浅谈高铁综合地线的接地效果

浅谈高铁综合地线的接地效果
【摘要】随着经济的发展和科学技术水平的进步，高速铁路得到了前所未有的发展，高铁作为人们最基本的交通工具之一具有运行速度快、行车密度高、牵引电流大的特点，高铁的建设中的钢轨泄露电阻和故障短路电流较大，一旦高铁钢轨电位异常升高，就会严重影响到乘客人身安全和列车设备安全。

因此科学评价高铁综合地线的接地效果，能够有效确保高铁综合地线的接地安全，对确保牵引网内电力回流接地时人身安全和设备安全具有重要意义。

本文首先阐述了高铁综合地线的接地的理论依据，并分析了高铁综合地线接地效果的评估标准，同时以沪昆高速铁路为例，比较现场测试与试验测试的结果。

【关键词】高铁；综合地线接地；效果评估
0.引言
随着高速电气化铁路的建设和发展，逐渐推出了一种综合地线接地系统。

由于高铁属于电力牵引的交通工具，具有负荷电流、故障短路电流和钢轨泄漏电阻都比较大，远远超过普通铁路的电流和电阻的强度，因此会引起钢轨电位的急剧升高，从而威胁到人身安全和设备安全[1]。

综合地线接地系统作为一种新型接地技术，能够有效解决钢轨电位升高问题，为高铁电气设备运行提供安全可靠、经济施用的接地方案。

我国的沪昆、武广、京津等高速铁路均采用高铁综合地线接地方式，本文就详细分析该接地方式的接地效果。

1.高铁综合地线接地的理论依据
（1）高铁中的钢轨电位。

高铁是一种通过电力牵引的交通工具，在牵引电力系统中，钢轨作为牵引电力的流通介质，电流会通过钢轨流回变电站[2]。

但是钢轨和铁道床体之间并不是属于绝对绝缘体，因此不可避免会有一些电流通过钢轨进入土地，这些流入大地的电流会通过回流点或注入点重新进入钢轨，但是在钢轨和地面之间存在泄露电阻，当泄露电流通过时会形成钢轨电位。

钢轨电位的剧烈升高会引发电力牵引设备和高铁设备的爆炸，从而威胁到人身安全。

综合地线接地方式是采用在高铁钢轨周围辐射综合贯地地线，通过地线将牵引电流传送到变电所，可以大大减少泄露电流，降低钢轨泄露电阻，从而实现降低钢轨电位的目的。

（2）综合地线接地阻抗原理。

综合地线接地方式是凭借铺设在钢轨周围的综合贯地地线将牵引电流传送回流到变电所，在综合地线自身阻抗与导体泄电电导而产生综合接地阻抗。

当牵引电流回流时，综合接地阻抗越大，使得电流经过钢轨流回牵引变电所的量度越大，从而促使钢轨电位升高[3]。

可见综合地线接地阻抗与钢轨电位呈正比例相关。

（3）综合地线分流系数。

在高铁铁路的综合地线铺设中，综合贯通地线通常会根据相应的间距与钢轨连接铺设，一般为每km铺设一段，如图1所示。

图1钢轨与综合地线连接示意图
当钢轨上的电流到达连接点A、B、D、A'、B'、D'时会重新分配，综合地线中的电流越大，则钢轨中的电流就越少，反之钢轨电位就降低。

以BD两点之间的电位为例，U g（χ）为：
式中I BD是B、D两点钢轨之间的横向连接距离，I g（χ）是综合地线任意点流入的电流分布，U gD'为综合地线处的D'的电位。

M gr是钢轨与综合地线之间的互为感应。

由此可以算出B、D两点间任意一点的钢轨电位Uχ（χ）为：
有以上两个式子可以推算出综合地线的分流系数为：
2.高铁综合地线接地效果评估
根据以上的高铁综合地线接地的理论分析，采用Visual Basic设计软件，成功开发了一套高铁综合地线接地效果的评估软件，主要综合评估综合地线的阻抗以及分流系数、牵引回流线的阻抗以及分流、综合地线的埋设深度、地线半径以及导线长度，同时分析了分流系数以土壤电阻、回流线半径以及横向连接距离的关系，以沪昆高速铁路作现场测试。

（1）综合地线接地阻抗的形成因素。

以沪昆高速铁路作现场测试，取任意一个参数作为变量，其中其他参数以沪昆高速的实际参考值为准，有上述三个式子可以得出，综合地线的阻抗与埋设深度、横向连接距离、牵引导线长度有关。

本文仅列出接地阻抗与导线长度关系图，如图2所示，接地导线长度在3km以内，综合地线的接地阻抗变化最明显，但是大于3km时，综合地线的接地阻抗变化较小。

图2 接地阻抗与导线长度关系图
（2）分流系数的影响因素。

以沪昆高速铁路作现场测试，取任意一个参数作为变量，其中其他参数以沪昆高速的实际参考值为准，有上述三个式子可以得出。

如图3所示，当地线半径小于6mm的情况下，地线半径越大分流系数越大，当半径大于6慢慢时，半径对分流系数的影响微弱。

从图4中可以看出，横向连接线越大，分流系数越小，当横向连接线大于6km时，分流系数的变化越来越小。

从图5可以看出，当综合地线的埋设深度小于0.6cm 时，地线埋设深度越深分流系数越大，而超过0.6cm时，分流系数与地线埋设深度的关系并不明显。

从图6中可以看出，当分流系数与土壤的电阻率密切相关，土壤电阻力越大，分析
系数越小。

综上所属，可以得出分流系数与综合地线埋设深度、地线半径、横向连接线长度以及土壤电阻力关系密切，因此在高铁综合地线接地工程铺设过程中要选择适当的埋设深度、地线半径、横向连接线长度，这样才可以有效控制钢轨电位，从而减少施工程序和工作量，达到成本节约的目的。

当土壤电阻率处于400/Ω·m时，分流系数变化不明显，400/Ω·m是土壤电阻力对分流系数影响最微弱的关键点。

图3 接地阻抗与综合地线半径的关系图
图4接地阻抗与横向连接距离的关系
图5 接地阻抗与综合地线埋设深度的关系
图6 接地阻抗与土壤电阻力的关系
3.现场高铁综合地线接地效果测试
本文以沪昆高速现场测试为具体研究对象，随机选取沪昆高速路段处两个测试点：刘家车站以及徐家院子，根据沪昆高速现场测试的土壤电阻率，调查高铁综合地线铺设工程所采用的接地线材料，收集钢轨型号，将所有与试验测试有关的实际参数都收集齐全之后，对沪昆高铁路段处的刘家车站至隧道以及徐家院子周围的接地电阻以及分流参数作详细的分析和计算，得出理论值和测试值。

如表1所示，徐家院子测试点的接地电阻与分流系数的理论值与测试值相差非常小，刘家车站测试点的接地电阻与分流系数的理论值与测试值相差也非常小，而产生接地电阻与分流系数的理论值与测试值差异的因素可以归结为现场测试环境中的自然因素和人为因素，两方面的因素对测试值会造成重要影响。

由此可以得出，采用综合地线接地效果的评价体系所计算的试验误差小，因此该评估体系可以有效指导高铁综合底线接地工程设计和施工。

表1两处测试点的接地电阻与分流系数的理论值与测试值比较
接地电阻/Ω分流系数测试点土壤电阻力/
Ω·m
徐家院子理论值0.46 0.485
测试值55 0.50 0.468 刘家车站理论值0.31 0.521
测试值256 0.32 0.512
4.结束语
我国的高铁建设已经初步成熟，在高铁电气接地中有相当丰富的经验。

但是高铁作为一种载客量巨大的交通工具，具有负荷电流、故障短路电流和钢轨泄漏电阻都比较大，远远超过普通铁路的电流和电阻的强度，起钢轨电位的急剧升高涉及到人身安全和设备安全，因此重视高速铁路的电力牵引系统科学设计和建设，采用高效、安全的接地技术是至关重要的。

本文研究表明高铁电力牵引中采取综合地线接地方式，能够减少流经钢轨的电流和电压，从而有效控制钢轨电位。

而在高铁综合地线接地工程铺设过程中要选择适当的埋设深度、地线半径、横向连接线长度，这样才可以有效控制钢轨电位，从而减少施工程序和工作量，达到成本节约的目的。

以沪昆高速铁路现场测量结果相比较，采用综合地线接地效果的评价体系所计算的试验误差小，因此该评估体系可以有效指导高铁综合底线接地工程设计和施工。

【参考文献】
[1]王波,吴广宁.高速铁路综合接地效果评价系统[J].交通运输工程学报,2011,11(5):28-34.
[2]毕红军.电气化铁道牵引回流分布的理论分析[J].北京交通大学学报,2011,18(2):251~257.
[3]苏光辉.钢轨电位过高的原因分析及解决措施[J].电气化铁道,2010,(1):38~40.。