张磊
国能朔黄铁路发展有限责任公司 山西 忻州 034000
摘 要：本文分析了混合电气化地区有一个组合的交流/直流电。接地的策略是完全不同的，因为直流电气化的目的是使铁路与地面隔离，交流电通常使铁路和其他金属部件，如结构和架空接触网(OCS)杆连接到地面。在某些地点，实际上不可能有效地分离两种接地方案。这使得直接连接到地面的元件，即结构基础、接地棒，甚至导轨的腐蚀成为可能。
关键词：铁路电气化 接触网停电施工 挂接地线?
引言
在铁路电气化接触网施工的过程中。接地的策略是完全不同的，因为直流电气化的目的是使铁路与地面隔离，交流电通常使铁路和其他金属部件，如结构和架空接触网(OCS)杆连接到地面。在某些地点，实际上不可能有效地分离两种接地方案。这使得直接连接到地面的元件，即结构基础、接地棒，甚至导轨的腐蚀成为可能。这种混合环境对安全和腐蚀管理提出了挑战。尽管限制直接接地元件的数量并用架空地线将它们全部连接起来是一个很好的防腐措施，但必须验证接触电压是安全的并且符合标准(即 en50122)。
为了了解不同接地情况下的影响，如接地阻抗的变化和单个元件接地阻抗降低的影响，提出了一种参数分析方法。该方法是在线路建模的基础上考虑电气元件，如轨道阻抗、不同元件的接地阻抗、轨到地阻抗和接触网线路特性。一旦获得电气模型，就进行一系列用于参数分析的模拟，以确定单个元件对一般系统的影响，并调查沿线短路分析的结果。
一．铁路接触网电气化概述
铁路电气化方案有直流或交流两种。通常，直流电流用于低电压(3千伏以下) ，交流电用于高电压(15或25千伏)。两种方案的接地方式是不同的。过去，直流电流被用于直流电动机的良好控制特性和电磁兼容性特性，因为直流电流不会在周围的金属元件中产生电压或电流。
直流电气化的主要缺点是，由于杂散电流，必须在整个线路生命周期内进行良好的管理、设计和维护。杂散电流是不可避免的，因为一部分回流电流离开了铁轨。当这些杂散电流离开具有正电压电位的金属材料时（例如，当它们离开铁路或任何其他地下材料(管道、管道或电缆)返回变电站时） ，就会引起腐蚀。可以采用几种有效的缓解策略，每种策略的基础都是将直流铁轨与地球充分隔离。第一个策略是增加铁路的隔离度，但是我们需要确保铁路和地面之间没有不安全的电压。其他的缓解措施包括促进直流电流的回流通道，并通过降低铁路的等效阻抗和使用低电阻率的高质量材料以主要受控的方式回流直流电流。另一个常用的选择是安装电缆与轨道平行，这提供了一个额外的路径，使当前的回报在轨道旁边而不是在地面旁边。其他用于减轻直流电影响的选择(但原则上不是很有效)包括集电器或垫子吸引直流电影响限制腐蚀。这种性质的战略所产生的问题来自于可能由于促进另一条返回路径而导致离开铁路的电流量增加而产生的负面影响。泄漏电流必须得到控制，而且我们必须确保收集器的设计正确，否则，它们可能产生相反的效果。
相反，交流带电线路不会产生杂散电流，因为这种带电方式的时变特性使得单向电流无法稳定流动。由于交流电压相对较高，在轨道和接地元件之间获得安全接触电压的最佳方式是接地轨道，并将其与周围的所有导电元件连接，如接触网杆、金属走道、信号箱或棚屋等。对于直流列车和交流列车在同一线路上运行的混合环境，缓冲措施针对已经接地的交流元件，可能包括不接地某些元件，以减少杂散电流路径。根据 EN 50122-1，这一策略的成功在于确定减少腐蚀和保持在接触电位范围内所需的最小接地连接。其他轨旁元件，如电缆或围栏，必须同时考虑交流和直流两种效应，并提供一个折衷的解决方案，以防止危险的交流电压和直流腐蚀。有关杂散电流和接触电压的标准是 EN 50122。
在混合的直流和交流环境，这两种类型的电气化共存，有时使用相同的轨道(例如，直流第三轨和交流 OCSs 的混合使用线路和终端站)。在这些地区，交流接地系统的接地金属元件有腐蚀的危险，因为它们提供到地面的低电阻路径。这个问题可以通过不混合交流和直流系统来解决，然而，有时这是不可能的。在许多情况下，线路并不是新建的，而是随着时间的推移而全面修改的。此外，机车车辆的生命周期很长，这使得很难从一天完全升级一个系统到下一天。可以采用交流/直流转换或中性或过渡区等元件，从而阻碍直流电流进入交流区。减少那些接地于交流区并因此易受腐蚀影响的元件是管理混合电流情景的更好方法。这样做可以减少必须进行腐蚀监测的区域的数量，并保护增加的资产免受腐蚀。一旦确定了易受腐蚀的元素，就可以对它们进行管理，并且可以采用诸如阴极或阳极保护等缓解策略。
二．核心问题描述
杂散电流引起腐蚀的主要原因是回流电流离开直流钢轨流向电解质介质(地面、钢轨-扣件过渡或其他)时产生的电解现象。对于其他埋地元件，例如管道或金属导管，这种效果也是一样的。在这种特殊情况下，当直流电流通过接地棒流入地面，当电流离开接地棒流入地面时，接地棒就会发生腐蚀现象。在铁路工程中，安全至关重要，本文的目标是在减少和管理腐蚀的同时，确保符合安全标准。为了确保减少接地(杆或接地网)的连接是一个有效的选择，评估确定是否轨到地的电压保持在限制之下是必要的。
在施工的过程中，第一步是获得可能存在于接触网和钢轨之间的短路电流。要做到这一点，我们必须考虑电缆的特点，变电站和自耦变压器设施的位置(在2 × 25kv 电气化系统中这些需要最后考虑) ，以及回路(轨道和接地系统)的特点。一个深入的分析应该从考虑是否短路电流可实现在每个位置的线是有效的只有该位置。在整个地区使用的最大短路电流将导致某些地区的接地系统过大。为了计算在线路的每个金属元件上可达到的接触电压，必须进行仿真研究。本文首先对系统进行建模，然后提出将要研究的仿真场景。
三．研究方案分析
为了对电气化铁路沿线故障时的接触电压进行评估，必须对铁路系统进行准确的建模。这应考虑到模拟所涉及的下列不同的子系统和要素:
接触网是铁路普遍采用的电气化系统，已有一个多世纪的历史。一个交流电气化系统可以表示为一个系统包括无限长度的多个平行的直线导体。假设部分电流回路是由地面产生的(地面被认为是均匀的) ，电阻率是有限的，并且具有相对单一的磁导率。采用多导体方法进行接触网建模是必要的 。因此，接触网电气系统的建模是基于带有地面回路的传输线的概念。所用的模型是一个中等长度的线与集中参数 。阻抗参数的计算采用卡森级数公式 。
在供电及牵引变电所的设计过程中，模拟了一个简单的1 × 25kv 带电系统。有更复杂的系统，如2 × 25千伏系统依赖于使用自耦变压器。本文的结果适用于这两个系统，虽然1 × 25系统更容易建模。本文提出的变电站模型包括四个导体(连接导体和回路导体)、一个电压发生器、变电站的等效阻抗和不同元件的接地阻抗。
之后建立1 × 25kv 铁路系统的双线铁路短路等效网络阻抗模型。对于接地元件，如杆、悬链线柱、悬链架和其他金属元件，必须进行建模。如前所述，考虑了1 × 25kv 交流供电系统的双轨钢轨。
四．小结
研究表明，线路的一个接地元件的离散变化对整个接触电压的计算产生了重大影响。例如，与铁路车站接地系统的连接极大地改变了车站附近的电压分布，但是距车站的距离增加对电压分布影响不大。为了对接地系统及其最有用的方法进行良好的分析，需要对接地系统以及每个元件与其他元件相互作用的方式有一个彻底的了解。这种方法的目标是在不损害安全的同时减少腐蚀影响，这是铁路线路的首要任务。
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