關(guān)角隧道內(nèi)牽引供電與回流系統(tǒng)綜合測(cè)試與分析

李巖，李樹鵬

（1. 青藏鐵路公司 西寧供電段，青海 西寧 810006；2. 蘭州交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

關(guān)角隧道內(nèi)牽引供電與回流系統(tǒng)綜合測(cè)試與分析

李巖1，李樹鵬2

（1. 青藏鐵路公司 西寧供電段，青海 西寧 810006；2. 蘭州交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

以青藏鐵路西格線關(guān)角隧道為例，結(jié)合隧道電氣結(jié)構(gòu)與布置方式，計(jì)算牽引供電系統(tǒng)主要參數(shù)，提出牽引供電與回流系統(tǒng)測(cè)試方案，測(cè)試牽引負(fù)荷特性、鋼軌電位、鋼軌電流和土壤電阻率，對(duì)牽引負(fù)荷過程和牽引回流分布進(jìn)行同步測(cè)試，分析牽引負(fù)荷、鋼軌電流和鋼軌電位分布規(guī)律。同時(shí)，針對(duì)牽引回流特性進(jìn)行分析，主要技術(shù)參數(shù)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，為青藏鐵路電氣化區(qū)段的安全運(yùn)營提供重要保障。

關(guān)角隧道；牽引供電；回流系統(tǒng)；綜合測(cè)試；青藏鐵路

0 引言

青藏鐵路西格線關(guān)角隧道目前為我國最長的雙單線隧道，2015年12月開通運(yùn)營，全長32.65 km，兩隧道相距40 m，地處青藏高原關(guān)角山。隧道平均海拔3 500 m，最高約3 850 m，最大埋深970 m[1]。關(guān)角隧道采用帶回流線的直接供電方式，其兩端分別設(shè)有天棚和察汗諾牽引變電所，變壓器采用三相VV接線，容量均為2×（2 5+20）MVA。關(guān)角隧道外采用全補(bǔ)償簡(jiǎn)單鏈型懸掛，隧道內(nèi)采用剛性懸掛[2]。

關(guān)角隧道內(nèi)牽引回流流入大地的部分比隧道外少，通過鋼軌與回流系統(tǒng)的電流較多，使隧道內(nèi)鋼軌電位抬升，存在鋼軌電位超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)鐵路設(shè)備正常運(yùn)行及工作人員的人身安全有一定影響。因此，開展長大隧道內(nèi)牽引供電與回流方案優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義[3-5]。

以關(guān)角隧道為例，計(jì)算牽引供電系統(tǒng)主要參數(shù)，通過對(duì)牽引負(fù)荷過程和牽引回流分布的同步測(cè)試，結(jié)合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范，評(píng)估牽引回流和鋼軌電位分布特性，為高原電氣化鐵路的設(shè)計(jì)與運(yùn)營提供重要依據(jù)。

1 隧道內(nèi)電氣結(jié)構(gòu)

關(guān)角隧道內(nèi)采用無砟軌道，接觸網(wǎng)采用剛性懸掛，設(shè)有綜合地線，回流線約每2 500 m與鋼軌相連，上下行鋼軌通過隧道內(nèi)橫通道每隔2 500 m進(jìn)行一次橫向連接，架空地線每500 m與綜合地線相連，綜合地線每250 m接地。關(guān)角隧道內(nèi)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)空間布局示意見圖1，隧道內(nèi)各導(dǎo)線型號(hào)和參數(shù)見表1。

圖1 隧道內(nèi)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)空間布局示意圖

表1 隧道內(nèi)導(dǎo)線型號(hào)和參數(shù)

關(guān)角隧道內(nèi)綜合接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下[6]：

（1）貫通地線采用φ35 mm銅線鋪設(shè)在兩側(cè)通信信號(hào)電纜槽內(nèi)，通過環(huán)向接地鋼筋實(shí)現(xiàn)橫向連接。另外，每間隔一定距離采用帶塑料護(hù)套的分支軟銅絞線引出，分別通過隧道側(cè)壁上預(yù)埋的接地套筒端子或接地槽道與信號(hào)電纜槽內(nèi)設(shè)置的預(yù)埋接地端子連接。

（2）在電纜槽的線路外側(cè)外緣各設(shè)置一根縱向接地鋼筋，每隔300 m斷開一次，用于隧道內(nèi)接地、接觸網(wǎng)斷線保護(hù)接地及接地鋼筋間的等電位連接。

（3）根據(jù)信號(hào)專業(yè)設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)要求，一般在貫通地線電纜槽側(cè)面或下方每隔200 m設(shè)置貫通地線的接地極，其接地電阻應(yīng)不大于4 Ω，特別困難地段不大于10 Ω。

關(guān)角隧道綜合接地系統(tǒng)示意見圖2。

2 主要牽引供電參數(shù)計(jì)算

關(guān)角隧道區(qū)域內(nèi)牽引供電系統(tǒng)導(dǎo)線的周圍大地結(jié)構(gòu)與半無限平面大地模型有明顯區(qū)別，采用Carson公式計(jì)算牽引供電參數(shù)可能存在一定誤差，而Tylavsky公式則適用于計(jì)算隧道內(nèi)的導(dǎo)線阻抗[7]。Tylavsky公式計(jì)算的牽引供電系統(tǒng)主要阻抗特性參數(shù)結(jié)果見表2。

圖2 關(guān)角隧道綜合接地系統(tǒng)示意圖

蘭武二線烏鞘嶺隧道長20.05 km，采用匯流排型號(hào)一致，接觸線為銀銅合金導(dǎo)線，橫截面積為120 mm2，牽引網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試每公里阻抗為0.051+0.371i。與烏鞘嶺隧道對(duì)比理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測(cè)量值，兩者之間誤差在5%左右，證明牽引供電系統(tǒng)主要阻抗特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果的正確性，為牽引回流和鋼軌電位的理論計(jì)算提供了重要依據(jù)[7-8]。

3 牽引供電與回流系統(tǒng)測(cè)試方案

（1）牽引負(fù)荷特性測(cè)試。采用專業(yè)的牽引變電站電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在牽引變電所內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，利用鉗形電流互感器測(cè)得牽引變電所內(nèi)二次回路中牽引負(fù)荷分布。

（2）鋼軌電位和鋼軌電流測(cè)試。鋼軌電位測(cè)試原理見圖3，一根測(cè)量引線通過鋼軌接地線夾與鋼軌相連，另一根測(cè)量引線與遠(yuǎn)端的參考電極相連，通過測(cè)量?jī)筛鶞y(cè)量引線的電位差得到鋼軌電位。鋼軌絕緣節(jié)處有通往扼流變壓器的引線，在引線上穿入鉗形電流互感器可測(cè)得通過鋼軌的電流，其測(cè)試原理見 圖4。

表2 牽引供電系統(tǒng)主要阻抗特性參數(shù)結(jié)果

圖3 鋼軌電位 測(cè)試原理

圖4 鋼軌電流測(cè)試原理

（3）土壤電阻率測(cè)試。測(cè)試距接地裝置較遠(yuǎn)地區(qū)或較大區(qū)域范圍的土壤電阻率，以及測(cè)試在水平或垂直方向分層不均勻的土壤電阻率，比較理想的測(cè)試方法是測(cè)量土壤電阻率的等距四極法，其測(cè)試原理見圖5。測(cè)量時(shí)在地面上插入4個(gè)電極A、B、C、D，電極之間相隔距離相等均為a，埋入深度均為b。采用穩(wěn)壓電源向外側(cè)電極A和B施加電流I，電流由電極A流入，由電極B返回電源。這時(shí)外電極產(chǎn)生的電流場(chǎng)在內(nèi)電極上產(chǎn)生電勢(shì)，可用電壓表測(cè)量?jī)?nèi)電極C和D間的電位差，UCD/I即為電阻R。

圖5 測(cè)量土壤電阻率的等距四極法測(cè)試原理

4 西格線牽引回流特性分析

關(guān)角隧道內(nèi)過分相位置設(shè)置了鋼軌電位測(cè)試裝置，為察漢諾牽引變電所西寧方向的供電臂末端，牽引負(fù)荷在此位置產(chǎn)生的鋼軌電位比較顯著。察漢諾牽引變電所西寧方向上行（含關(guān)角隧道）饋線電流測(cè)試結(jié)果見圖6。測(cè)試選擇某日凌晨2：30左右的一列滿載列車，列車通過關(guān)角隧道供電臂的負(fù)荷過程見圖7，列車過分相前后的鋼軌電位測(cè)試結(jié)果見圖8。從圖8可見，列車在過分相區(qū)前加速取流，而后斷電過分相，最后重新取流進(jìn)入相鄰供電臂，對(duì)應(yīng) 測(cè)得的鋼軌最高電位約為60 V。

在關(guān)角隧道出口位置對(duì)鋼軌回流進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為17：33—18：45，牽引負(fù)荷最大為508 A，對(duì)應(yīng)鋼軌電流為117 A，鋼軌電流、鋼軌電位實(shí)測(cè)與理論計(jì)算值對(duì)比見表3。

圖6 察漢諾牽引變電所西寧方向上行（含關(guān)角隧道）饋線電流測(cè)試結(jié)果

圖7 列車通過關(guān)角隧道供電臂的負(fù)荷過程

圖8 列車過分相前后的鋼軌電位測(cè)試結(jié)果

表3 鋼軌電流、鋼軌電位實(shí)測(cè)與理論計(jì)算值對(duì)比

通過對(duì)關(guān)角隧道鋼軌電位和牽引回流的測(cè)試與分析，發(fā)現(xiàn)鋼軌電流占總牽引負(fù)荷電流的20%～25%，與遂渝線無砟軌道綜合試驗(yàn)段35%的鋼軌回流進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了關(guān)角隧道采用綜合接地系統(tǒng)的有效性。此外，隧道內(nèi)鋼軌電位遠(yuǎn)低于120 V限值， 可滿足國標(biāo)、IEC及EN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[9]。

5 結(jié)束語

青藏鐵路西格線關(guān)角隧道采用無砟軌道，隧道內(nèi)設(shè)置的鋼軌、回流線、架空地線和綜合地線共同構(gòu)成回流通路，將回流線與鋼軌之間、架空地線與鋼軌之間、接地端子之間、綜合地線與鋼軌之間實(shí)現(xiàn)了緊密連接，可有效抑制鋼軌電位，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了理論分析和計(jì)算的正確性，為青藏鐵路電氣化區(qū)段的安全運(yùn)營提供了重要保障。

[1] 袁玉賢，李巖，劉翠琴，等. 青藏鐵路西格二線牽引供電質(zhì)量與回流特性分析[J]. 中國鐵路，2014(7)：42-45.

[2] 李晉. 長大隧道剛性懸掛接觸網(wǎng)平面布置研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(3)：114-117.

[3] 陳屹，鄧云川. 遂渝線無砟軌道綜合接地系統(tǒng)鋼軌電位及電流分布的分析[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2007(S1)：426-429.

[4] 雷棟. 高速電氣化鐵路牽引回流及鋼軌電位特性研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2010.

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[6] 蔣先國. 高速鐵路綜合接地研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2009.

[7] 吳命利. 電氣化鐵道牽引網(wǎng)的統(tǒng)一鏈?zhǔn)诫娐纺Ｐ蚚J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010(28)：52-58.

[8] 譚秀炳. 交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)[M]. 4版.成都：西南交通大學(xué)出版社，2014.

[9] EN 50122-1：1998 Railway applications-Fixe d installations Part 1：Protective provisions relating to electrical safety and earthling[S].

責(zé)任編輯盧敏

Integrated Test and Analysis of Traction Power Supply and Ref ux System of Guanjiao Tunnel

LI Yan1，LI Shupeng2
（1. Xining Power Supply Depot，Qinghai-Tibet Railway Company，Xining Qinghai 810006，China；2. School of Traff c and Transportation，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China）

By taking Guanjiao Tunnel of Xining-Golmud Section of Qinghai-Tibet Railway as an example, the paper proposes the test plan for traction power supply and ref ux system based on the electrical structure and arrangement of the tunnel and calculation of main parameters of traction power supply system. The tests include traction load characteristics, rail potential, rail current and soil resistivity. The tests for traction load and traction ref ux distribution are conducted simultaneously to analyze the distribution rules of traction load, rail current and rail potential. Besides, the paper analyzes the characteristics of traction ref ux and indicates that the main technical parameters meet the related standards and norms, guaranteeing safe operation of electrif ed section of Qinghai-Tibet Railway.

Guanjiao Tunnel；traction power supply；ref ux system；integrated test；Qinghai-Tibet Railway

U223

A

1001-683X（2017）04-0081-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.04.081

2017-01-09

青藏鐵路公司科研項(xiàng)目（QZ2011-Z02、QZ2009-G04）

李巖（1963—），男，高級(jí)工程師，碩士。E-mail：Ly7192183@163.com