12.6.1 回流回路和接地裝置的設(shè)計(jì)

12.6.1.1 概述

交流電氣化鐵道的供電系統(tǒng)對(duì)回流系統(tǒng)也有影響。在簡單的回流線系統(tǒng)中，如圖12.1所示，采用走行軌作回流回路，30%～40%的回流流經(jīng)土壤。如圖12.1b) 所示，可以采用在支柱上安裝回流線的方法將這部分電流減少至15%～20%。

如圖12.1d)所示，在自耦變壓器系統(tǒng)供電時(shí)，架空接觸網(wǎng)和帶電回流線間的傳輸電壓更高。帶電回流線就是人們常說的正饋線。每隔10～20km安裝一臺(tái)自耦變壓器，將傳輸電壓轉(zhuǎn)換為接觸線電壓。相鄰的兩臺(tái)自耦變壓器相當(dāng)于常規(guī)供電系統(tǒng)供電區(qū)段兩端的兩個(gè)變電所。與吸流變壓器供電系統(tǒng)相似，在饋電線和回流線中的電流幾近相等。它們都減少了流經(jīng)走行軌和大地的回流。

圖12.1c) 中所示的吸流變壓器系統(tǒng)，將變比為1：1的變壓器，每隔3～5km接入架空接觸線。其二次繞組通過吸上線從走行軌將回流吸入絕緣的架空回流線中。返回變電所回流大小接近于接觸線的電流。在大部分區(qū)段流經(jīng)走行軌和大地的電流很校

與直流電氣化鐵道線路相反，交流電氣化鐵道中的回流回路是連到接地系統(tǒng)上的。其接地系統(tǒng)包括大面積的接地體，如建筑基儲(chǔ)橋梁和高架橋基儲(chǔ)隧道鋼筋及沿線路的接觸線支柱的樁基礎(chǔ)！這些系統(tǒng)之間通過回流線互相連接形成了鐵路系統(tǒng)的接地，并與下列接地相連

—中醫(yī)保護(hù)接地;

—低壓保護(hù)接地;

—通信和信號(hào)接地;

—雷電保護(hù)設(shè)備的接地。

在交流牽引系統(tǒng)中，由于與線路的感性耦合和阻性耦合，大地也成為牽引回流路徑的一部分。部分鋼軌回流流過與之相連的接地系統(tǒng)和土壤，導(dǎo)致非鐵路裝置受鐵路系統(tǒng)的影響面增大。流經(jīng)大地的電流越強(qiáng)，鐵路附近的其他裝置，如管道、電纜和設(shè)備等受感性耦合和阻性耦合影響的危險(xiǎn)就越大。為了解決這個(gè)問題，人們已經(jīng)開發(fā)和應(yīng)用了各種不同的方法以減少經(jīng)大地流回變電所的電流及其相關(guān)的影響。

12.6.1.2 經(jīng)過鋼軌和埋設(shè)回流地線的電流

第12.4.3節(jié)解釋了怎樣通過安裝帶狀接地體來大幅度地降低系統(tǒng) (有負(fù)載電流經(jīng)過)中的軌電位。　表12.5的數(shù)據(jù)也證實(shí)了上述結(jié)論。這種帶狀接地體也適用于電位控制。在每條線路地下1m處各埋設(shè)一條獨(dú)立的接地帶。通常這些接地帶由鍍鋅鋼材構(gòu)成，最小鋅層厚度為70μm。接地體截面為30×4mm2鋼材，這些接地帶都由鍍鋅鋼制成，最少有70μm厚的鍍鋅層，截面為30×4mm2或50mm2鍍錫銅纜線。

由于安裝在地下和受到其所采用的截面的限制，接地帶只是稍微促進(jìn)了回流的導(dǎo)通。以德國鐵路的架空接觸網(wǎng)為例進(jìn)行了計(jì)算，以便與沒有裝接地帶的線路進(jìn)行對(duì)比：

如果安裝了接地帶，則：

—架空接觸線阻抗的絕對(duì)值減少了約2%～3%;

—位于距線路中心線3.5m、且高于軌面0.1m處的導(dǎo)電部件中的感應(yīng)縱向電壓 (感應(yīng)縱電動(dòng)勢) 減少了大約7%;

—鋼軌對(duì)大地電壓減少了大約53%。

安裝了接地帶后，在鐵路線周圍的區(qū)域中，電磁場的形狀和場強(qiáng)幾乎沒有什么變化。因此接地帶的主要優(yōu)點(diǎn)是降低了鋼軌對(duì)大地電壓。

12.6.1.3 并行回流線

在架空牽引供電系統(tǒng)中，減少流經(jīng)線路和大地的回流部分最簡單有效的辦法就是在架空接觸網(wǎng)和輔助供電線附近安裝并行的回流線。并行回流線與牽引供電線有近距離的感性耦合，它有著以下可測量到的效果：

—如圖12.32所示，安裝并行回流線可以很大程度上減少流經(jīng)軌道和大地的回流。

—鋼軌對(duì)大地電壓，也就是軌電位，也可顯著降低。計(jì)算結(jié)果顯示，與沒有安裝回流線的系統(tǒng)相比，軌電位可減少50%～55%。[12.41] 中報(bào)告，裝上回流線后再測量，數(shù)值降低53%。

圖12.32 在單位長度有效電導(dǎo)為2S/km的雙線鐵路系統(tǒng)中，回流牽引電流在各回流路徑中的分布

-- —沒裝回流線;

—— —裝了Al 240型回流線

—與鐵路線并行安裝的導(dǎo)線中產(chǎn)生的感應(yīng)縱向電壓(感應(yīng)縱電動(dòng)勢) 也減少了將近一半。對(duì)于Re250型德國鐵路標(biāo)準(zhǔn)接觸網(wǎng)，如果裝了回流線，可發(fā)現(xiàn)位于距線路中心3.5m處的導(dǎo)線中感應(yīng)縱向電壓比沒裝回流線的架空接觸系統(tǒng)中的對(duì)應(yīng)電壓低了45%。距馬德里—塞利維亞鐵路11m處的并行導(dǎo)線上，測到的每km和每kA牽引電流的感應(yīng)電壓為43V(見第12.6.5節(jié)和 [12.42])，該鐵路是由50Hz單相交流系統(tǒng)供電的。為便于比較，對(duì)一個(gè)沒裝并行回流線的系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示，感應(yīng)電壓為70V/ (km·kA)。換句話說，安裝回流線減少了將近39%的感應(yīng)電壓。在 [12.41] 中顯示，裝了回流線的系統(tǒng)中干擾電壓降低了幾乎45%。從圖12.33中可推算出回流線的安裝使得感應(yīng)縱向電壓 (感應(yīng)縱電動(dòng)勢) 減少了35%～40%。

圖12.33 與鐵路線并行安裝的回流線上，單位長度的感應(yīng)縱向電壓 (感應(yīng)縱電動(dòng)勢) 和牽引電流的比，σE=100Ωm

-- —沒裝回流線;

——裝了Al 240型回流線

—鐵路線附近的磁場也得到很大的削弱。[12.41] 顯示，裝了回流線以后，在與軌面等高、距Re200型接觸網(wǎng)12m處的磁場強(qiáng)度為9A/m，而沒裝回流線的系統(tǒng)中，對(duì)應(yīng)的磁場強(qiáng)度為18A/m。距離為12m時(shí)，[12.43]中報(bào)告的磁場強(qiáng)度值： 有回流線時(shí)為10A/m，沒回流線時(shí)為19A/m。在圖13.17中也可看到裝了回流線后磁場強(qiáng)度的減弱。

—單位長度阻抗也減小了。[12.41] 中論述到，在一個(gè)交流15kV、16.7Hz的線路中，單位長度阻抗相對(duì)于沒裝回流線時(shí)減小了9%。同時(shí)，單位長度電阻增加了8%還多，而單位長度電抗減少了18%多。因此，相位角從56°變到了48°。

圖12.32所示為牽引電流在鋼軌和大地中的回流分布。如果沿線路安裝了與接觸網(wǎng)等高且與大地等電位的回流線，則通常流經(jīng)大地的電流幾乎有一半經(jīng)回流線流回變電所，如圖12.1 b) 所示�！”�10.10和表10.11中的值也顯示并行回流線將流經(jīng)大地的回流部分減少了大約一半。