牵引供电系统钢轨电位的影响因素及降低措施探讨

牵引供电系统钢轨电位的影响因素及降低措施探讨
发布时间：2022-05-07T05:39:08.139Z 来源：《科学与技术》2022年第2期作者：冯运馨
[导读] 近年来，随着电气化铁路的高速发展
冯运馨
呼和浩特供电段内蒙古呼和浩特市 010000
近年来，随着电气化铁路的高速发展，高速铁路和重载铁路不断增多，在铁路上产生了许多问题。

由于气候的变化、接触网电流不断增加等原因，会使钢轨电位产生变化。

电气化铁路钢轨电位升高的问题得到广泛关注。

研究分析钢轨分布特性，可用于评价牵引供电系统对人身和设备的安全性。

本文主要研究的是不同供电方式下的钢轨电位分布特性。

随后研究了影响钢轨电位数值的相关因素。

分别分析了供电方式、钢轨对地泄漏阻抗以及钢轨自阻抗这三种因素对钢轨电位的影响。

其中包括三种供电方式对钢轨电位的影响。

分析出了相比于不带回流线的直供方式，其它两种供电方式都能有效的降低钢轨电位。

最后，本文针对这些影响钢轨电位的因素，分别提出了对应降低钢轨电位的措施。

我国铁路系统庞大，影响钢轨电位的因素比较多，通过对这些因素的分析，可提出相应的降低钢轨电位的措施。

1 不同供电方式
1.1 不同供电方式对钢轨电位的影响
（1）不带回流线的直接供电方式
这是一种最简单的供电方式，其接触网结构比较简单，仅由接触网C和钢轨T组成，如图1-1所示。

其供电回路在通信干扰上不会采取特殊的防护措施，主要用在通信线路较少或很易将受干扰通信线迁改路径的场合。

变电所的供电范围一般在30-40千米左右。

由于钢轨和地之间不设绝缘装置，对地泄漏阻抗较小，部分电流会通过钢轨流入大地，其钢轨电位一般是在机车和变电所附近较大，远离钢轨和机车位置的电位较小。

1.2 不同供电方式下降低钢轨电位的措施
一般在AT供电方式下的铁路中，会给钢轨增设CPW线（保护线用连接线）来降低钢轨电位[4]。

如图1-4，此时钢轨与CPW线并联从而降低了供电系统中回流路径的单位阻抗。

在直供方式下的铁路中，增设NF线（回流线）也会降低供电系统中回流路径的单位阻抗，在本文1.1中有过说明。

如图2-2 ，当上行机车I单独作用时，设其A点的电位为UA0，B点电位为UB0。

当两钢轨之间的电气装置单独作用时，设A点的电位为-UAB，B点电位为UAB。

利用电流源的叠加原理，即当机车电流源I和IAB同时作用时，上行钢轨A点（UA）和下行钢轨B点（UB）电位如下
由式（2-4）和（2-5）可知，将钢轨的上下行横向连接以后，其连接点的电位是两点未连接时其电位的平均值。

至此可知，只要当上下不会车，在机车位置处的电位会有明显的降低。

3 泄漏阻抗
3.1 泄漏阻抗对钢轨电位的影响
钢轨电位可认为是钢轨对地的泄漏电阻和其流过电流的乘积，显然泄漏电阻是影响钢轨电位的一个重要因素，本文在第三章分别采用两个不同的泄漏电阻对钢轨电位进行了熟悉上的模拟分析，如图3-1（a）、（b）分别是的单台机车和两台机车运行时，不同泄漏电阻下的
钢轨电位分布图。

其中实线是泄漏电阻R=0.5Ω/km时的图形，虚线是泄漏电阻R=0.5Ω/km时的图形。

从图中可看出，当泄漏电阻大时，钢轨电位值高。

3.2 降低钢轨对地的泄漏阻抗的措施
天气情况、钢轨处土壤性质和环节污染等都会影响钢轨对地的泄漏阻抗。

在钢轨上安装相应的一些接地体能够很好的降低泄漏阻抗，比如接触网支柱基础的安装、并联钢轨在其安装的接地线、钢轨或是具有导体性质的结构自身的一些接地点[2]。

如果能够减小这些接地体对地的阻抗值，自然就能够很好的减小钢轨系统对地的电阻。

对于某些铁轨上的接地装置，可以将其深埋于地底，因为地底处的土壤电导率较低，如此也可降低钢轨对地的泄漏阻抗。

对于一些地区（比如沙石地区），其土地土壤本身的电阻率较大，为了降低钢轨电位可使用以下几种方法。

（1）换土法。

用一些电阻率较小的土壤，比如黑土、粘土或砂质粘土等来替换当前的土壤。

（2）化学处理。

在接地点的土壤中混入炉渣、木炭粉、食盐等化学物质，以及采用专用的化学降阻剂，可以有效地降低土壤电阻率。

（3）保土。

采取措施保持接地点土壤长期湿润。

结论
本文主要研究的是铁路电气化中不同供电方式下的钢轨电位分布特性。

分析在直接供电方式下，单台和多台机车运行情况来分别对钢轨电位进行模拟，从而找出钢轨电位和电流的一些分布特性和规律，具体如下。

电力机车运行时，钢轨电位在机车所处位置最高，并在两边呈指数形式衰减，当泄漏电阻越小时，其电位值越小且在两边衰减的越快。

变电所到机车或机车到机车之间钢轨的电流值要远大于其他段的钢轨电流值，且在变电所到机车或机车到机车之间每一段钢轨电流值变化不大。

不同的泄漏电阻对钢轨电流值影响不大。

当同一供电区段多台电力机车运行时，变电所处钢轨电位值会增大靠近变电所的机车与变电所之间钢轨电流要大于机车与机车之间钢轨电流，并且是机车数的倍数关系。

通过对钢轨电位产生机理的分析，研究出影响钢轨电位的相关因素。

分析了几种不同的牵引供电方式对钢轨电位的影响，其中不带回流线的直接供电方式下钢轨电位最高。

分析了泄漏电阻以及复线铁路钢轨横向连接对钢轨电位的影响。

给出了几种降低钢轨电位的措施。

（1）由于作者水平有限，论文之中还有许多不足之处。

机车模型太过简单，没有对不同类型的机车进行分析比较。