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摘要：針對(duì)目前特高壓直流工程在選址時(shí)，并未對(duì)鄰近情況下的高速鐵路與特高壓直流工程之間的相互影響進(jìn)行定量評(píng)估研究的情況，分析了特高壓直流系統(tǒng)對(duì)電氣化鐵路的電磁影響研究現(xiàn)狀，并提出了下一步的研究方向及具體可采用的方法，對(duì)今后指導(dǎo)高速鐵路的路徑規(guī)劃和特高壓直流工程的選址具有良好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；特高壓直流；單極故障；直流偏磁

1研究背景及意義

高速鐵路與特高壓直流工程在我國(guó)均處于快速發(fā)展建設(shè)中。由于受線路走向、土地規(guī)劃等諸多因素制約，實(shí)際工程建設(shè)時(shí)，不可避免地出現(xiàn)高速鐵路和特高壓直流工程接地極鄰近的情況，如合福高鐵、昌景黃鐵路項(xiàng)目等。目前特高壓直流工程在選址時(shí)，僅僅遵循直流接地極距離變電站、發(fā)電廠、管道和鐵路等不小于10km的原則，并未對(duì)鄰近情況下的高速鐵路與特高壓直流工程之間的相互影響進(jìn)行定量評(píng)估研究。根據(jù)特高壓直流輸電的特點(diǎn)，當(dāng)直流輸電線路發(fā)生單極故障后，直流接地極中將通過(guò)5～6kA的直流電流并持續(xù)數(shù)小時(shí)，入地電流會(huì)在直流接地極周圍造成地表電位、跨步電壓升高等問(wèn)題。如附近有高速鐵路線路，將會(huì)對(duì)高速鐵路的牽引變壓器、通信、信號(hào)、隧道、橋梁、路基、站房等相關(guān)設(shè)施產(chǎn)生干擾和電腐蝕等危害。我國(guó)高速鐵路和特高壓直流工程的技術(shù)水平和建設(shè)里程均處于國(guó)際領(lǐng)先地位，在以上工程中遇到的技術(shù)難題已很難從國(guó)際工程中找到類似案例進(jìn)行借鑒，至今國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)均未對(duì)特高壓直流工程對(duì)高速鐵路的電氣兼容性、安全凈距、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行規(guī)定或描述。在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中也鮮見(jiàn)高速鐵路與特高壓直流接地極之間的電磁影響對(duì)象、機(jī)理、限值以及對(duì)策方面的資料。

2特高壓直流系統(tǒng)對(duì)電氣化鐵路的電磁影響研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[1]依據(jù)云南—廣東（云廣）±800kV直流輸電線路的魚龍嶺直流接地極極址，以及1.5km以外的京廣鐵路模型參數(shù)，建立了虛擬直流接地極和電氣化鐵路的模型，計(jì)算了該虛擬直流接地極對(duì)京廣鐵路產(chǎn)生的各項(xiàng)電磁影響的程度。通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步確定了直流接地極對(duì)電氣化鐵路電磁影響應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)：鋼軌處的第2類跨步電壓、鐵路信號(hào)和通信電纜的轉(zhuǎn)移電壓、牽引變壓器的直流偏磁。文獻(xiàn)[2]基于CDEGS軟件建立了特高壓直流輸電工程接地極及相鄰電氣化鐵路的仿真模型，分析了牽引變電站供電臂沿線軌道電位分布，計(jì)算了流經(jīng)電氣化鐵路牽引變壓器的直流電流，并研究了影響該直流電流大小的各個(gè)因素。分析結(jié)果表明，在同極性單極大地返回的運(yùn)行工況下，流過(guò)牽引變壓器的直流平均電流已超過(guò)普通電力變壓器允許的限值；流經(jīng)牽引變的直流電流與接地極入地電流同向變化。

3下一步研究重點(diǎn)及建議

在系統(tǒng)分析特高壓直流系統(tǒng)單極大地運(yùn)行方式下，對(duì)高鐵強(qiáng)、弱電系統(tǒng)運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性等影響的基礎(chǔ)上，必須分析工程距離、土壤結(jié)構(gòu)等因素對(duì)特高壓直流接地極入地電流在高鐵牽引供電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)中的分布情況。

3.1特高壓直流對(duì)高鐵牽引供電系統(tǒng)的影響

在分析特高壓直流工程對(duì)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的影響時(shí)，可重點(diǎn)研究AT供電方式下的鐵路牽引供電系統(tǒng)、綜合接地系統(tǒng)及特高壓直流接地極回流系統(tǒng)。以上3個(gè)系統(tǒng)可以視為一個(gè)由位于地上的電阻網(wǎng)絡(luò)和位于地下的多導(dǎo)體電流場(chǎng)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)[3]。在進(jìn)行定量分析時(shí)，可采用諸如有限元和邊界元算法及接地極理論等理論方法，計(jì)算直流接地極電流作用下的大地電流場(chǎng)分布以及地表電位分布，同時(shí)研究高速鐵路牽引供電系統(tǒng)中的直流電流回路，計(jì)算出流入牽引變壓器的直流電流數(shù)值、鋼軌感應(yīng)電勢(shì)幅值等，進(jìn)而明確高速鐵路牽引供電系統(tǒng)中的各直流量分布情況[4]。總體而言，下一步研究可首先以造成牽引變壓器的直流偏磁及鋼軌感應(yīng)電勢(shì)升高的因素為立足點(diǎn)，完成特高壓直流接地極電流對(duì)高鐵單相工頻交流牽引網(wǎng)絡(luò)影響的數(shù)學(xué)建模，深入研究高速鐵路牽引變壓器中的直流電流通路及電流數(shù)值[5]，從而完成特高壓直流對(duì)高鐵牽引供電系統(tǒng)的影響的系統(tǒng)、定量評(píng)估。

3.2特高壓直流對(duì)高鐵通信、信號(hào)系統(tǒng)的影響

對(duì)于鐵路信號(hào)來(lái)說(shuō)，兩條鋼軌呈現(xiàn)串聯(lián)電路的關(guān)系。信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)絕緣節(jié)將鋼軌分割為一定長(zhǎng)度的區(qū)段，由區(qū)段一端的發(fā)送設(shè)備發(fā)出高頻信號(hào)（數(shù)百赫茲至數(shù)千赫茲），經(jīng)兩根鋼軌形成信息傳遞回路；在區(qū)段另一端設(shè)置信息檢測(cè)設(shè)備，并通過(guò)信號(hào)電纜將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳回車站。若鐵路附近的直流接地極有電流入地，通過(guò)阻性耦合抬高了兩條鋼軌的電位，會(huì)在鋼軌絕緣節(jié)兩端之間產(chǎn)生電位差。此外，直流電流還可能造成變壓器線圈的磁化，影響其工作性能。區(qū)間平衡鋼軌回流的橫向連接處采用扼流變壓器，極易磁化，會(huì)受直流影響，繼而可能影響軌道電路傳輸參數(shù)，進(jìn)一步影響軌道電路的發(fā)送接收端設(shè)備的工作狀況（目前運(yùn)用于直流環(huán)境下時(shí)，該扼流變壓器選擇對(duì)應(yīng)直流環(huán)境的設(shè)備），可以考慮對(duì)此變壓器磁化進(jìn)行相應(yīng)研究。當(dāng)入地電流擴(kuò)散至信號(hào)電纜和通信電纜附近時(shí)，會(huì)通過(guò)電纜的接地裝置抬高電纜鎧裝的電位。而電纜芯線部分的電位則為遠(yuǎn)端接地點(diǎn)的電位。兩者之間的電位差加載到芯線與鎧裝之間的絕緣部分。當(dāng)該電位差達(dá)到一定程度和一定時(shí)間后有可能損壞該絕緣部分。

3.3特高壓直流對(duì)高鐵鋼軌電位的影響

基于目前已對(duì)牽引供電系統(tǒng)下鋼軌電位的分布規(guī)律，以及牽引回流網(wǎng)絡(luò)的主要電氣參數(shù)對(duì)鋼軌電位的影響規(guī)律進(jìn)行了具體研究與探討，對(duì)上下行鋼軌橫連、增設(shè)CPW線、利用支柱接觸接地、特設(shè)埋地地線和特設(shè)集中接地等措施降低鋼軌電位的效果進(jìn)行了計(jì)算和分析，已掌握交流單相工頻27.5kV供電制式下鋼軌電位產(chǎn)生的機(jī)理及分布特征。在此前的研究基礎(chǔ)上，可考慮增加直流特高壓接地極對(duì)鋼軌電位抬升的影響分析，研究同時(shí)考慮交流影響與直流影響的工況下，如何對(duì)鋼軌電位進(jìn)行定量分析。

3.4特高壓直流對(duì)高鐵系統(tǒng)中金屬設(shè)施的電化學(xué)腐蝕影響

鐵路附近與土壤有接觸的金屬物主要包括含有道砟的鐵軌、綜合貫通地線以及鐵路設(shè)施（橋梁、隧道等）基礎(chǔ)鋼筋。因此，有必要研究直流入地電流的溢散特性，以明確特高壓直流接地極入地電流對(duì)高鐵系統(tǒng)中金屬設(shè)施的電化學(xué)腐蝕影響。可采用接地仿真計(jì)算軟件建立相應(yīng)的極址土壤模型和線路電氣模型，對(duì)流入輸電線路各接地體的直流電流及分布特性進(jìn)行全面、系統(tǒng)的研究，根據(jù)特高壓直流接地極在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的總安時(shí)數(shù)和運(yùn)行方式，計(jì)算得到有道砟的鐵軌、綜合貫通地線以及鐵路設(shè)施（橋梁、隧道等）基礎(chǔ)鋼筋的腐蝕量，從而根據(jù)極址土壤電阻率參數(shù)和系統(tǒng)額定電流，確定接地極與高速鐵路的最短距離。

4結(jié)語(yǔ)

由于目前缺少充分的基礎(chǔ)理論研究，當(dāng)高速鐵路與特高壓直流工程鄰近時(shí)，后者對(duì)高鐵的影響方式與程度亟待進(jìn)一步研究。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，總結(jié)了今后進(jìn)行定量研究的總體方向及具體可采用的方法，對(duì)精確指導(dǎo)高速鐵路的路徑規(guī)劃和特高壓直流工程選址，有效節(jié)省高速鐵路與特高壓直流工程投資，節(jié)約寶貴的土地資源有著重要的意義。

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[2]劉士利，李承彬，拾楊，等.直流接地極引起的電氣化鐵路牽引變壓器直流電流計(jì)算[J].高電壓技術(shù)，2017，43（7）：2161-2166.

[3]馬志強(qiáng)，黎小林，鐘定珠.直流輸電大地電流對(duì)交流系統(tǒng)影響的網(wǎng)絡(luò)分析算法[J].廣東電力，2005，18（12）：4-8.

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[5]馬為民.換流變壓器中直流偏磁電流的計(jì)算[J].高電壓技術(shù)，2004（11）：48-49.

作者:陳爭(zhēng) 單位:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司