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《高電壓技術(shù)雜志》2015年第十一期

摘要：

高速鐵路綜合接地系統(tǒng)(HRIGS)是高速鐵路運行安全的重要保證，研究HRIGS接地阻抗和散流特性對于準(zhǔn)確理解HRIGS作用機制及測量方法具有重要意義。為此，采用CDEGS數(shù)值仿真軟件，建立了HRIGS貫通地線計算模型，得到了HRIGS接地阻抗與土壤電阻率、貫通地線的半徑、埋深、寬度等的關(guān)系。提出了HRIGS作用范圍、散流長度和接地阻抗有效測量長度的概念，并計算得到了不同土壤電阻率下這3個參數(shù)的定量數(shù)值。結(jié)果表明，隨著土壤電阻率的增大，HRIGS的作用范圍、散流長度和接地阻抗有效測量長度也逐漸增大。在綜合接地系統(tǒng)作用范圍內(nèi)，離鋼軌最遠(yuǎn)的垂直距離與土壤電阻率近似呈冪函數(shù)關(guān)系，當(dāng)土壤電阻率為100Ω•m時，HRIGS散流長度約為4km，接地阻抗測量有效長度約為2km；而土壤電阻率為5000Ω•m時，HRIGS散流長度達(dá)30km，接地阻抗有效測量長度約為10km，HRIGS接地阻抗有效測量長度明顯小于散流長度。

關(guān)鍵詞：

高速鐵路；綜合接地系統(tǒng)；接地阻抗；作用范圍；散流長度；有效測量長度

高速鐵路列車因載客量高、運行速度快、安全性高、舒適方便、能耗低等優(yōu)點而得到快速發(fā)展。高速鐵路行車密度高，牽引電流大，短路電流大，鋼軌泄漏電阻大，鋼軌電位比普速電氣化鐵路高[1-3]。電氣化區(qū)段內(nèi)，通信、信號、電力牽引網(wǎng)、電力系統(tǒng)等若仍沿用傳統(tǒng)的分別接地方式，則系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備間電位差、人身和設(shè)備安全等問題難以解決[4-5]。

為減少強弱電系統(tǒng)各專業(yè)接地系統(tǒng)間電位差及電磁干擾，我國高速鐵路采用綜合接地系統(tǒng)，通過沿線兩側(cè)敷設(shè)貫通地線將鐵路沿線牽引供電回流系統(tǒng)、電力供電系統(tǒng)、通信信號系統(tǒng)、建筑物、道床、站臺、橋梁、隧道、聲屏障及其他電氣電子信息系統(tǒng)等需要接地的裝置連成一體[6-8]，將強電和弱電、牽引和供電、信號和通信、防雷接地和保護接地等聯(lián)系在一起，形成世界上最大規(guī)模的長距離水平伸長聯(lián)合接地系統(tǒng)。

目前有關(guān)接地體接地性能的研究主要集中在電力系統(tǒng)接地方面[9-12]。高速鐵路綜合接地系統(tǒng)是一種縱向貫通型大規(guī)模水平接地系統(tǒng)，不同于發(fā)電廠、變電站接地網(wǎng)，也不同于輸電線路桿塔、避雷針等小型接地體，入地電流產(chǎn)生的電流場分布和電位分布與半球形接地極散流差異很大。西南交通大學(xué)吳廣寧教授課題組對鐵路貫通地線瞬態(tài)電位分布和土壤散流[13]、雷擊接觸網(wǎng)引起高速列車車體過電壓及牽引供電系統(tǒng)的雷電防護[14-17]、高速鐵路接觸網(wǎng)引雷特性[18]、直供方式下的牽引電流分配[19]、高速鐵路綜合接地系統(tǒng)與弱電系統(tǒng)耦合模型[20]、車組車頂復(fù)合絕緣子內(nèi)部間隙電場畸變影響因素[21]、電氣化鐵路絕緣子表面積污分布及優(yōu)化策略[22-23]以及霧雨環(huán)境中列車車頂電場[24]等開展了大量研究。王順超、沈海濱、谷山強等學(xué)者分別對高速鐵路橋面10kV電纜雷擊過電壓、接觸網(wǎng)懸式復(fù)合絕緣子防雷應(yīng)用特性以及牽引網(wǎng)雷害風(fēng)險評估方法展開了研究[25-27]，對于保障高速鐵路電氣安全意義重大。

鐵路綜合接地系統(tǒng)長度達(dá)到數(shù)百至上千km，受到沿線導(dǎo)體阻抗和土壤散流作用影響，鐵路綜合接地系統(tǒng)中的電流總是集中在電流注入點附近區(qū)域。注入電流分為2部分，一部分電流經(jīng)過導(dǎo)體流向遠(yuǎn)方或進一步散流，另一部分電流流入大地。進行接地阻抗的測量及布線需要了解接地體尺寸和散流范圍、以及多長區(qū)段進行一次接地阻抗測量[28]。目前國內(nèi)外對這些問題的研究相對較少。本文采用CDEGS軟件，基于矩量法[29-30]對鐵路綜合接地系統(tǒng)的接地阻抗特性及散流特性進行了數(shù)值計算，提出了鐵路綜合接地系統(tǒng)作用范圍、散流長度、接地阻抗有效測量長度等概念，得到了鐵路綜合接地系統(tǒng)特性定量數(shù)值和規(guī)律。

1高速鐵路綜合接地系統(tǒng)接地阻抗

定義高速鐵路綜合接地系統(tǒng)工頻接地阻抗為電流注入點的工頻地電位升與注入工頻電流的幅值之比。在CDEGS軟件中建立高速鐵路綜合接地系統(tǒng)貫通地線計算模型。依據(jù)高速鐵路鐵路工程建設(shè)通用圖，路基及導(dǎo)體按照實際設(shè)計尺寸建模。計算模型長度為100km，2條貫通地線每間隔500m橫向連接一次，橫向連接線規(guī)格、埋設(shè)深度與貫通地線一致，如圖1所示，計算參數(shù)取值見表1。貫通地線半徑取為4.7mm，材料為裸銅絞線，路基段埋設(shè)深度取為0.7m，間距為24m。當(dāng)土壤電阻率在100~5000Ω•m之間變化時，不同土壤電阻率下高速鐵路綜合接地系統(tǒng)接地阻抗參數(shù)計算結(jié)果見表2和圖2，用冪函數(shù)擬合接地阻抗yr與土壤電阻率xr的關(guān)系。隨著土壤電阻率的增大，鐵路綜合接地系統(tǒng)接地阻抗、接地電阻和接地電抗不斷增大，但阻抗角變化不大。當(dāng)土壤電阻率在100~3000Ω•m之間變化時，接地阻抗從0.158Ω增大到0.999Ω；當(dāng)土壤電阻率≤3000Ω•m時，接地阻抗≤1Ω。電阻分量約占阻抗分量的80%，電抗分量約占阻抗分量的60%，電抗分量所占比例不能忽略。牽引供電電流或短路故障電流流過鐵路綜合接地系統(tǒng)時，引起的地電位升是高速鐵路綜合接地系統(tǒng)接地阻抗與經(jīng)高速鐵路綜合接地系統(tǒng)流入大地的電流的函數(shù)。高速鐵路綜合接地系統(tǒng)應(yīng)測量接地阻抗，而不是接地電阻。選取高速鐵路綜合接地系統(tǒng)貫通地線單一參數(shù)作為變量，如貫通地線半徑、埋深或?qū)挾龋嬎愕玫浇拥刈杩购拓炌ǖ鼐€半徑、埋深和2條貫通地線間距之間的關(guān)系，分別如圖3、圖4和圖5所示。從圖3−4可以看出：1）接地阻抗隨著貫通地線半徑的增大而逐漸減小。當(dāng)貫通地線半徑<3mm時，接地系統(tǒng)接地阻抗隨著半徑的增大而迅速減小。當(dāng)綜合貫通地線的半徑>4mm時，高速鐵路綜合接地系統(tǒng)接地阻抗幾乎不隨半徑的增大而變化。2）接地阻抗幾乎不隨貫通地線埋深的增大而變化，與2條貫通地線間距關(guān)系較小。

2高速鐵路綜合接地系統(tǒng)作用范圍

定義高速鐵路綜合接地系統(tǒng)的作用范圍為：垂直于貫穿地線方向上的地電位升為10%電流注入點地電位升的地表觀測點所圍成的區(qū)域。它與電流極、電壓極布置及測量誤差密切相關(guān)。取圖1中的電流注入點(注入電流1A)作為坐標(biāo)原點，貫通地線為x軸(水平方向)，過原點與貫通地線垂直方向為y軸。不同土壤電阻率下高速鐵路綜合接地系統(tǒng)的地電位升高及作用范圍如圖6、7所示。不同土壤電阻率下，接地系統(tǒng)作用范圍垂直方向上的最遠(yuǎn)點距離與土壤電阻率的關(guān)系如圖8所示。從圖6−圖8可以看出：1）隨著土壤電阻率的增大，高速鐵路綜合接地系統(tǒng)引起的地表電位升越來越大。同一土壤電阻率下，隨著觀測點與同側(cè)貫通地線距離的增大，高速鐵路綜合接地系統(tǒng)引起的地表電位升逐漸減小，靠近高速鐵路綜合接地系統(tǒng)側(cè)地表電位升變化快。2）與高速鐵路綜合接地系統(tǒng)距離越遠(yuǎn)，地表電位升變化越小，但并沒有出現(xiàn)明顯的水平段。同一土壤電阻率下，為了使相同布線長度的電流極對高速鐵路綜合接地系統(tǒng)流散電流產(chǎn)生的電流場畸變最小，電流極應(yīng)布置在電流注入點的貫通地線垂線上。以等電位升曲線以內(nèi)的部分表示高速鐵路綜合接地系統(tǒng)作用范圍。隨土壤電阻率的增大，接地系統(tǒng)作用范圍增大。當(dāng)土壤電阻率為100Ω•m時，高速鐵路綜合接地系統(tǒng)作用范圍垂直方向上的最遠(yuǎn)點距離≤900m；當(dāng)土壤電阻率為5000Ω•m時，則可達(dá)4478m。

3高速鐵路綜合接地系統(tǒng)散流特性

綜合接地系統(tǒng)流散到大地中的電流離電流注入點越遠(yuǎn)，經(jīng)綜合接地系統(tǒng)散流到大地中的電流就越小。定義貫通地線方向上的地電位升為10%電流注入點地電位升的地表觀測點組成的區(qū)域在高速鐵路段的長度為接地系統(tǒng)散流長度。貫通地線線電流密度分布計算模型如圖9所示，以電流注入點兩側(cè)各1.5km的貫通地線作為研究對象，計算得到不同土壤電阻率下接地系統(tǒng)線電流密度沿貫通地線分布和散流比例，分別見圖10和圖11。不同均勻土壤電阻率下高速鐵路綜合接地系統(tǒng)散流長度見表3。

電流注入點的地電位升是接地系統(tǒng)各段單位長度在電流注入點產(chǎn)生電位的疊加。離電流注入點一定距離處，各單位長度綜合接地系統(tǒng)在電流注入點產(chǎn)生的地電位升之和與這段長度內(nèi)的接地系統(tǒng)在電流注入點產(chǎn)生的地電位升之和相比，可以忽略不計。這時雖然仍有電流經(jīng)過這個長度后的接地系統(tǒng)散流到大地中，但對計算或測量得到的接地阻抗的影響很小。定義這個區(qū)段的長度為高速鐵路綜合接地系統(tǒng)接地阻抗有效測量長度。不同土壤電阻率下鐵路綜合接地系統(tǒng)有效測量長度見表4。不同土壤電阻率下高速有效測量長度與接地阻抗的關(guān)系曲線如圖12所示。從表4、圖12可以看出：1）相同土壤電阻率下，貫通地線的線電流密度在電流注入點附近最大，從電流注入點向兩側(cè)逐漸減小。在貫通地線橫連處，由于導(dǎo)體散流的屏蔽作用，使得橫連節(jié)點附近貫通地線的線電流密度變小，曲線在橫連節(jié)點附近產(chǎn)生凹陷。2）隨著土壤電阻率的增大，貫通地線的線電流密度逐漸減小，電流注入點兩側(cè)相同距離處的貫通地線散流比例也逐漸減小。100Ω•m時1.5km段可散流47.5%，而3000Ω•m時1.5km段的散流只有14.5%。說明隨著土壤電阻率的增大，流入高速鐵路綜合接地系統(tǒng)的電流將會經(jīng)過更長區(qū)段流散到大地中。3）隨著土壤電阻率的增大，接地系統(tǒng)的散流長度也逐漸增大。土壤電阻率為100Ω•m時，接地系統(tǒng)散流長度約4km；土壤電阻率為5000Ω•m時達(dá)30km。4）隨著土壤電阻率的增大，接地系統(tǒng)的有效測量長度也逐漸增大。當(dāng)土壤電阻率為100Ω•m時，接地系統(tǒng)接地阻抗有效測量長度約2km；當(dāng)土壤電阻率為5000Ω•m時，接地系統(tǒng)接地阻抗有效測量長度達(dá)10km。5）接地阻抗有效測量長度小于電流流散到大地中經(jīng)過的高速鐵路綜合接地系統(tǒng)散流長度，說明接地系統(tǒng)遠(yuǎn)端對降低接地阻抗的作用減小。

4結(jié)論

1）隨著土壤電阻率的增大，高速鐵路綜合接地系統(tǒng)接地阻抗與土壤電阻率呈近似冪函數(shù)關(guān)系，電抗分量占接地阻抗的比例不能忽略，綜合接地系統(tǒng)應(yīng)測量接地阻抗。土壤電阻率≤3000Ω•m時，接地阻抗<1Ω。2）隨著土壤電阻率的增大，高速鐵路綜合接地系統(tǒng)的作用范圍逐漸增大。高速鐵路綜合接地系統(tǒng)作用范圍垂直方向上的最遠(yuǎn)點距離與土壤電阻率呈近似冪函數(shù)關(guān)系。3）隨著土壤電阻率的增大，高速鐵路綜合接地系統(tǒng)的散流長度也逐漸增大。當(dāng)土壤電阻率為100Ω•m時，高速鐵路綜合接地系統(tǒng)散流長度約為4km，5000Ω•m時達(dá)30km。4）隨著土壤電阻率的增大，高速鐵路綜合接地系統(tǒng)接地阻抗有效測量長度逐漸增大。土壤電阻率為100Ω•m時高速鐵路綜合接地系統(tǒng)接地阻抗有效測量長度約為2km，5000Ω•m時達(dá)10km。接地阻抗有效測量長度小于散流長度。

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作者：王建國 樊亞東 張義 周蜜 孫建明 戚廣楓 單位：武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 中鐵第四勘察設(shè)計院集團公司