高速铁路回流系统至变电所接线方案优化研究

孙晓薇，赵建军，刘 芊，陈怀鑫，李汉卿

0 引言

高速铁路列车运行速度在250 km/h以上，近几年开通运行的线路，最大运行时速达350 km。根据经济、社会发展的需要，各地之间的联系越发紧密，对高铁客运专线采用大编组列车以及减小发车间隔的需求不断提高。目前，高铁线路逐步采用16编组列车，高峰时段最小发车间隔降至3 min，既有高速铁路牵引回流系统负荷不断增大。

国内高速铁路牵引供电系统普遍采用AT牵引供电方式，牵引变压器一般采用中性点引出的单相三绕组变压器，牵引变电所出口分别与接触网、回流系统及正馈线连接，每间隔10～15 km设置一座AT变电所。AT所中的自耦变压器起到对潮流重新分配的作用，将牵引回流转移至接触网及正馈线，减少牵引变电所的回流。

近几年，国内高速铁路陆续出现几个牵引变电所附近PW线（保护线）断线的事故[1-2]。高铁客运系统普遍采用综合接地系统，根据理论分析，设置贯通地线能够有效减少大地通过变电所地网回流的电流，避免地网回流过大对变电所地网以及信号设备的影响[3]。

本文首先对目前国内高速铁路变电所附近回流系统典型接线方案进行分析，论证既有分散回流接线方案可能由于电磁耦合导致部分导体过载的问题。之后，针对既有回流系统接线方案存在的问题，提出一种变电所附近回流系统接线的优化方法，以避免PW线和GW线（贯通地线）等导体出现过负荷的情况。通过建立数学模型，利用仿真软件对一段高铁线路进行仿真计算，验证既有回流方式可能导致部分导体过载的问题，并对提出的优化方案进行验证。最后，结合本文分析的内容，对高铁变电所附近回流系统接线方案给出设计建议。

1 国内高铁变电所回流系统接线方式

国内高铁采用AT供电方式，牵引网系统一般包括接触网、正馈线、钢轨、保护线和贯通地线，上述导线沿轨道线路方向长距离并行并根据需要进行横向连接，构成大电流、强耦合的电磁系统[4]，如图1所示。

图1 牵引供电系统链式网络

根据导体-地回路理论，钢轨牵引回流一部分沿钢轨回流，另有一部分泄漏至大地[5]。在AT供电方式下，沿接触网立柱架空设置PW线，每间隔一定距离，PW线通过电连接线与钢轨连接。PW线的设计提高了回流系统与接触网系统的电磁耦合关系，减少了地中回流的比例，并为接触网发生绝缘故障的情况下提供有效的故障电流通路。

高速铁路沿线结合自然接地体及人工接地体，通过设置贯通地线将各接地体进行连接，并将牵引回流系统、电力贯通线和通信信号设备的接地装置接入，构成沿线的等电位综合接地系统[3]。高铁系统中，每间隔一定距离将每一行的PW线和GW线统一连接到钢轨的扼流变中性点，并对上、下行扼流变中性点进行连接，构成一个完全横向连接[6]。因此，贯通地线是回流系统中的重要部分，能够将地中回流吸纳到回流系统中。

在变电所附近，各回流导体一般采用分散回流方式，如图2所示。部分线路在钢轨回流点通过扼流变与PW线或GW线进行横向连接并接至变电所内的集中接地箱，PW线或GW线仍在其他位置通过独立回流线接至变电所集中接地箱。

图2 变电所回流典型接线方式（分散回流）

2 既有回流接线方式存在的问题

2.1 存在问题

在牵引变电所位置，由于接触网及正馈线均设置有电分相，接触网和正馈线不可避免与线路存在一段并行敷设的区段。回流系统各导体均为贯通系统，可根据需要设置回流点，将大里程及小里程方向的牵引回流统一接引至变电所内。

如图3所示，在钢轨回流的位置更偏向小里程方向，而PW线或GW线回流位置更接近接触网中性区的情况下，PW线在钢轨回流点至自身导体回流点的区段内存在与供电线的强电磁耦合关系，容易导致该区段内电流过大。目前PW线一般采用截面为120 mm2的钢芯铝绞线，载流量418 A。

图3 PW线、GW线回流与钢轨回流不一致的情况

对于GW线，其敷设位置距离接触网系统较远，因此受到的电磁耦合影响较弱，但仍受到回流导体电阻回路分流关系的影响，在钢轨和PW线回流位置比GW线回流位置更远的情况下，GW线部分区段电流过大。由于GW线一般采用70 mm2的铜绞线，载流量在280 A之内，若出现过负荷运行，容易对综合接地系统造成破环。

目前对回流系统的电流监测重视不足，更多情况下回流系统扮演“隐藏角色”，当出现PW线或GW线断线时无法及时获得情况，影响牵引供电系统的供电质量并导致回流系统不畅等问题。

2.2 仿真分析

结合具体线路的情况，对既有回流方式存在的问题通过仿真计算给出定量分析。仿真线路情况：线路长47 km，设置1座牵引变电所（24 km处）；0、47 km处各设置1座分区所，在12、36 km处各设置1座AT变电所。牵引变压器采用Vx接线，为220/27.5/27.5 kV单相三绕组变压器，容量(63+63) MV·A（TN、NF绕组容量选择40 MV·A），短路电压为10.5%。各自耦变压器线路容量均为40 MV·A（电磁容量20 MV·A），漏抗为0.45 Ω。线路中运行的列车统一为16编组CR400AF列车，最高运行速度350 km/h，发车间隔4 min，双线运行。

2.2.1 仿真工况1

本工况给定条件如下：PW线、GW线在与钢轨进行集中回流后，PW线在距离牵引变电所更近的位置单独回流。上行牵引网电分相位于23.7 km处，下行牵引网电分相位于24.3 km处，因此在23.7～24 km存在上行牵引网供电线与PW线并行的情况，在24～24.3 km存在下行牵引网供电线与PW线并行的情况，如图4所示。

图4 变电所PW线与集中回流位置不一致情况

根据上文分析，该工况下PW线的电流取决于PW线与供电线的耦合情况。为进一步区分不同耦合情况的影响，调整供电线位置进行2次仿真计算。

（1）情况1：上行供电线位置x= -5 m，y= 6.4 m；下行供电线位置x= 10 m，y= 6.5 m。PW线电流见图5。

图5 情况1下PW线电流

（2）情况2：上行供电线位置x= -3.4 m，y=5.3 m；下行供电线位置x= 8.4 m，y= 5.3 m。相比于情况1，情况2下供电线距离PW线更近，PW线电流见图6。

图6 情况2下PW线电流

根据以上两种情况的分析可知，PW线的回流存在2个路径：路径1，从PW线通过与钢轨连接的CPW线（吸上线）至钢轨回流位置；路径2，PW线通过自身24 km处的回流线直接回流。在PW线与供电线距离更近、电磁耦合效果更强的情况下，路径2的阻抗更小，因此大多数电流直接通过PW线回流。对于情况2，PW线电流有效值达到了490 A以上，超过了PW线的载流能力。

可以进一步分析得出，当23.7 km处未设置CPW线的情况下，PW的回流还会进一步增大。PW线在长期过载运行下，容易导致局部过热、腐蚀加剧、阻抗及载流能力下降，甚至断线，造成回流系统整体畅通性下降，并对牵引网绝缘故障下保护动作存在一定的影响。

2.2.2 仿真工况2

本工况给定条件如下：在24 km处的牵引变电所以及12、36 km处的AT变电所位置，PW线和GW线连接至钢轨后统一回流，同时GW线引出单独回到变电所集中接地箱的回流线，如图7所示。

图7 变电所GW线与集中回流位置不一致情况

牵引变电所位置上、下行钢轨在23.7 km位置设置CPW线，并通过扼流变统一接线回到变电所回流母线中，上、下行的GW线在24 km处通过单独回流线回到变电所中。在12 km处的AT变电所中，钢轨集中回流位置为12.3 km处，GW线回流里程为12 km；在36 km处的AT变电所中，钢轨集中回流位置为15.7 km处，GW线回流里程为36 km。

图8给出了GW线不同断面下电流有效值的分布情况。根据仿真计算结果，在12 km处AT变电所位置，GW线最大电流超过315 A，已经超过了70 mm2铜绞线的载流能力。

图8 GW线不同断面电流有效值

相比于PW线，GW线与接触网及供电线之间的电磁耦合关系较弱，因此GW线电流增加主要受制于电阻回路的电流分配关系，牵引回流可以通过钢轨集中回流到变电所，也可以通过CPW点汇流之后通过距离变电所更近的GW线回流，导致GW线小区段过电流运行。

GW线长期过载运行，将导致GW线发热严重、电阻增大等不良情况，影响综合接地系统的可靠性，并导致地回流过大等问题。

3 回流系统接线优化方案

为了避免变电所附近PW线和GW线过电流运行的情况，提升回流系统的可靠性，需要避免变电所附近各回流导体回流位置不一致的情况。同时，针对既有回流系统对各回流导体缺少监测方法导致无法及时发现隐患并造成不良影响的问题，建议对轨道附近各回流导体增设电流监测装置。

图9给出了一种变电所附近回流系统接线的优化方案，在轨道回流点附近设置集中回流接线箱，设置铜汇流排汇集牵引回流并引出回到变电所的出线端。对各进、出线设置电流监测装置，改善回流系统运行状况的可观测性。

图9 回流系统接线优化方案示意图

在采用本文提出的回流系统优化方案后进行仿真计算，结果如图10所示。

图10 优化后仿真结果

由上述分析可知，PW线最大电流为180 A，GW线最大电流小于65 A，均处于合理范围内。

4 结论

本文分析了国内既有高速铁路变电所附近回流系统的特点，结合实际运营中出现的故障分析既有接线方式由于各回流导体独立回流位置不一致可能导致PW线或GW线过载运行的问题，并通过仿真计算对故障情况进行了验证。

针对既有回流系统接线存在的问题，提出一种变电所附近回流系统接线优化方案，通过在轨道回流点附近设置集中接线装置，实现各回流导体的统一就近回流。通过在装置中增设电流监测装置，提高回流系统的可观测性，方便对回流及综合接地系统运行状况的分析。

根据仿真验证，本方法能够避免PW线和GW线由于设计问题造成的过负荷运行情况。对于回流电流监测系统，还可以结合智能运维的需求进一步研究。