交流牵引系统

为了提高单相交流电气化铁道回流的导通性，对上述系统的安装和运营投资进行比较后发现，安装并行回流线的方案是最适合的。装了回流线的接触线系统比不装回流线的系统仅多花费5%的费用。而铁路线附近磁场强度的显著降低、干扰电压的降低以及钢轨对大地电压和阻抗的降低都证实这些花费和努力是值得的。[12.44] 得出结论，对于澳大利亚铁路公司OBB，从经济和技术方面来说，沿着高运量线路安装并行回流线的配置不失为解决回流问题以及相关的干扰问题的一种很好的方法。

图12.34为带接地回流线的改进型回流回路示意图。这种形式的回流回路结合简单的设计，使回流接近于接触网电流。该方案已被采用。例如，在马德里—塞利维亚的高速铁路上就采用了这种设计，在德国铁路的线路上，如柏林—汉诺威高速铁路也采用了这种设计 [12.45]。通过在接触线附近架设回流线，可以得到良好的感性耦合。这样可减少流过大地的电流，对干扰电压、磁场和轨电位产生正面的影响。

图12.34 安装了回流线的交流系统中的大地回流和接地

1—中高压保护接地; 2—低压保护接地; 3—通信信号系统的接地; 4—雷电保护接地

12.6.1.4 自耦变压器

已在第1.2.5节中阐述过自耦变压器的原理。该原理也可应用于将正馈线和大地间的额定电压增加一倍的改进形式。它也可适用于牵引供电有问题的单相交流供电系统。尽管这种馈电原理优点显著 (如第1.2.5节中所提到的)，但同时也存在一些缺点：

—因为自耦变压器间的距离往往很大，列车在AT段中的效应很明显;

—钢轨电流和地电流虽然很小，但依然存在于所有的AT区段中;

—在牵引供电网络短路时，自耦变压器的短路电流增大;

—采用保护措施需要投入很大的人力。

关于这种供电原理的更详尽阐述可参见 [12.46] 和 [12.47]。并在 [12.48] 中举出了实例。

12.6.1.5 吸流变压器

图12.1中所示为吸流变压器的工作原理。接触线从牵引变电所的变压器引出来，每隔3～8km作一次分段，牵引电流流过变比为1：1的吸流变压器的一次绕组。　变压器的二次绕组连接到一个回流导电体上，人们称之为回流线，牵引电流就是经回流线流回变电所的。由于感应作用，这种吸流变压器抵消了负载电流，也就是说，它把电流从钢轨和大地吸入回流线。吸流变压器系统显著地降低了电磁干扰的影响。

这种原理的缺点是：

—大量吸流变压器、回流线和开关的安装和运行费用较高，尤其是在多线路铁路系统中、每条线路都要安装吸流变压器;

—吸流变压器引起了有效线路阻抗的增加，这可能会加大电压降和功率损失;

—在接触网中的电气绝缘间隙上产生的电弧加速了接触线和集电板的磨损，并产生了无线频率干扰;

—列车在AT段中的效应，也就是说，当牵引车辆在两个吸流变压器间运行并取用牵引电流时，根据距离和线路参数不同，仍将有牵引电流流过部分区段的钢轨和大地。

大约20年前，在中国台湾省，最初安装在电气化铁道上的吸流变压器在运行很短一段时间后就不能使用了，只好又重新连接回流电缆作为简单的回流线 [12.49]。

在 [12.50] 中，提出了一种新的原理。其想法是在接触线和走行轨上平行安装两条连接的电缆。如果尽可能地将两条电缆安装得很近，则整个系统的电抗将明显低于没装这些电缆的系统的电抗。但是，这类系统的安装和运营投资大、耗费人力多，而且这类系统仍存在列车在AT段中的效应。迄今为止，此类方案还未付诸于实际应用。

12.6.2 回流回路和接地装置的要求

12.6.2.1 人身安全

首先，大地回流和交流电气化铁道的接地必须防止电击危险并保证人身安全[12.51]。为了达到这个目的，故障情况下可能带电、并与接触线等电位的、架空接触线系统的电气设备和元件应直接连接到牵引系统接地上，尤其是那些在接触线断线或受电弓打弓后可能会带电 (与接触线等电位) 且位于接触线和受电弓之间的部件。该设备或这些部件的牵引系统接地要能引发可靠的保护跳闸(如，在绝缘子闪络期间或者架空接触线和支柱间发生短路期间) 以保证人员安全。如果不能直接接到交流牵引系统的接地装置上，比如因为要接地的零件是直流电气化铁道回流回路的一部分，则要用电压保安器将其连接到交流电气化铁道线路的回流回路上。这就是开放式牵引系统接地。小型导电元件，如果水平长度不超过2m并且不支持电气设备，则可以不采用标准EN 50 122-1的第5.3.2节 [12.1] 中所述的接地。

轨电位应满足接触电压保护的要求。当牵引电流从车辆位置流入回流回路时，将引起该点对地电位的增高。该电位差，也就是轨电位的大小，取决于牵引电流和短路电流、轨道对地的漏泄电导以及车辆或接地故障距变电所的距离。通常，轨电位规定的电流参考值为100A。在变电所，参考轨电位为零，并在0.5～5km处达到最大值。沿线的轨电位变化趋势如图12.35所示。

图12.35 在运行情况和短路情况下铁路沿线的轨电位

1—牵引电流稳定 (运行状态) 情况下的相关轨电位U′;

2—发生在短路期间的最高轨电位U;

3—短路电流IK，其大小取决于短路发生的地方到变电所的距离

需要计算运营状态下和短路状态下的最大轨电位，以评估由轨电位引起的危险。对于稳定的运行牵引电流来说，轨电位先是随着车辆离变电所的距离增加而增大，在距离达到0.5～5km时，达到最大值，然后基本上保持恒定，具体情况取决于接地状况。图12.35所示为沿线路产生最高轨电位的趋势图。在车辆恒功牵引状态下，牵引电流随车辆距变电所距离增加而增大，因此，最高轨电位应该发生在离变电所距离最远的地方。