陳 敏

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接觸網(wǎng)獨(dú)架供電線回流及支柱接地實(shí)施方案

陳 敏

對(duì)于接觸網(wǎng)獨(dú)立架設(shè)的供電線，若由于雷擊或其他原因發(fā)生供電線對(duì)支柱閃絡(luò)，故障電流沒有通暢的回路，保護(hù)裝置無法識(shí)別并快速切除故障，形成系統(tǒng)隱患。針對(duì)該問題，本文提出完善的接觸網(wǎng)獨(dú)架供電線回流及接地實(shí)施方案。

獨(dú)架供電線；回流；接地

0 引言

在電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)工程中，受征地、線路坡度等因素的影響，有的接觸網(wǎng)上網(wǎng)點(diǎn)距牽引變電所較遠(yuǎn)，距離幾百米甚至幾公里，同時(shí)考慮維護(hù)檢修方便，供電線與接觸網(wǎng)采用分桿架設(shè)。該情況下，當(dāng)遭遇雷擊或由于其他原因?qū)е鹿╇娋€對(duì)支柱閃絡(luò)時(shí)，故障電流沒有通暢的回路，保護(hù)裝置無法識(shí)別故障并將之快速切除，形成系統(tǒng)隱患，最終可能造成無法挽回的損失和災(zāi)害。因此，對(duì)供電線的回流及接地進(jìn)行合理設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

2016年9月，中國(guó)鐵路總公司運(yùn)輸局印發(fā)的《牽引變電所二次系統(tǒng)防強(qiáng)電侵入優(yōu)化技術(shù)方案指導(dǎo)意見》（運(yùn)供設(shè)備函[2016]325號(hào)）指出，接觸網(wǎng)獨(dú)架供電線支柱接地宜采用的方案為：每根支柱設(shè)獨(dú)立接地極，接地電阻不大于30W；具備成排架設(shè)集中接地線條件的，應(yīng)架設(shè)集中接地線，架空集中接地線或者零散供電線支柱接地極都應(yīng)保證至少和接觸網(wǎng)回流線、綜合接地貫通地線、牽引變電所主接地網(wǎng)三者之一可靠連接，構(gòu)成可靠的短路電流回流徑路。

結(jié)合325號(hào)文相關(guān)要求，本文從支柱接地電阻選擇、回流線截面計(jì)算、支柱危險(xiǎn)電位評(píng)估等方面，對(duì)接觸網(wǎng)獨(dú)架供電線支柱接地方案進(jìn)行綜合分析，并提出具體的工程實(shí)施方案。

1 接觸網(wǎng)獨(dú)架供電線增設(shè)回流線

1.1 增設(shè)回流線作用

牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，牽引負(fù)荷電流經(jīng)鋼軌、回流線、正饋線及保護(hù)線（AT供電方式）、吸上線、大地回流至牽引變電所，即為正常的負(fù)荷電流設(shè)計(jì)了通暢的回路。對(duì)于獨(dú)架供電線，增設(shè)的回流線主要解決供電線對(duì)支柱發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，為短路電流提供暢通回路，使保護(hù)裝置快速識(shí)別并及時(shí)切除故障。因此，該回流線設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)與既有回流系統(tǒng)并聯(lián)，避免正常負(fù)荷電流回路復(fù)雜化。

1.2 增設(shè)回流線實(shí)施方案

（1）回流線所亭側(cè)與變電所接地網(wǎng)相連，另一側(cè)末端通過單獨(dú)的接地極接地，接地電阻值選擇的具體分析見第2節(jié)。

（2）回流線敷設(shè)優(yōu)先選擇直埋方式，埋深1 m左右，導(dǎo)線采用裸銅線。采用直埋方式不僅可以將雷擊電流快速泄入大地，還可以降低雷擊或絕緣子污閃短路時(shí)支柱對(duì)地的電位。直埋困難需架空安裝時(shí)，回流線可選擇采用與架空地線一致的鋁包鋼芯鋁絞線或鋼芯鋁絞線。

（3）回流線截面選擇。基于前述的連接方式，該回流線的截面僅與流經(jīng)的短路電流大小、持續(xù)時(shí)間及導(dǎo)線材質(zhì)有關(guān)。計(jì)算示例如下。

假設(shè)牽引變壓器容量為50 MV·A，阻抗電壓10.5%；電力系統(tǒng)短路容量1 000 MV·A（后續(xù)仿真分析中，電源參數(shù)均基于該假設(shè)）。此時(shí)，牽引變電所出口處短路電流為9.35 kA。

瞬時(shí)電流劇增會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線溫度升高，導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度不降低的極限溫度銅導(dǎo)線為200 ℃，鋁導(dǎo)線為180 ℃。由于短路時(shí)間很短，假設(shè)導(dǎo)線不向外散熱，則流過指定電流時(shí)所需的導(dǎo)線截面積為

式中，為短路電流，A；為初期溫度為40 ℃時(shí)的常數(shù)，銅導(dǎo)線為152，鋼芯鋁絞線為93.26；為短路電流持續(xù)時(shí)間，s，結(jié)合保護(hù)裝置性能確定（以某工程為例，距離保護(hù)一段動(dòng)作故障切除的時(shí)間為：保護(hù)裝置監(jiān)測(cè)到短路電流后出口時(shí)間為26 ms，延時(shí)100 ms，斷路器跳閘60 ms，至全部熄弧再加20 ms，合計(jì)206 ms，計(jì)算取300 ms）。

回流線按采用裸銅導(dǎo)線和鋁包鋼芯鋁絞線2種材質(zhì)考慮，可計(jì)算得到裸銅導(dǎo)線截面為33.7 mm2，鋁包鋼芯鋁絞線截面為54.8 mm2。結(jié)合導(dǎo)線規(guī)格并預(yù)留一定裕度，當(dāng)采用裸銅導(dǎo)線時(shí)，截面選擇為50 mm2；當(dāng)采用鋁包鋼芯鋁絞線時(shí)，截面選擇為95 mm2。

（4）回流線采用架空方式架設(shè)時(shí)，需核算供電線對(duì)支柱閃絡(luò)時(shí)的電位，據(jù)此確定回流線是否需要絕緣安裝（見第2節(jié)）。

2 接觸網(wǎng)獨(dú)架供電線支柱接地方案

通過對(duì)牽引變電所、供電線、回流線、支柱及接地建模，可仿真不同導(dǎo)線和接地電阻情況下，發(fā)生供電線對(duì)支柱閃絡(luò)時(shí)的電位，以確定合理的接地電阻及絕緣方案。仿真模型如圖1所示。

模型中獨(dú)架供電線長(zhǎng)度為3 km，采用雙根LGJ240導(dǎo)線，右側(cè)為牽引變電所電源，上部為供電線，下部為回流線，0為牽引變電所接地網(wǎng)電阻，按0.5W計(jì)算；1—61為接觸網(wǎng)支柱的接地電阻，分別計(jì)算4、10和30W時(shí)，供電線在不同點(diǎn)閃絡(luò)時(shí)的支柱電位，計(jì)算結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，故障點(diǎn)距牽引變電所距離越遠(yuǎn)，支柱的電位越高；支柱接地電阻越小，其電位越低；僅降低第一根和最末根支柱的接地電阻，不能有效降低支柱的電位。因此后續(xù)計(jì)算僅對(duì)支柱接地電阻全部為10W和全部為30W這2種情況進(jìn)行研究。

圖1 仿真計(jì)算模型

圖2 支柱接地電阻不同時(shí)供電線對(duì)支柱閃絡(luò)的電位

2.1 回流線采用LGJ95導(dǎo)線架空敷設(shè)

回流線采用LGJ95導(dǎo)線架空敷設(shè)，供電線對(duì)支柱閃絡(luò)時(shí)，支柱電位曲線如圖3所示。

圖3 回流線架空敷設(shè)供電線閃絡(luò)時(shí)的支柱電位

2.2 回流線采用TJ50導(dǎo)線埋地敷設(shè)

回流線采用TJ50導(dǎo)線埋地敷設(shè)，供電線對(duì)支柱閃絡(luò)時(shí)，支柱電位曲線如圖4所示。

圖4 回流線埋地敷設(shè)供電線閃絡(luò)時(shí)的支柱電位

2.3 支柱電位限值

為避免對(duì)人身安全造成威脅，支柱電位不能超過一定數(shù)值。IEC62128.1-2013[3]中給出了不同時(shí)限下接觸電壓的允許值。持續(xù)時(shí)間與保護(hù)裝置跳閘時(shí)間有關(guān)，保護(hù)裝置一般能夠在0.2 s內(nèi)跳閘，因此，接觸電壓限值取0.2 s時(shí)對(duì)應(yīng)的645 V。

對(duì)于接觸網(wǎng)支柱，人體與其接觸時(shí)通過人體的電流通常是由手經(jīng)雙腳接地，此時(shí)雙腳距接觸點(diǎn)（即接觸網(wǎng)支柱）的水平距離標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定為1 m。另外，標(biāo)準(zhǔn)中還給出了在均勻土壤電阻率和走行軌直接接地的情況下，沿軌道垂直方向的鋼軌電位衰減值，在距鋼軌1 m處，接觸電壓為鋼軌電位的30%。為安全考慮，支柱電位按不超過接觸電壓的3倍控制，即不大于1 935 V（0.2 s）。

2.4 支柱接地電阻及架空回流線安裝方式

根據(jù)前述仿真計(jì)算結(jié)果及電位限值的分析，可得出如下結(jié)論：

（1）供電線支柱接地電阻均為10W時(shí)，可有效降低短路時(shí)的電位；采用該方案，當(dāng)供電線長(zhǎng)度大于3 km時(shí)，需采取雙重絕緣方案。

（2）當(dāng)供電線支柱接地電阻均為30W，供電線長(zhǎng)度大于2.3 km時(shí)，需采取雙重絕緣方案。

具體實(shí)施中，可結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，選擇適當(dāng)?shù)慕拥仉娮杓盎亓骶€安裝方式。

3 結(jié)語

接觸網(wǎng)獨(dú)架供電線有必要設(shè)置用于流通故障電流的回流線，該回流線僅一端與回流系統(tǒng)連通，其直接與牽引變電所電網(wǎng)連接。該回流線最宜采用裸銅導(dǎo)線直接埋地的敷設(shè)方式，當(dāng)困難地段需架空架設(shè)時(shí)，需結(jié)合當(dāng)?shù)卮蟮赝寥离娮杪?、?dú)架供電線長(zhǎng)度合理選擇接地電阻值，并校核供電線對(duì)支柱閃絡(luò)時(shí)支柱上的電位，超出限值時(shí)需采取雙重絕緣安裝方案，確保人身安全。

[1] 鐵路總公司運(yùn)輸局. 運(yùn)供設(shè)備函[2016]325號(hào)《牽引變電所二次系統(tǒng)防強(qiáng)電侵入優(yōu)化技術(shù)方案指導(dǎo)意見》[S]. 2016.

[2] 方大千. 輸配電速查速算手冊(cè)[J]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2001.

[3] IEC62128-1 Protective provisions against electric shock[S]. 2013.

For independent erected power supply feeders of overhead contact line, there is no smooth path for faulty current if there is arc flashing between power supply feeder and mast caused by the lightning striking or other reasons, and the protection devices are unable to distinguish and cut out the faults, which will be becoming the risks of the system, so the implementation scheme for independent erection of the power supply feeders and earthing for overhead contact line are put forward accordingly.

Independent erection of overhead contact line; return current; earthing

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.015

U224.2+5

B

1007-936X(2018)06-0064-03

2018-03-23

陳 敏.中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，高級(jí)工程師。