處于等電位體。德國的高速鐵路設(shè)計(jì)普遍采用無澄軌道，這種設(shè)計(jì)同時(shí)增大了鋼軌電位，為了使鋼軌電位滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，接地系統(tǒng)充分利用了橋壤和險(xiǎn)道進(jìn)行接地。為了保護(hù)無澄軌道，減小無漁軌道對電務(wù)軌道電路信號(hào)的電磁干擾、同時(shí)滿足繼電保護(hù)設(shè)備短路時(shí)的快速動(dòng)作，一般在無漁軌道間鋪設(shè)四根接地鋼筋，接地鋼筋每隔一段距離與接觸網(wǎng)基礎(chǔ)、回流線和接地鋼軌等相連，無渣軌道間的鋼筋進(jìn)行絕緣處理。德國鐵路的接地系統(tǒng)專門指出在橋梁基礎(chǔ)中用于接地的鋼筋截面容易受短路電流影響，特別強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)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(shè)方式。

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2牽引供電系統(tǒng)地回流分布分析

電氣化鐵路開通運(yùn)行以來，牽引供電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)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(fù)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(gòu)建牽引供電系統(tǒng)地回流的數(shù)學(xué)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(yùn)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(fù)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(jī)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(gòu)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(shù)要求與經(jīng)濟(jì)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(jìn)，安裝在電務(wù)設(shè)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?fàn)恳妷禾岣咭槐�，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(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)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(dǎo)
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(dǎo)。鋼軌-大地間等效電導(dǎo)值大小取決于接觸網(wǎng)基礎(chǔ)及支柱形式、道床鋪設(shè)材料和綜合貫通地線設(shè)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(huì)流經(jīng)饋電線、接觸網(wǎng)、電力機(jī)車，最后通過鋼軌、架空回流線流回牽引變電所，構(gòu)成閉合回路。但是鋼軌-大地泄露電導(dǎo)的存在，使得牽引供電系統(tǒng)中一部分回流會(huì)經(jīng)過泄露電導(dǎo)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(huì)在大地中形成地回流。

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2.2地回流的數(shù)學(xué)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(gè)理論的數(shù)學(xué)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(luò)的等效分布參數(shù)數(shù)學(xué)模型，計(jì)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(luò)阻抗是從牽引變電所端口看入的多個(gè)導(dǎo)線一地回路結(jié)構(gòu)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?fàn)恳W(wǎng)阻抗表現(xiàn)出非線性特性，在計(jì)算中非常復(fù)雜。因此，需要在研究牽引變電所與電力機(jī)車之間的鋼軌中電流、地回流分布特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，得出牽引網(wǎng)絡(luò)阻抗計(jì)算簡化的等效電路。進(jìn)行鋼軌及地中電流計(jì)算時(shí)，為簡化起見，做如下假設(shè)：
(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(xué)模型及其計(jì)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(jìn)行分析。
牽引變電所接地網(wǎng)是構(gòu)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(shè)備的存在，使?fàn)恳冸娝嬖诮拥仉娮�。為了分析方便，先討論忽略牽引變電所接地電阻時(shí)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(jī)車取流點(diǎn)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(huì)對牽引回流的分布產(chǎn)生影響：(1)接地電阻的存在會(huì)同時(shí)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(shí)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。

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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(dòng)系統(tǒng)及其諧波類型.............17
3.1.2交流牽引傳動(dòng)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(xué)腐蝕研究.............57
5.1牽引變電所接地網(wǎng)電化學(xué)腐蝕類型.............57
5.1.1 標(biāo)準(zhǔn)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(xué)腐燭研究

接地網(wǎng)是一個(gè)大型的網(wǎng)狀接地裝置，由垂直和水平埋設(shè)在地中的金屬導(dǎo)體所構(gòu)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(huì)對牽引變電所接地網(wǎng)鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)腐燭，使?fàn)恳冸娝拥仉娮枭�，�?yán)重時(shí)還會(huì)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(xué)腐燭過程，并提出有效的防護(hù)措施對牽引變電所的安全運(yùn)行具有重要意義。

5.1牽引變電所接地網(wǎng)電化學(xué)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(zhǔn)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(xì)水強(qiáng)烈上升高度為1.8-2.3m。統(tǒng)計(jì)表明：全線139個(gè)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(shè)備，以及對牽引變電所接地網(wǎng)的直流電化學(xué)腐燭問題已經(jīng)形成了一套成熟理論，并且提出了相應(yīng)的檢測和防護(hù)措施。如前文所分析，交流電化學(xué)腐蝕的反應(yīng)機(jī)理及規(guī)律與直流電化學(xué)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(xué)腐蝕速率模型，進(jìn)而對交流地回流對接地網(wǎng)的腐蝕影響問題進(jìn)行研究。
在石油管道運(yùn)輸防腐獨(dú)領(lǐng)域，相關(guān)機(jī)構(gòu)和學(xué)者已經(jīng)對交流電引起的石油管道電化學(xué)腐蝕原因及規(guī)律做出了相關(guān)研究，并取得了一定成果。在下面的討論中，我們需要假設(shè)腐燭鐵電極的極化曲線不發(fā)生變化，這種假設(shè)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(shí)際交流電腐燭實(shí)驗(yàn)事實(shí)。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(shí)，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(yùn)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(xué)腐蝕過程會(huì)造成接地網(wǎng)表面金屬腐蝕脫落。牽引變電所的設(shè)計(jì)使用壽命一般為50年，做出到達(dá)使用年限時(shí)地回流大小與接地網(wǎng)腐燭率的關(guān)系，如圖5-8。

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6結(jié)論與展望

6.1結(jié)論
牽引供電系統(tǒng)地回流問題對整個(gè)電氣化鐵路的安全運(yùn)行起到至關(guān)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(dāng)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(jìn)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(guān)問題進(jìn)行了分析，定性提出了一些可行的防護(hù)措施�？偨Y(jié)全文主要包括以下內(nèi)容：
(1)本文根據(jù)直接牽引供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫茖?dǎo)出牽引供電系統(tǒng)地回流的等效數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)這一模型對地回流沿鋼軌的分布規(guī)律進(jìn)行了計(jì)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(dǎo)）和牽引電流大小，與機(jī)車取流位置無關(guān)，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(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的低次諧波和交流牽引傳動(dòng)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(jì)算證明地回流的高次諧波成分60%都分布在地表下3m以內(nèi)。地回流諧波成分的這一分布規(guī)律對電務(wù)信號(hào)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，會(huì)對軌道電路、電務(wù)信號(hào)傳輸和信號(hào)電源系統(tǒng)造成影響。

6.2展望

本文己經(jīng)完成了預(yù)期的牽引供電系統(tǒng)地回流分布及防護(hù)研究，因?yàn)闀r(shí)間及實(shí)驗(yàn)條件有限，未在以下方面進(jìn)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(chǔ)，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(jìn)一步研究分析得出；地回流對電務(wù)系統(tǒng)的影響是強(qiáng)電與弱電的交叉學(xué)科，本文只是定性的給出了地回流對信號(hào)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(xué)腐蝕反應(yīng)有很多種，本文對主反應(yīng)進(jìn)行了研究分析，相關(guān)副反應(yīng)并沒有考慮在內(nèi)。這些問題需要在今后進(jìn)一步研究與完善。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：42928