交流牵引系统

12.6.1 回流回路和接地装置的设计

12.6.1.1 概述

交流电气化铁道的供电系统对回流系统也有影响。在简单的回流线系统中，如图12.1所示，采用走行轨作回流回路，30%～40%的回流流经土壤。如图12.1b) 所示，可以采用在支柱上安装回流线的方法将这部分电流减少至15%～20%。

如图12.1d)所示，在自耦变压器系统供电时，架空接触网和带电回流线间的传输电压更高。带电回流线就是人们常说的正馈线。每隔10～20km安装一台自耦变压器，将传输电压转换为接触线电压。相邻的两台自耦变压器相当于常规供电系统供电区段两端的两个变电所。与吸流变压器供电系统相似，在馈电线和回流线中的电流几近相等。它们都减少了流经走行轨和大地的回流。

图12.1c) 中所示的吸流变压器系统，将变比为1：1的变压器，每隔3～5km接入架空接触线。其二次绕组通过吸上线从走行轨将回流吸入绝缘的架空回流线中。返回变电所回流大小接近于接触线的电流。在大部分区段流经走行轨和大地的电流很校

与直流电气化铁道线路相反，交流电气化铁道中的回流回路是连到接地系统上的。其接地系统包括大面积的接地体，如建筑基储桥梁和高架桥基储隧道钢筋及沿线路的接触线支柱的桩基础！这些系统之间通过回流线互相连接形成了铁路系统的接地，并与下列接地相连

—中医保护接地;

—低压保护接地;

—通信和信号接地;

—雷电保护设备的接地。

在交流牵引系统中，由于与线路的感性耦合和阻性耦合，大地也成为牵引回流路径的一部分。部分钢轨回流流过与之相连的接地系统和土壤，导致非铁路装置受铁路系统的影响面增大。流经大地的电流越强，铁路附近的其他装置，如管道、电缆和设备等受感性耦合和阻性耦合影响的危险就越大。为了解决这个问题，人们已经开发和应用了各种不同的方法以减少经大地流回变电所的电流及其相关的影响。

12.6.1.2 经过钢轨和埋设回流地线的电流

第12.4.3节解释了怎样通过安装带状接地体来大幅度地降低系统 (有负载电流经过)中的轨电位。　表12.5的数据也证实了上述结论。这种带状接地体也适用于电位控制。在每条线路地下1m处各埋设一条独立的接地带。通常这些接地带由镀锌钢材构成，最小锌层厚度为70μm。接地体截面为30×4mm²钢材，这些接地带都由镀锌钢制成，最少有70μm厚的镀锌层，截面为30×4mm²或50mm²镀锡铜缆线。

由于安装在地下和受到其所采用的截面的限制，接地带只是稍微促进了回流的导通。以德国铁路的架空接触网为例进行了计算，以便与没有装接地带的线路进行对比：

如果安装了接地带，则：

—架空接触线阻抗的绝对值减少了约2%～3%;

—位于距线路中心线3.5m、且高于轨面0.1m处的导电部件中的感应纵向电压 (感应纵电动势) 减少了大约7%;

—钢轨对大地电压减少了大约53%。

安装了接地带后，在铁路线周围的区域中，电磁场的形状和场强几乎没有什么变化。因此接地带的主要优点是降低了钢轨对大地电压。

12.6.1.3 并行回流线

在架空牵引供电系统中，减少流经线路和大地的回流部分最简单有效的办法就是在架空接触网和辅助供电线附近安装并行的回流线。并行回流线与牵引供电线有近距离的感性耦合，它有着以下可测量到的效果：

—如图12.32所示，安装并行回流线可以很大程度上减少流经轨道和大地的回流。

—钢轨对大地电压，也就是轨电位，也可显著降低。计算结果显示，与没有安装回流线的系统相比，轨电位可减少50%～55%。[12.41] 中报告，装上回流线后再测量，数值降低53%。

图12.32 在单位长度有效电导为2S/km的双线铁路系统中，回流牵引电流在各回流路径中的分布

-- —没装回流线;

—— —装了Al 240型回流线

—与铁路线并行安装的导线中产生的感应纵向电压(感应纵电动势) 也减少了将近一半。对于Re250型德国铁路标准接触网，如果装了回流线，可发现位于距线路中心3.5m处的导线中感应纵向电压比没装回流线的架空接触系统中的对应电压低了45%。距马德里—塞利维亚铁路11m处的并行导线上，测到的每km和每kA牵引电流的感应电压为43V(见第12.6.5节和 [12.42])，该铁路是由50Hz单相交流系统供电的。为便于比较，对一个没装并行回流线的系统进行了计算，结果显示，感应电压为70V/ (km·kA)。换句话说，安装回流线减少了将近39%的感应电压。在 [12.41] 中显示，装了回流线的系统中干扰电压降低了几乎45%。从图12.33中可推算出回流线的安装使得感应纵向电压 (感应纵电动势) 减少了35%～40%。

图12.33 与铁路线并行安装的回流线上，单位长度的感应纵向电压 (感应纵电动势) 和牵引电流的比，σE=100Ωm

-- —没装回流线;

——装了Al 240型回流线

—铁路线附近的磁场也得到很大的削弱。[12.41] 显示，装了回流线以后，在与轨面等高、距Re200型接触网12m处的磁场强度为9A/m，而没装回流线的系统中，对应的磁场强度为18A/m。距离为12m时，[12.43]中报告的磁场强度值： 有回流线时为10A/m，没回流线时为19A/m。在图13.17中也可看到装了回流线后磁场强度的减弱。

—单位长度阻抗也减小了。[12.41] 中论述到，在一个交流15kV、16.7Hz的线路中，单位长度阻抗相对于没装回流线时减小了9%。同时，单位长度电阻增加了8%还多，而单位长度电抗减少了18%多。因此，相位角从56°变到了48°。

图12.32所示为牵引电流在钢轨和大地中的回流分布。如果沿线路安装了与接触网等高且与大地等电位的回流线，则通常流经大地的电流几乎有一半经回流线流回变电所，如图12.1 b) 所示。　表10.10和表10.11中的值也显示并行回流线将流经大地的回流部分减少了大约一半。