loading电气化铁路牵引变电所回流装置存在的缺陷与改进方案探讨
刘让雄
(广州铁路职业技术学院，广东广州 510430)
摘 要 针对电气化铁路牵引变电所一直沿用的回流装置，分析了其存在的主要缺陷及对变电所安全运行的不利影响，提出了相应的改进措施。
关键词 电气化铁路；牵引变电所；回流装置；改进方案
1 牵引变电所回流装置的设置
我国电气化铁路均采用单相工频交流制。在牵引变电所，牵引变压器27.5kV输出侧一端通过回流箱母排与接地网及钢轨相连，另一端与接触网相连，在接触网与钢轨之间输出27.5kV单相电，电力机车则通过受电弓与接触网的滑行接触获得电能。
如图1所示，电力机车从接触网取得电流后，首先流到钢轨，再分别以三种方式流回牵引变电所的回流箱。
第一种为架空回流方式：钢轨→吸上线→回流线→牵引变电所回流箱。回流线沿接触网架设，在牵引变电所围墙外侧通过电缆引入牵引变电所，与牵引变电所回流箱中的母排相连。
第二种为钢轨回流方式：钢轨→牵引变电所所在车站的扼流变压器中性点→回流扁钢→牵引变电所回流箱。通常回流
扁钢采用双根80mm*8mm扁钢刷防锈漆后直接埋入地中，其一端与牵引变电所所在车站的扼流变压器中性点相连，另一端与牵引变电所回流箱中至牵引变压器的母排相连。 接地相 第三种为地回流方式：钢轨→大地→牵引变电所接地网→牵引变电所回流箱。钢轨与大地之地回流 架空回流 间不是完全的绝缘体，因此，在钢轨中的电流有部分会泄漏到大地，通过大地流回牵引变电所的
轨回流 接地网，而接地网与牵引变电所回流箱中的母排
直接相连。
这三种回流方式同时存在。通常架空回流与图2：牵引变电所回流装置接线图 钢轨回流分担的电流较大，地回流则相对较小，
但无法消除。当架空回流与钢轨回流不畅时，地回流将成为主要的回流方式。
通常将回流箱与架空回流线、钢轨、接地网及牵引变压器低压侧接地相的连接称为牵引变电所的回流装置。最常用的牵引变电所回流装置接线形式如图2所示。上述三种回流在牵引变电所的回流箱内汇集后连接至牵引变压器的接地相，形成一个完整的牵引电流闭合回路。
2 存在的主要缺陷
上述回流装置设置简单，广为运用。但是，经过长期的运行实践，这种设置暴露出了一些安全隐患，存在一些缺陷。
2.1接地网中长期流过电流，对变电所的安全运行严重不利
当接触网有负荷电流时，就会产生地回流。同时，由于牵引变电所一般都设置了并联电容无功补偿装置，如图3所示。该补偿装置一端接牵引变压器27.5kV母线，一端直接用接地扁钢与接地网相连，无功补偿电流直接流入接地网，如图3中的虚线所示。地回流与补偿电流都通过接地网流到牵引变电所回流箱。因此，牵引变电所接地网中长期有工作电流流过，对变电所的安全运行将产生不利影响。
2.1.1接地网中产生电位差，危及人身与二次设备安全
接地网存在接地电阻，电流流过接地网会在不同的两点之间产生电位差。当发生以下情况时，就会产生较大的地回流，较大的地回流将在接地网中产生较大的电位差，危及人身与二次设备安全。
(1)牵引电流过负荷
笔者曾经对沪昆铁路株(洲)怀(化)段一些牵引变电所接地网中的地回流进行监测，监测到接地网中总的地回流一般均在100A～200A，但在接触网过负荷时，地回流会相应增大，可达
［3］
到300A以上。据文献显示，株洲北牵引变电所共设有8 条供电馈线，牵引负荷大，现场曾监测到最大地回流为550 A。
(2)轨回流或架空回流不畅
铁路工务部门或电务部门进行施工作业时，不慎损坏与扼流变压器相连的回流扁钢；或电务部门更改了扼流变压器的位置造成回流扁钢与钢轨失去连接；轨回流扁钢与扼流变压器连接线夹因螺栓松动或电流过大而烧坏。这些因素都可导致轨回
流不畅，严重时甚至造成轨回流中断。
铁路工务部门进行施工作业时，不慎损坏与钢轨相连的吸上线；人为偷盗吸上线与回流线；吸上线连接与回流线接头处等发生电气烧损；回流线机械拉断或损伤等。这些因素则可导致架空回流不畅甚至中断。
当轨回流与架空回流一旦出现不畅甚至中断时，就必然导致地回流激增。 (3)牵引变电所或接触网发生短路故障
牵引变压器低压侧有一相工作接地，当牵引变电所发生短路故障时，强大的短路电流将通过大地流回牵引变压器。当接触网发生金属性或非金属性接地短路时，虽然仍会有较大部分短路电流通过架空回流与钢轨回流流回牵引变电所，但地回流将会剧增。
这种回流设置，地回流最终都将通过牵引变电所的接地网流回牵引变压器。接地网的电位差随地回流的增大而升高，这会危及人身安全。沪昆铁路小龙门等牵引变电所，因为回流线被盗后未能及时恢复，引起地回流增大，造成牵引变电所接地网电位异常升高，变电所水管与电气设备接地端带电，值班人员手碰触变电所水管或电气设备外壳时发生“麻电”，危及作业人员与二次设备的安全。据文献［3］
显示，株洲北牵引变电所因为地回流过大，造成该所的远动通道与变电所地网之间的电压有时达到160 V，大大超过了规定值30 V，导致经常烧坏远动装置的GM-R060、GM-R070、GM-R011、GM-R051 插件和无线远动装置的Modem，严重影响远动设备的安全运行。
当牵引变电所二次电缆屏蔽层出现两点接地时，电缆屏蔽层就会分流地回流，地回流过大时就可
［2］
能造成电缆过热甚至烧坏电缆危及二次设备的安全。如变电所二次电缆出现绝缘损坏时，接地网中
［5］
的地回流还可能造成保护误动作。据文献显示，某牵引变电所110kV电流互感器二次电缆中有一相电缆的绝缘破损造成接地故障，使与其相连的差动继电器因为流过较大的地回流而造成该牵引变压器差动保护误动作，牵引变压器被退出运行，中断供电与行车。 2.1.2 加剧接地网的腐蚀，影响接地网的寿命并产生安全隐患
接地网中长期通过电流，电流会加剧接地网的电腐蚀与化学腐蚀，造成接地扁钢因腐蚀过快而开
［4］
断，导致接地网的接地电阻严重超标。根据文献显示，沪昆铁路玉(屏)贵(阳)段的9个牵引变电所，1987年开通，其接地网因为长期有电流流过，运行不到11年测试接地网电阻时已普遍超标，最大的达到7.3Ω，超过设计和运行标准规定值0.5Ω的14倍。在该段牵引变电所的改造施工中，发现多处接
地网的接头腐蚀断开，该段牵引变电所的接地网已无法满足正常运行的要求，为此提前对该段牵引变电所的接地网进行大修改造。而一些发电厂和变电站的接地网，正常情况是没有电流的。这些接地网
［1］
的运行寿命明显要长很多。据文献中的资料显示，南宁中尧村发电厂的主地网，运行了30年，40mm×4mm的扁钢大多腐蚀成20mm×2mm。南宁35kV群益变电站运行26年，主地网Φ16mm圆钢腐蚀成Φ11mm。接地网的腐蚀速度比牵引变电所要慢。
牵引变电所接地网中长期有电流流过，接地网腐蚀明显加快，这不仅严重影响接地网的正常使用寿命，同时还会造成接地网接头接触不良甚至断开，接地电阻与接地网中的电位差都会随之升高，二次电缆接地屏蔽层分流的地回流也会随之增大。笔者对京广铁路郴(州)韶(关)段几个牵引变电所的运行情况进行了调研，该段电气化铁路于1988年开通，2007年进行设备年度检修时发现在高压室检测电压互感器二次端对地电压为100V(正常值)，在控制室检测同一电压互感器的同一根二次电缆芯线对地电压则只有64.5V，控制室与高压室的接地网出现了35.5V的电位差，这说明控制室与高压室之间的接地网出现了断点或接触不良。这不仅会危及人身和二次设备安全，而且还可能造成二次保护误动作或拒动作。
2.2 轨回流扁钢易腐蚀影响其安全可靠性
钢轨回流采用双根回流扁钢直接埋地，分别连接钢轨与牵引变电所回流箱。回流扁钢埋地敷设时，虽然采取了防腐措施，但腐蚀不可避免。
近些年来，随着铁路运输量的快速增长，牵引负荷电流逐年持续加大，轨回流扁钢承担的电流也随之逐年增加。但是，轨回流扁钢却因为逐年腐蚀，其有效载流能力持续下降。这不仅会造成地回流的分流增大带来不利影响，同时也会威胁轨回流扁钢自身的安全。2002年4月沪昆铁路贵定牵引变电所1#主变压器轨回流指示突然消失，经查发现埋在地中的回流扁钢在接头处因腐蚀严重脱开。2008年7月24日9时04分，沪昆铁路西河牵引变电所2#主变发生了一起轨回流扁钢因载流能力下降被烧断的故障，最终导致牵引变电所被迫中断供电进行抢修，严重影响了牵引变电所的安全可靠运行。 综上所述，牵引变电所现有的回流装置虽然简单实用，但却存在严重的缺陷，需要改进。
3 改进方案
3.1改进措施
3.1.1并联电容无功补偿装置工作接地由扁钢连接改用电缆连接
现有各牵引变电所的并联电容无功补偿装置，其工作接地大多采用扁钢与牵引变电所接地网直接连接。因此，补偿装置的工作电流全部通过接地网流到牵引变电所回流箱。造成即使接触网没有负荷电流，牵引变电所的接地网中还有无功补偿电流流过。
改进措施：将并联电容无功补偿装置工作接地由扁钢连接改用电缆连接。补偿装置的工作电流经由电缆直接流入牵引变压器回流箱，而不再流经接地网。 3.1.2 轨回流扁钢改用电缆
现有的钢轨回流大多采用双根回流扁钢直接埋地，连接车站扼流变压器与牵引变电所回流箱。这种方式无法避免回流扁钢的腐蚀及由此产生的问题。
改进措施：将回流扁钢改用回流电缆，并敷设电缆沟。 3.1.3设收集地回流的辅助接地网
地回流无法消除，要消除地回流在牵引变电所接地网中产生的不利影响，可在接地网的设置上采取如下改进措施：
(1)单独设立一个小型辅助接地网，该接地网与牵引变电所接地网不相连，也不与牵引变电所内的任何电气设备的接地相连。为改善接地网的防腐蚀性能，接地网采用圆棒形铜材主接地极，尽量避免
［1］
采用扁形接地体。
(2)设电缆将该辅助接地网与牵引变电所回流箱相连。牵引变电所接地网不再与牵引变电所回流箱直接相连。 3.2改进效果
采取上述3项改进措施，可以收到以下效果：
(1)将并联电容无功补偿装置的工作电流和地回流与牵引变电所接地网完全隔离，彻底解决了牵引变电所接地网中长期流过电流及由此产生的不利影响。
(2)从根本上解决了轨回流扁钢的腐蚀及由此产生的隐患。
(3)独立接地网采用铜接地体或铜包钢接地体，将有效的延长接地网的使用寿命。 (4)消除了牵引供电回流产生的安全隐患，提高了牵引变电所的安全可靠性。
但是，经过上述改造后，牵引变电所接地网不再与牵引变电所回流箱直接相连，也即不再与牵引变压器27.5kV接地相直接相连，造成 27.5kV侧的电压互感器、所用变压器和避雷器等设备的工作接地及27.5kV侧所有设备的保护接地与牵引变压器接地相之间的连接断开，将影响这些27.5kV设备和相应保护装置的正常工作。 3.3优化方案
为解决上述改进措施带来的新问题，在采取3.1.2-3.1.3项措施的基础上，还需补充以下2条措施：
3.3.1 在27.5kV侧增设辅助接地箱
在27.5kV侧增设辅助接地箱，箱内设接地母排，将并联电容无功补偿装置、27.5kV侧的电压互感器、所用变压器和避雷器等设备的工作接地用电缆接入该辅助接地箱中的接地母排，将该接地母排用双根电缆与牵引变电所回流箱连接，从而与牵引变压器接地相可靠连接，确保了这些设备工作回路的完整性。
3.3.2 在牵引变电所接地网与回流箱之间加装放电装置
27.5kV侧设备一旦发生单相接地短路故障，因27.5kV侧所有设备的保护接地未与牵引变压器的接地相连通，从而造成短路保护拒动，接地网出现高电位损坏二次设备，危及人身安全。因此，在牵引
变电所接地网与回流箱之间加装放电装置，使27.5kV侧任一一台设备发生接地短路时，接地网电位升高，放电装置瞬间动作提供短路电流通路，确保短路保护可靠动作。该放电装置的动作电压宜低于牵
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引变电所二次设备的工频试验电压1000V来设置。
改进后的回流装置如图4所示。
4 结论
当前，各牵引变电所运行中的回流装置大多存在上述缺陷，这些缺陷在一定条件下会危及人身与二次设备的安全。但是，由于回流装置的缺陷对牵引变电所安全可靠供电的影响具有较强的隐蔽性，其发生的概率具有较大的偶然性，因此，长期以来没有得到足够的重视。随着牵引变电所运行时间的
［2］
推移，这种影响将会越来越严重。文献显示，牵引变电所回流与接地系统暴露的问题正逐年增多。另一方面，电气化铁路近年来得到了快速发展，牵引供变电一二次设备均不断更新换代，而回流装置却没有实质性的改进。因此，对于新建牵引变电所，宜优化回流装置的设计，直接采取上述改进措施；对于既有的牵引变电所，则可根据其实际运行情况，结合各牵引变电所的更新改造或大修改造计划，对回流装置采取上述改进措施，从根本上消除现有回流装置存在的严重缺陷，进一步完善和提高牵引变电所系统的安全可靠性。
参考文献
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