大地的導(dǎo)電性

圖12.15 軌道和大地之間的阻性耦合模型

12.4.2.2 直流系統(tǒng)的鋼軌—大地回路

在直流供電系統(tǒng)中，鋼軌要與大地絕緣以盡可能避免雜散電流。但是，由于絕緣的實際情況和上部結(jié)構(gòu)電阻的限制，仍有一部分牽引電流I_trc從大地流回變電所。

圖12.15所示為由一個變電所向一輛牽引車輛供電系統(tǒng)的鋼軌和大地之間阻性耦合的簡化模型。實際上，在電氣化鐵道系統(tǒng)中，會有很多列正在運(yùn)行的列車由多個變電所供電。因此，在討論軌道和大地之間的電流和電壓時，要考慮每一個負(fù)載或每單位長度鐵路線上的負(fù)載。鐵路線單位長度的負(fù)載可由公式 (10.37) 來計算。計算地電流和鋼軌對大地電壓是一個復(fù)雜的過程，其結(jié)果取決于當(dāng)時任一點的列車和負(fù)載。因此，在這里只是以圖12.15所示的模型為基礎(chǔ)作一些基本的推論。

根據(jù) [12.23]，假設(shè)通向變電所而且離開牽引車輛的軌道無限長。地電流IE為：

在這個公式中，α為傳播常數(shù)，其量綱為 (長度)-1，它可由式 (12.6) 計算

在電氣負(fù)載的位置，軌道和大地之間電壓U_TE為

Z₀為特性阻抗，可由式 (12.8)來計算：

例： 在一個單線直流電氣化鐵道系統(tǒng)中，分別假設(shè)單位長度的漏泄電導(dǎo)為2、1和0.1S/km，鋼軌為UIC60型。要計算牽引列車和變電所中間位置 (L=5km; L=10km) 流入大地的電流。另外，如果牽引電流為1000A，還需計算牽引列車位置的鋼軌對大地電壓。

從表10.6，我們可以得到UIC60型鋼軌的單線路系統(tǒng)的R′=R′_T＝0.015Ω/km。由此可得到表12.2中的結(jié)果。

表12.2 以UIC 60型鋼軌為例，牽引電流為1000A時的接地電流和鋼軌對大地電壓

通過計算變電所與取流點之間所有地電流和鋼軌對大地電壓可得到圖12.16的曲線，這些值呈現(xiàn)為距離的函數(shù)。根據(jù) [12.23] 以及上述的坐標(biāo)表示，鋼軌電位可通過式(12.9) 來計算如果鋼軌對大地有著良好的絕緣，因而單位長度的漏泄電導(dǎo)為0.1S/km，則在饋電點和車輛位置的鋼軌對大地電壓會明顯高于300S的允許接觸電壓： 150V。

圖12.16 一個變電所和一個負(fù)載的情況下，直流電氣化鐵道線的鋼軌對大地電壓U_TE和軌道電流I_T

而鋼軌電流可由式 (12.10) 來計算

[12.23] 中有一個表列出了在變電所的軌道終點以及負(fù)載作用點的另外11個例子的類似公式。

在實際應(yīng)用中，漏泄電導(dǎo)對軌道有效電阻的影響是很大的。這個電阻值也被稱之為等效軌道電阻R_Teq，在 [12.23] 中，其值可由下式計算

如上所示，對于很大的αL值來說，有效鋼軌電阻值接近自然特性阻抗值Z0。實際上如果單位長度的漏泄電導(dǎo)為2S/km，這種情形也適合變電所到負(fù)載之間距離為13～15km的情況。但是漏泄電導(dǎo)低至0.1S/m時，相應(yīng)的距離值則達(dá)到65～70km。