楊天平

0 引言

變電所接地的主要目的是保障系統(tǒng)能夠安全可靠地運行，保障人身及設(shè)備的安全。安全可靠的接地需要滿足接地裝置接地電阻、接觸電勢和跨步電勢的要求，因此接地系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是確定設(shè)計區(qū)域的入地電流，然后根據(jù)入地電流的大小進行合適的接地系統(tǒng)設(shè)計[1]。

目前牽引變電所接地設(shè)計主要計算依據(jù)是《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》[2]（TB10009-2005）附錄介紹的入地短路電流及電位計算，該計算方法同電力系統(tǒng)發(fā)電廠、變電所經(jīng)接地裝置的入地短路電流及電位計算[3]方法。因為電力系統(tǒng)110 kV及以上供電系統(tǒng)采用有效接地系統(tǒng)，所以規(guī)范中計算方法對于牽引變電所高壓側(cè)（110 kV或220 kV）流經(jīng)接地裝置的入地短路電流都是適用的，但在交流電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中，牽引電流是從牽引變電所經(jīng)饋線流出，沿接觸網(wǎng)送給電力機車，然后經(jīng)軌道、大地和回流線流回牽引變電所，軌道和大地就成為牽引回流的組成部分，當(dāng)在牽引變電所牽引側(cè)發(fā)生接地時，其實質(zhì)是發(fā)生了相間短路，因此規(guī)范中介紹的計算方法不再適用于牽引變電所牽引側(cè)發(fā)生接地時的入地短路電流計算。

在牽引變電所接地設(shè)計時，往往只考慮在接地故障狀況下的地電位升高造成的危害，但軌道和大地為牽引回流的組成部分，在正常運行不采用帶吸回裝置的供電方式時，牽引供電回路中的入地電流較大，造成地電位升高較大且該入地電流不屬于故障電流不能切除，因此對人身及設(shè)備的安全會造成極大的危害，在接地設(shè)計時必須引起足夠的重視。

本文將著重對上述在接地設(shè)計中存在的問題加以探討。

1 入地電流的近似計算[4～7]

1.1 單相接地短路時入地電流

1.1.1 牽引變電所高壓側(cè)單相接地短路

對于牽引變壓器在運行中有中性點引出的，在發(fā)生接地短路時，則可直接運用《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》附錄中的計算方法，對于牽引變壓器在運行中無中性點或中性點不引出的，在變電所內(nèi)發(fā)生接地短路時，由于Iz= 0，所以可簡化為

而在變電所外發(fā)生接地短路時，由于Iz= 0，所以可簡化為

式中，I為入地短路電流；Imax為接地短路時最大接地短路電流；Iz為發(fā)生最大接地短路電流時，流經(jīng)變電所接地中性點的最大接地短路電流；Kf1為變電所內(nèi)短路時，避雷線的工頻分流系數(shù)。

電力系統(tǒng)為了減小單相接地短路電流，降低對鄰近通訊系統(tǒng)的干擾，往往有選擇性地將一部分變壓器中性點接地，一部分變壓器中性點不接地，而目前鐵路系統(tǒng)絕大多數(shù)牽引變壓器實際都運行在中性點不接地狀態(tài)，因此在進行接地短路時入地電流計算主要運用的是式（1）及式（2），在設(shè)計時需加以注意。

1.1.2 牽引變電所饋線單相接地短路

牽引變電所牽引側(cè)接地短路主要表現(xiàn)為母線接地短路、接觸網(wǎng)接地短路及饋線（供電線）接地短路。

牽引側(cè)母線接地短路時，雖然短路電流很大，但因為在所內(nèi)短路，都是以接地裝置作為短路電流回路，所以經(jīng)接地裝置入地的短路電流為0。

接觸網(wǎng)單相接地短路時，則經(jīng)接地裝置入地的短路電流可近似為短路電流計算值乘以地中電流分配系數(shù)。由于牽引網(wǎng)短路阻抗的存在及軌道的分流作用，則當(dāng)接觸網(wǎng)單相接地短路時，經(jīng)地回流的入地電流并不大，本文不再詳述。

牽引變電所饋線（供電線）接地短路，由于牽引變電所與接觸網(wǎng)連接的饋線情形是多種多樣的，有的與線路幾乎垂直且距離較遠，有的與線路幾乎平行且距離較近，因而精確的數(shù)學(xué)模型較難建立，本文僅著重分析在最不利情況下的入地短路電流。

當(dāng)饋線在變電所接地裝置外但相距很近且距鋼軌較遠時發(fā)生短路，可忽略軌道電路的分流作用，接地短路電流主要經(jīng)地、變電所的接地裝置流回牽引變壓器，此時流經(jīng)變電所接地裝置的入地短路電流，在牽引側(cè)各種短路中是最嚴重的，可近似為牽引側(cè)母線一相接地短路時的最大短路電流。其入地短路電流表達式見式（3）—式（5）。

單相變電所（V/v）

三相變電所（Y/D）

三相-兩相變電所（SCOTT）

1.2 正常運行狀況下入地電流

在單線電氣化區(qū)段直接供電方式下，地中電流約為接觸網(wǎng)電流的 1/2；在雙線電氣化區(qū)段，地中電流約為接觸網(wǎng)電流的1/3，上述入地電流可用于計算牽引網(wǎng)中經(jīng)接地裝置流回牽引變電所的電流上限，其表達式見式（6）：

單線電氣化區(qū)段地中電流分配系數(shù)

式中，KE為地中電流分配系數(shù)；I1為接觸網(wǎng)-地回路電流；I2為軌道-地回路電流；Z12為接觸網(wǎng)-地回路與軌道-地回路單位互阻抗；Z2為軌道-地回路單位自阻抗。

雙線電氣化區(qū)段地中電流分配系數(shù)

式中，I1為上行接觸網(wǎng)-地回路電流；I2為下行接觸網(wǎng)-地回路電流；I3為軌道-地回路電流；Z13為上行接觸網(wǎng)-地回路與軌道-地回路單位互阻抗；Z23為下行接觸網(wǎng)-地回路與軌道-地回路單位互阻抗；Z3為軌道-地回路單位自阻抗；一般情形Z13= Z23。

2 工程案例分析

案例1：某牽引變電所牽引變壓器為三相YN，D11結(jié)線，額定容量為 25 MV·A，額定電壓為110/27.5 kV，變壓器阻抗電壓百分值Ud% = 10.5，1臺運行1臺備用，中性點不接地，系統(tǒng)最大運行方式時，110 kV母線正序阻抗標幺值X1= 0.1548，零序阻抗標幺值 X0= 0.3097（基準容量為 Sj=100 MV·A，基準電壓取平均電壓），計算接地短路時最大入地短路電流。

高壓側(cè)單相接地短路時最大接地短路電流：

在變電所內(nèi)發(fā)生接地短路時，由式（1）可知，在忽略避雷線的工頻分流系數(shù)情況下，短路時最大入地短路電流為2430 A。在變電所外發(fā)生接地短路時，由式（2）可知，最大入地短路電流為0 A。

由（3）式可得，饋線側(cè)單相接地短路時最大接地短路電流：

由上述計算可見，當(dāng)在牽引變電所外饋線近點接地時，短路電流全部流經(jīng)牽引變電所接地裝置，有時會超過110 kV（或220 kV）側(cè)單相接地短路時流經(jīng)牽引變電所接地裝置的入地電流，因此在對牽引變電所入地短路電流分析時也應(yīng)加以考慮。

案例2：某牽引變電所土壤電阻率為100 Ω/m，接地網(wǎng)采用長孔接地網(wǎng)，接地電阻及計算值為0.42 Ω，最大接觸電位系數(shù)計算值為Kj= 0.273，最大跨步電位差系數(shù)計算值為Kk= 0.065，經(jīng)計算接地短路時最大入地短路電流為3310 A，正常運行時最大入地電流為490 A。校核接地系統(tǒng)接觸電勢及跨步電勢是否安全可靠。

接地短路時

接地裝置的電位EW= I · R = 1516.2 (V)

最大接觸電勢Ejm= Kj· EW= 379.5 (V)

最大跨步電勢EK= KK· EW= 98.55 (V)

接觸電勢最大允許值

跨步電勢最大允許值

其接觸電勢及跨步電勢均小于允許值，滿足規(guī)范設(shè)計要求。

正常運行時

接地裝置的電位EW= I · R = 205.8 (V)

最大接觸電勢Ejm= Kj· EW= 56.2 (V)

最大跨步電勢EK= KK· EW= 12.8 (V)

接觸電勢最大允許值Ej= 50 +0.05ρ = 55 (V)

跨步電勢最大允許值Ek= 50 +0.2ρ = 70 (V)

其最大接觸電勢小于接觸電勢最大允許值，不滿足接地系統(tǒng)安全性要求，因此需要增設(shè)水平均壓帶或垂直接地極等措施，以此降低接觸系數(shù)或增大土壤電阻率。

通過上述接地短路時與正常運行時接觸電勢及跨步電勢比較可見，在接地設(shè)計時，不僅要校核接地故障狀況下的接觸電勢及跨步電勢，當(dāng)正常運行時入地電流較大時，也需要加以校核。

3 結(jié)語

牽引變電所接地是牽引供電系統(tǒng)安全運行的根本保證，在接地設(shè)計計算中，入地電流的準確計算是校核接地裝置接地時，接地電阻及接觸電勢和跨步電勢是否滿足要求的關(guān)鍵；在計算入地短路電流時，不僅要計算牽引變電所高壓側(cè)（110 kV或220 kV）流經(jīng)接地裝置的入地短路電流，還應(yīng)計算牽引變電所饋線側(cè)接地時流經(jīng)接地裝置的入地短路電流，并加以比較取其最大值，在接地裝置接地，校核接地電阻及接觸電勢和跨步電勢時，不僅要考慮接地短路故障下的入地電流造成地電位升高的影響，還要考慮在正常運行時入地電流造成地電位升高的影響。

[1]何金良，曾嶸.電力系統(tǒng)接地技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2]TB10009-2005 中華人民共和國鐵道部.鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范[S].

[3]DL/T621-1997 中華人民共和國電力工業(yè)部.交流電氣裝置的接地[S].

[4]譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.

[5]李群湛，賀建閩.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.

[6]譚秀炳.牽引變電所經(jīng)接地裝置的入地短路電流計算方法的應(yīng)用研究[J].西鐵科技，2000，1.

[7]簡克良.電力系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1993.