大地的導電性

12.4.2.3 交流系統(tǒng)的鋼軌—大地回路

在直流牽引系統(tǒng)中，由于鋼軌對大地電位的存在而產(chǎn)生的地電流在大地中呈不均衡分布。在這種情況下，有效大地電阻等于零。相反，假設單相交流電氣化鐵道線路下面的土壤質(zhì)量均勻，土壤中的電流密度將隨深度呈指數(shù)函數(shù)遞減。根據(jù)由式(10.20)定義的穿透深度δ可計算鋼軌—大地回路中的有效電感和大地電阻。線路附近某一區(qū)域內(nèi)電流的電磁耦合使大地電阻達到某一值，不再等于零，并與頻率成正比，參見式 (10.11)。

圖12.17表示了軌道下均勻土壤里的電流密度的特性曲線。這種模型以 [12.24] 為基礎，并在 [12.25] 中對更深的土壤進行了討論。但是，由于大地是由特性不同和深度不同的土壤層組成的，這種模型僅能對穿透深度幅度提供一個大概的基本估計。[12.26]中的研究表明，經(jīng)過計算和測量，在50Hz單相交流電氣化鐵道線路下400m、并與軌道平行的礦山隧道里的導體環(huán)路中可感應出大約為50V的電壓。

圖12.17 大地中的電流密度J，呈現(xiàn)為與架空接觸線的距離d的函數(shù)δ—滲透深度

圖12.18所示為單相交流電氣化鐵道系統(tǒng)的電流縱向分布。在這里，為了簡化模型，也假設是單邊供電，負載距供電點的距離為L。通常情況下，負載兩邊的線路長度都要超過3～7km，這時，圖示曲線適用于流過鋼軌、大地的電流，也適用于鋼軌和大地之間的過渡電流。從圖12.18中可得到以下的基本定義和結論：

圖12.18 由一個變電所單邊供電的單相交流系統(tǒng)中的鋼軌對大地電壓和電流

a) 鋼軌對地電壓;b) 電流

—列車牽引電流I_trc在列車所在位置流入鋼軌。

—該電流的主要部分通過鋼軌流向變電所; 剩余部分經(jīng)過鋼軌向相反方向流去，也就是說，在圖12.18中流向負載的右側(cè)。

—有電流從負載兩側(cè)經(jīng)鋼軌流向大地。有軌對地電流的區(qū)段稱為過渡區(qū)域，該區(qū)段長度稱過渡長度L_trans。

—在靠近變電所的地方，一部分在大地中的回流流回鋼軌，也就是在這里，地電流的一小部分，經(jīng)過相關的接地系統(tǒng)，流回變電所。這部分電流的幅值主要取決于變電所基礎的接地電阻。　表12.3中列出了變電所接地體的接地電阻及其相關接地電流的參考值。

表12.3 變電所接地系統(tǒng)的接地電阻R_E，經(jīng)過接地系統(tǒng)流回變電所的回流I_EA(與總的牽引電流有關)

如圖10.3所示，在交流牽引供電系統(tǒng)中、存在大地回流的情況下，兩個導電環(huán)路中產(chǎn)生的感性耦合是有效的。流過大地的電流大小主要由兩個導電環(huán)路中產(chǎn)生的感性耦合決定，受阻性耦合(單位長度漏泄電導的函數(shù)) 的影響卻很校由于感性耦合的作用，在過渡過程已經(jīng)衰減的地方，會有一個恒流配電區(qū)域。在這個區(qū)域，沒有回流從鋼軌流向大地，也沒有回流從大地流向鋼軌。根據(jù)第10.1.1.3節(jié)計算的單位長度阻抗可應用于這個區(qū)域。—鋼軌對大地電壓出現(xiàn)在變電所附近以及負載附近的過渡區(qū)內(nèi)，在EN 50 122標準中，它被稱為鋼軌電位。

借用 [12.27] 中使用的模型，并假設電氣化鐵道線無限長 (也就是說大于5km)，根據(jù)圖12.18，受電點左右兩側(cè)流入地中的電流值為

式 (12.12) 中的地電流包含了兩個部分： 第一部分為恒流區(qū)的恒定電流部分，第二部分為變化電流，它是一個過渡電流值，呈現(xiàn)為到相關點的距離的函數(shù)。

相應地，鋼軌電位或鋼軌對大地電壓為

式中——耦合因數(shù);

——衰減傳播常數(shù)或者鋼軌—大地回路的系數(shù);

₀——線路—大地回路的特性阻抗。

這些值由以下公式?jīng)Q定

其中， 根據(jù)式(10.26)，′