劉讓雄

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510430）

1 牽引變電所的回流裝置

我國電氣化鐵路采用27.5kV單相工頻交流制。在牽引變電所牽引變壓器27.5kV側(cè)一端通過回流箱母排與接地網(wǎng)及鋼軌相連，另一端與接觸網(wǎng)相連，在接觸網(wǎng)與鋼軌之間輸出27.5kV單相電，電力機車則通過受電弓與接觸網(wǎng)的滑行接觸獲得電能。

如圖1所示，電力機車從接觸網(wǎng)取得電流后，首先流到鋼軌，再分別以3種方式流回牽引變電所的回流箱。

圖1 牽引變電所回流通路示意圖

第1種為架空回流方式：鋼軌→吸上線→回流線→牽引變電所回流箱?；亓骶€沿接觸網(wǎng)架設(shè)，在牽引變電所圍墻外側(cè)通過電纜引入牽引變電所，與牽引變電所回流箱中的母排相連。

第2種為鋼軌回流方式：鋼軌→牽引變電所所在車站的扼流變壓器中性點→回流扁鋼→牽引變電所回流箱。通?；亓鞅怃摬捎秒p根80mm×8mm扁鋼刷防銹漆后直接埋入地中，其一端與牽引變電所所在車站的扼流變壓器中性點相連，另一端與牽引變電所回流箱中的母排相連。

第3種為地回流方式：鋼軌→大地→牽引變電所接地網(wǎng)→牽引變電所回流箱。鋼軌與大地之間不是完全的絕緣體，在鋼軌中的電流有部分會泄漏到大地，通過大地流回牽引變電所的接地網(wǎng)，而接地網(wǎng)與牽引變電所回流箱中的母排直接相連。

這3種回流方式同時存在。通常架空回流與鋼軌回流分擔(dān)的電流較大，地回流相對較小，但無法消除。當架空回流與鋼軌回流不暢時，地回流將成為主要的回流方式。

通常將回流箱與架空回流線、鋼軌、接地網(wǎng)及牽引變壓器接地相的連接稱為牽引變電所的回流裝置。最常用的牽引變電所回流裝置接線形式如圖2所示。上述3種回流在牽引變電所回流箱內(nèi)匯集后連接至牽引變壓器的接地相，形成一個完整的牽引電流閉合回路。

圖2 牽引變電所回流裝置接線圖

2 存在的主要缺陷

上述回流裝置因為設(shè)置簡單，廣為運用。但是，經(jīng)過長期的運行實踐，這種裝置暴露出了一些安全隱患，存在一些缺陷。

2.1 接地網(wǎng)中長期流過電流，對變電所的安全運行嚴重不利

當接觸網(wǎng)有負荷電流時，就會產(chǎn)生地回流。同時，由于牽引變電所一般都設(shè)置了并聯(lián)電容補償裝置，如圖3所示。該補償裝置一端接牽引變壓器27.5kV母線，另一端用接地扁鋼與接地網(wǎng)相連，補償電流直接流入接地網(wǎng)。地回流與補償電流都通過接地網(wǎng)流到牽引變電所回流箱，如圖3中的虛線所示。因此，牽引變電所接地網(wǎng)中長期有工作電流流過，對變電所的安全運行將產(chǎn)生不利影響。

圖3 并聯(lián)電容無功補償裝置接線圖

2.1.1 接地網(wǎng)中產(chǎn)生電位差，危及人身與二次設(shè)備安全

接地網(wǎng)存在接地電阻，電流流過接地網(wǎng)會在不同的兩點之間產(chǎn)生電位差。當發(fā)生以下情況時，就會產(chǎn)生較大的地回流，較大的地回流將在接地網(wǎng)中產(chǎn)生較大的電位差，危及人身與二次設(shè)備安全。

（1）牽引電流過負荷

筆者曾經(jīng)對滬昆鐵路株（洲）懷（化）段一些牽引變電所接地網(wǎng)中的地回流進行監(jiān)測，監(jiān)測到接地網(wǎng)中總的地回流一般均在100～200A，但在接觸網(wǎng)過負荷時，監(jiān)測到的地回流達到300A以上。

（2）軌回流或架空回流不暢

鐵路工務(wù)部門或電務(wù)部門進行施工作業(yè)時，不慎損壞與扼流變壓器相連的回流扁鋼；或電務(wù)部門更改了扼流變壓器的位置造成回流扁鋼與鋼軌失去連接；軌回流扁鋼與扼流變壓器連接線夾因螺栓松動或電流過大而燒壞。這些因素都可導(dǎo)致軌回流不暢，嚴重時甚至造成軌回流中斷。

鐵路工務(wù)部門進行施工作業(yè)時，不慎損壞與鋼軌相連的吸上線；人為偷盜吸上線與回流線；吸上線與回流線接頭等處發(fā)生電氣燒損；回流線機械拉斷或損傷等。這些因素則可導(dǎo)致架空回流不暢甚至中斷。

接觸網(wǎng)進行改造或新增接觸網(wǎng)線路時，容易忽視回流系統(tǒng)，也可能導(dǎo)致軌回流與架空回流不暢。

當軌回流與架空回流一旦出現(xiàn)不暢甚至中斷時，就必然導(dǎo)致地回流異常過大。據(jù)文獻［1］顯示，株洲北牽引變電所共設(shè)有8條饋電線，牽引負荷大，軌回流與架空回流初始設(shè)置不完善，造成該所的地回流過大?，F(xiàn)場曾監(jiān)測到該所最大地回流為550A。

（3）牽引變電所或接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障

牽引變壓器27.5kV側(cè)有一相是工作接地，當牽引變電所27.5kV側(cè)設(shè)備發(fā)生短路故障時，強大的短路電流將通過大地流回牽引變壓器。當接觸網(wǎng)發(fā)生接地短路時，雖然會有部分短路電流通過架空回流與鋼軌回流流回牽引變電所，但巨大的接地短路電流仍將使接地網(wǎng)中的地回流驟增。

這種回流裝置，地回流最終都將通過牽引變電所的接地網(wǎng)流回牽引變壓器。接地網(wǎng)的電位差隨地回流的增大而升高，這會危及人身安全。滬昆鐵路小龍門等多個牽引變電所，因為回流線被盜后未能及時恢復(fù)，引起地回流增大，造成牽引變電所接地網(wǎng)電位異常升高，值班人員碰觸變電所水管時發(fā)生‘麻電“，危及人員安全。據(jù)文獻［1］顯示，株洲北牽引變電所因地回流過大，造成該所的遠動通道與變電所地網(wǎng)之間的電位差有時高達160V，導(dǎo)致經(jīng)常燒壞遠動裝置的GM－R060、GMR070、GM－R011、GM－R051插件和無線遠動裝置的Modem，嚴重影響遠動設(shè)備的安全運行。

當牽引變電所二次電纜屏蔽層出現(xiàn)兩點接地時，電纜屏蔽層就會分流地回流，地回流過大就可能造成電纜過熱甚至燒壞電纜危及二次設(shè)備的安全［2］。如變電所二次電纜出現(xiàn)絕緣損壞時，接地網(wǎng)中的地回流還可能造成保護誤動作。據(jù)文獻［3］顯示，某牽引變電所110kV電流互感器二次電纜中有一相電纜的絕緣破損造成接地故障，使與其相連的差動繼電器因流過較大的地回流而造成該牽引變壓器差動保護誤動作，牽引變壓器被退出運行，中斷供電與行車。

2.1.2 加劇接地網(wǎng)的腐蝕，影響接地網(wǎng)的壽命并產(chǎn)生安全隱患

接地網(wǎng)中長期通過電流，電流會加劇接地網(wǎng)的電腐蝕與化學(xué)腐蝕，造成接地扁鋼因腐蝕過快而開斷，導(dǎo)致接地網(wǎng)的接地電阻嚴重超標。根據(jù)文獻［4］顯示，滬昆鐵路玉（屏）貴（陽）段的9個牽引變電所，1987年開通，其接地網(wǎng)因長期有電流流過，運行不到11年測試接地網(wǎng)電阻時已普遍超標，最大的達到7.3Ω，超過設(shè)計和運行標準規(guī)定值0.5Ω的14倍。在該段牽引變電所的改造施工中，發(fā)現(xiàn)多處接地網(wǎng)的接頭腐蝕斷開，該段牽引變電所的接地網(wǎng)已無法滿足正常運行的要求，為此提前對該段牽引變電所的接地網(wǎng)進行大修改造。而一些發(fā)電廠和變電站，其接地網(wǎng)正常情況是沒有電流的。這些接地網(wǎng)的運行壽命明顯要長很多。據(jù)文獻［5］中的資料顯示，南寧中堯村發(fā)電廠的主地網(wǎng)，運行了30年，40 mm×4mm的扁鋼大多腐蝕成20mm×2mm。南寧35kV群益變電站運行26年，主地網(wǎng)φ16mm圓鋼腐蝕成φ11mm。接地網(wǎng)的腐蝕速度比牽引變電所的接地網(wǎng)要慢。

牽引變電所接地網(wǎng)中長期有電流流過，接地網(wǎng)腐蝕明顯加快，這不僅嚴重影響接地網(wǎng)的正常使用壽命，同時還會造成接地網(wǎng)接頭接觸不良甚至斷開，接地電阻與接地網(wǎng)中的電位差都會隨之升高，二次電纜接地屏蔽層分流的地回流也會隨之增大。筆者對京廣鐵路郴（州）韶（關(guān)）段幾個牽引變電所的運行情況進行了調(diào)研，該段電氣化鐵路于1988年開通，2007年進行設(shè)備年度檢修時發(fā)現(xiàn)在高壓室檢測電壓互感器二次端對地電壓為100V（正常值），在控制室檢測同一電壓互感器的同一根二次電纜芯線對地電壓則只有64.5V，控制室與高壓室的接地網(wǎng)出現(xiàn)了35.5V的電位差，經(jīng)檢測控制室與高壓室之間的接地網(wǎng)出現(xiàn)了斷點。這不僅危及人身和二次設(shè)備安全，而且還可能造成二次保護誤動作或拒動作。

2.2 軌回流扁鋼易腐蝕影響其安全可靠性

鋼軌回流采用雙根回流扁鋼直接埋地，分別連接鋼軌與牽引變電所回流箱?；亓鞅怃撀竦胤笤O(shè)時，雖然采取了防腐措施，但腐蝕不可避免。

近些年來，隨著鐵路運量的快速增長，牽引負荷電流逐年持續(xù)加大，軌回流扁鋼承擔(dān)的電流也隨之逐年增加。但是，軌回流扁鋼卻因為逐年腐蝕，其有效載流能力持續(xù)下降。這不僅會造成地回流的分流增大，同時也會危及軌回流扁鋼自身的安全。2002年4月滬昆鐵路貴定牽引變電所1＃主變壓器軌回流指示突然消失，經(jīng)查發(fā)現(xiàn)埋在地中的回流扁鋼在接頭處因腐蝕嚴重脫開。2008年7月24日9時04分滬昆鐵路西河牽引變電所2＃主變壓器發(fā)生了一起軌回流扁鋼因載流能力下降被燒斷的故障，最終導(dǎo)致牽引變電所被迫中斷供電進行搶修，嚴重影響了牽引變電所的安全可靠運行。

綜上所述，牽引變電所現(xiàn)有的回流裝置雖然簡單實用，但卻存在缺陷，嚴重時這種缺陷會危及牽引變電所的安全運行，需要改進。

3 改進方案

3.1 改進措施

3.1.1 設(shè)置收集地回流的輔助接地網(wǎng)

地回流無法消除，要消除地回流在牽引變電所接地網(wǎng)中產(chǎn)生的不利影響，可在接地網(wǎng)的設(shè)置上采取如下改進措施：

（1）單獨設(shè)立一個小型輔助接地網(wǎng)，該接地網(wǎng)與牽引變電所接地網(wǎng)不相連，也不與牽引變電所任何電氣設(shè)備的接地相連。

（2）設(shè)電纜將該輔助接地網(wǎng)與牽引變電所回流箱相連。

（3）斷開牽引變電所接地網(wǎng)與牽引變電所回流箱之間的連接。

3.1.2 軌回流扁鋼改用電纜

將現(xiàn)有回流扁鋼直接埋地方式改為鋪設(shè)電纜溝，用回流電纜連接方式。

3.1.3 并聯(lián)電容補償裝置工作接地由扁鋼連接改用電纜連接

將并聯(lián)電容補償裝置的工作接地由扁鋼連接改用電纜連接，補償裝置的工作電流經(jīng)由電纜直接流入牽引變電所回流箱，而不再流經(jīng)接地網(wǎng)。

3.2 改進效果分析

采取上述3項改進措施，可以收到以下效果：

（1）將牽引變電所接地網(wǎng)與牽引變電所回流箱完全隔離，地回流和并聯(lián)電容補償裝置的工作電流不再流經(jīng)牽引變電所接地網(wǎng)，徹底解決了牽引變電所接地網(wǎng)中長期流過電流及由此產(chǎn)生的安全問題。

（2）從根本上解決了軌回流扁鋼的腐蝕及由此產(chǎn)生的隱患。

然而采取上述改進措施后，牽引變電所接地網(wǎng)不再與牽引變電所回流箱直接相連，也即不再與牽引變壓器27.5kV側(cè)的接地相相連，造成27.5kV側(cè)的電壓互感器、所用變壓器和避雷器等設(shè)備的工作接地及27.5kV側(cè)所有設(shè)備的保護接地與牽引變壓器接地相之間的連接斷開，將影響27.5kV側(cè)設(shè)備及相應(yīng)保護裝置的正常工作。

3.3 優(yōu)化方案

為解決上述改進措施帶來的新問題，在采取3.1.1～3.1.2項措施的基礎(chǔ)上，還需補充以下2條措施：

3.3.1 在27.5kV側(cè)增設(shè)輔助接地箱

在27.5kV側(cè)增設(shè)輔助接地箱，箱內(nèi)設(shè)接地母排，將并聯(lián)電容補償裝置與27.5kV側(cè)的電壓互感器、所用變壓器和避雷器等設(shè)備的工作接地用電纜接入該輔助接地箱中的接地母排，將該接地母排用雙根電纜與牽引變電所回流箱連接，從而與牽引變壓器接地相可靠連接，確保了這些設(shè)備工作接地回路的完整性。

3.3.2 在牽引變電所接地網(wǎng)與回流箱之間加裝放電裝置

27.5kV側(cè)設(shè)備一旦發(fā)生單相接地短路故障，因27.5kV側(cè)所有設(shè)備的保護接地未與牽引變壓器的接地相連通，從而造成短路保護拒動，接地網(wǎng)出現(xiàn)高電位損壞二次設(shè)備，危及人身安全。因此，在牽引變電所接地網(wǎng)與回流箱之間加裝放電裝置，使27.5kV側(cè)設(shè)備發(fā)生接地短路時，接地網(wǎng)電位升高，放電裝置瞬間動作提供短路電流通路，確保短路保護可靠動作。設(shè)置該放電裝置的動作電壓宜低于牽引變電所二次設(shè)備的工頻試驗電壓1 000V［7］。

改進后的回流裝置如圖4所示。

圖4 牽引變電所改進后的回流裝置示意圖（以1＃B系統(tǒng)為例）

4 結(jié)束語

當前，各牽引變電所運行中的回流裝置大多存在上述缺陷，這些缺陷在一定條件下會危及人身與二次設(shè)備的安全。近年來，電氣化鐵路快速發(fā)展，牽引變電所一二次設(shè)備不斷更新?lián)Q代，而回流裝置卻沒有實質(zhì)性的改進。這與回流裝置存在的缺陷對牽引變電所安全可靠供電的影響具有較強的隱蔽性和較大的偶然性有關(guān)，因此，長期以來沒有得到應(yīng)有的重視。但是，這些缺陷會隨著牽引變電所運行時間的不斷延長，牽引負荷的不斷增大，其對牽引變電所安全運行的影響將會越來越嚴重。相關(guān)文獻資料顯示，牽引變電所回流裝置暴露的問題正逐年增多。

對于新建牽引變電所，可直接采取上述改進措施，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化回流裝置的具體設(shè)計；對于既有的牽引變電所，則可根據(jù)其實際運行情況，結(jié)合各牽引變電所的更新或大修改造方案，可以有計劃地分步驟改進回流裝置。總之，采取上述改進措施，可從根本上消除現(xiàn)有回流裝置存在的上述缺陷，進一步提高電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的安全性與供電可靠性。

［1］龍建霞.株洲北牽引變電所地回流過大的原因及對策［J］.電氣化鐵道，2007，（3）：19－21.

［2］劉讓雄.淺析牽引變電所接地系統(tǒng)存在的安全隱患［J］.鐵道建筑技術(shù)，2008，（1）：66－69.

［3］李文起.關(guān)于地回流對差動保護裝置影響的分析［J］.電氣化鐵道，1994，（4）：8－9.

［4］程輝海，劉明光，鄭舟康，等.牽引變電所地網(wǎng)腐蝕與改造研究［J］.電氣化鐵道，2006，（1）：16－18.

［5］王洪澤，楊 丹，王夢云.電力系統(tǒng)接地技術(shù)手冊［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［6］劉起津.牽引變電所回流回路與接地裝置［J］.電氣化鐵道，1994，（3）：16－19.

［7］GB 50150－1911，電氣設(shè)備交接試驗標準［S］.1992.