高速鐵路回流系統至變電所接線方案優化研究

孫曉薇，趙建軍，劉 芊，陳懷鑫，李漢卿

0 引言

高速鐵路列車運行速度在250 km/h以上，近幾年開通運行的線路，最大運行時速達350 km。根據經濟、社會發展的需要，各地之間的聯系越發緊密，對高鐵客運專線采用大編組列車以及減小發車間隔的需求不斷提高。目前，高鐵線路逐步采用16編組列車，高峰時段最小發車間隔降至3 min，既有高速鐵路牽引回流系統負荷不斷增大。

國內高速鐵路牽引供電系統普遍采用AT牽引供電方式，牽引變壓器一般采用中性點引出的單相三繞組變壓器，牽引變電所出口分別與接觸網、回流系統及正饋線連接，每間隔10～15 km設置一座AT變電所。AT所中的自耦變壓器起到對潮流重新分配的作用，將牽引回流轉移至接觸網及正饋線，減少牽引變電所的回流。

近幾年，國內高速鐵路陸續出現幾個牽引變電所附近PW線（保護線）斷線的事故[1-2]。高鐵客運系統普遍采用綜合接地系統，根據理論分析，設置貫通地線能夠有效減少大地通過變電所地網回流的電流，避免地網回流過大對變電所地網以及信號設備的影響[3]。

本文首先對目前國內高速鐵路變電所附近回流系統典型接線方案進行分析，論證既有分散回流接線方案可能由于電磁耦合導致部分導體過載的問題。之后，針對既有回流系統接線方案存在的問題，提出一種變電所附近回流系統接線的優化方法，以避免PW線和GW線（貫通地線）等導體出現過負荷的情況。通過建立數學模型，利用仿真軟件對一段高鐵線路進行仿真計算，驗證既有回流方式可能導致部分導體過載的問題，并對提出的優化方案進行驗證。最后，結合本文分析的內容，對高鐵變電所附近回流系統接線方案給出設計建議。

1 國內高鐵變電所回流系統接線方式

國內高鐵采用AT供電方式，牽引網系統一般包括接觸網、正饋線、鋼軌、保護線和貫通地線，上述導線沿軌道線路方向長距離并行并根據需要進行橫向連接，構成大電流、強耦合的電磁系統[4]，如圖1所示。

圖1 牽引供電系統鏈式網絡

根據導體-地回路理論，鋼軌牽引回流一部分沿鋼軌回流，另有一部分泄漏至大地[5]。在AT供電方式下，沿接觸網立柱架空設置PW線，每間隔一定距離，PW線通過電連接線與鋼軌連接。PW線的設計提高了回流系統與接觸網系統的電磁耦合關系，減少了地中回流的比例，并為接觸網發生絕緣故障的情況下提供有效的故障電流通路。

高速鐵路沿線結合自然接地體及人工接地體，通過設置貫通地線將各接地體進行連接，并將牽引回流系統、電力貫通線和通信信號設備的接地裝置接入，構成沿線的等電位綜合接地系統[3]。高鐵系統中，每間隔一定距離將每一行的PW線和GW線統一連接到鋼軌的扼流變中性點，并對上、下行扼流變中性點進行連接，構成一個完全橫向連接[6]。因此，貫通地線是回流系統中的重要部分，能夠將地中回流吸納到回流系統中。

在變電所附近，各回流導體一般采用分散回流方式，如圖2所示。部分線路在鋼軌回流點通過扼流變與PW線或GW線進行橫向連接并接至變電所內的集中接地箱，PW線或GW線仍在其他位置通過獨立回流線接至變電所集中接地箱。

圖2 變電所回流典型接線方式（分散回流）

2 既有回流接線方式存在的問題

2.1 存在問題

在牽引變電所位置，由于接觸網及正饋線均設置有電分相，接觸網和正饋線不可避免與線路存在一段并行敷設的區段?；亓飨到y各導體均為貫通系統，可根據需要設置回流點，將大里程及小里程方向的牽引回流統一接引至變電所內。

如圖3所示，在鋼軌回流的位置更偏向小里程方向，而PW線或GW線回流位置更接近接觸網中性區的情況下，PW線在鋼軌回流點至自身導體回流點的區段內存在與供電線的強電磁耦合關系，容易導致該區段內電流過大。目前PW線一般采用截面為120 mm2的鋼芯鋁絞線，載流量418 A。

圖3 PW線、GW線回流與鋼軌回流不一致的情況

對于GW線，其敷設位置距離接觸網系統較遠，因此受到的電磁耦合影響較弱，但仍受到回流導體電阻回路分流關系的影響，在鋼軌和PW線回流位置比GW線回流位置更遠的情況下，GW線部分區段電流過大。由于GW線一般采用70 mm2的銅絞線，載流量在280 A之內，若出現過負荷運行，容易對綜合接地系統造成破環。

目前對回流系統的電流監測重視不足，更多情況下回流系統扮演“隱藏角色”，當出現PW線或GW線斷線時無法及時獲得情況，影響牽引供電系統的供電質量并導致回流系統不暢等問題。

2.2 仿真分析

結合具體線路的情況，對既有回流方式存在的問題通過仿真計算給出定量分析。仿真線路情況：線路長47 km，設置1座牽引變電所（24 km處）；0、47 km處各設置1座分區所，在12、36 km處各設置1座AT變電所。牽引變壓器采用Vx接線，為220/27.5/27.5 kV單相三繞組變壓器，容量(63+63) MV·A（TN、NF繞組容量選擇40 MV·A），短路電壓為10.5%。各自耦變壓器線路容量均為40 MV·A（電磁容量20 MV·A），漏抗為0.45 Ω。線路中運行的列車統一為16編組CR400AF列車，最高運行速度350 km/h，發車間隔4 min，雙線運行。

2.2.1 仿真工況1

本工況給定條件如下：PW線、GW線在與鋼軌進行集中回流后，PW線在距離牽引變電所更近的位置單獨回流。上行牽引網電分相位于23.7 km處，下行牽引網電分相位于24.3 km處，因此在23.7～24 km存在上行牽引網供電線與PW線并行的情況，在24～24.3 km存在下行牽引網供電線與PW線并行的情況，如圖4所示。

圖4 變電所PW線與集中回流位置不一致情況

根據上文分析，該工況下PW線的電流取決于PW線與供電線的耦合情況。為進一步區分不同耦合情況的影響，調整供電線位置進行2次仿真計算。

（1）情況1：上行供電線位置x= -5 m，y= 6.4 m；下行供電線位置x= 10 m，y= 6.5 m。PW線電流見圖5。

圖5 情況1下PW線電流

（2）情況2：上行供電線位置x= -3.4 m，y=5.3 m；下行供電線位置x= 8.4 m，y= 5.3 m。相比于情況1，情況2下供電線距離PW線更近，PW線電流見圖6。

圖6 情況2下PW線電流

根據以上兩種情況的分析可知，PW線的回流存在2個路徑：路徑1，從PW線通過與鋼軌連接的CPW線（吸上線）至鋼軌回流位置；路徑2，PW線通過自身24 km處的回流線直接回流。在PW線與供電線距離更近、電磁耦合效果更強的情況下，路徑2的阻抗更小，因此大多數電流直接通過PW線回流。對于情況2，PW線電流有效值達到了490 A以上，超過了PW線的載流能力。

可以進一步分析得出，當23.7 km處未設置CPW線的情況下，PW的回流還會進一步增大。PW線在長期過載運行下，容易導致局部過熱、腐蝕加劇、阻抗及載流能力下降，甚至斷線，造成回流系統整體暢通性下降，并對牽引網絕緣故障下保護動作存在一定的影響。

2.2.2 仿真工況2

本工況給定條件如下：在24 km處的牽引變電所以及12、36 km處的AT變電所位置，PW線和GW線連接至鋼軌后統一回流，同時GW線引出單獨回到變電所集中接地箱的回流線，如圖7所示。

圖7 變電所GW線與集中回流位置不一致情況

牽引變電所位置上、下行鋼軌在23.7 km位置設置CPW線，并通過扼流變統一接線回到變電所回流母線中，上、下行的GW線在24 km處通過單獨回流線回到變電所中。在12 km處的AT變電所中，鋼軌集中回流位置為12.3 km處，GW線回流里程為12 km；在36 km處的AT變電所中，鋼軌集中回流位置為15.7 km處，GW線回流里程為36 km。

圖8給出了GW線不同斷面下電流有效值的分布情況。根據仿真計算結果，在12 km處AT變電所位置，GW線最大電流超過315 A，已經超過了70 mm2銅絞線的載流能力。

圖8 GW線不同斷面電流有效值

相比于PW線，GW線與接觸網及供電線之間的電磁耦合關系較弱，因此GW線電流增加主要受制于電阻回路的電流分配關系，牽引回流可以通過鋼軌集中回流到變電所，也可以通過CPW點匯流之后通過距離變電所更近的GW線回流，導致GW線小區段過電流運行。

GW線長期過載運行，將導致GW線發熱嚴重、電阻增大等不良情況，影響綜合接地系統的可靠性，并導致地回流過大等問題。

3 回流系統接線優化方案

為了避免變電所附近PW線和GW線過電流運行的情況，提升回流系統的可靠性，需要避免變電所附近各回流導體回流位置不一致的情況。同時，針對既有回流系統對各回流導體缺少監測方法導致無法及時發現隱患并造成不良影響的問題，建議對軌道附近各回流導體增設電流監測裝置。

圖9給出了一種變電所附近回流系統接線的優化方案，在軌道回流點附近設置集中回流接線箱，設置銅匯流排匯集牽引回流并引出回到變電所的出線端。對各進、出線設置電流監測裝置，改善回流系統運行狀況的可觀測性。

圖9 回流系統接線優化方案示意圖

在采用本文提出的回流系統優化方案后進行仿真計算，結果如圖10所示。

圖10 優化后仿真結果

由上述分析可知，PW線最大電流為180 A，GW線最大電流小于65 A，均處于合理范圍內。

4 結論

本文分析了國內既有高速鐵路變電所附近回流系統的特點，結合實際運營中出現的故障分析既有接線方式由于各回流導體獨立回流位置不一致可能導致PW線或GW線過載運行的問題，并通過仿真計算對故障情況進行了驗證。

針對既有回流系統接線存在的問題，提出一種變電所附近回流系統接線優化方案，通過在軌道回流點附近設置集中接線裝置，實現各回流導體的統一就近回流。通過在裝置中增設電流監測裝置，提高回流系統的可觀測性，方便對回流及綜合接地系統運行狀況的分析。

根據仿真驗證，本方法能夠避免PW線和GW線由于設計問題造成的過負荷運行情況。對于回流電流監測系統，還可以結合智能運維的需求進一步研究。