大地的導(dǎo)電性

圖12.15 軌道和大地之間的阻性耦合模型

12.4.2.2 直流系統(tǒng)的鋼軌—大地回路

在直流供電系統(tǒng)中，鋼軌要與大地絕緣以盡可能避免雜散電流。但是，由于絕緣的實(shí)際情況和上部結(jié)構(gòu)電阻的限制，仍有一部分牽引電流I_trc從大地流回變電所。

圖12.15所示為由一個(gè)變電所向一輛牽引車輛供電系統(tǒng)的鋼軌和大地之間阻性耦合的簡(jiǎn)化模型。實(shí)際上，在電氣化鐵道系統(tǒng)中，會(huì)有很多列正在運(yùn)行的列車由多個(gè)變電所供電。因此，在討論軌道和大地之間的電流和電壓時(shí)，要考慮每一個(gè)負(fù)載或每單位長(zhǎng)度鐵路線上的負(fù)載。鐵路線單位長(zhǎng)度的負(fù)載可由公式 (10.37) 來計(jì)算。計(jì)算地電流和鋼軌對(duì)大地電壓是一個(gè)復(fù)雜的過程，其結(jié)果取決于當(dāng)時(shí)任一點(diǎn)的列車和負(fù)載。因此，在這里只是以圖12.15所示的模型為基礎(chǔ)作一些基本的推論。

根據(jù) [12.23]，假設(shè)通向變電所而且離開牽引車輛的軌道無限長(zhǎng)。地電流IE為：

在這個(gè)公式中，α為傳播常數(shù)，其量綱為 (長(zhǎng)度)-1，它可由式 (12.6) 計(jì)算

在電氣負(fù)載的位置，軌道和大地之間電壓U_TE為

Z₀為特性阻抗，可由式 (12.8)來計(jì)算：

例： 在一個(gè)單線直流電氣化鐵道系統(tǒng)中，分別假設(shè)單位長(zhǎng)度的漏泄電導(dǎo)為2、1和0.1S/km，鋼軌為UIC60型。要計(jì)算牽引列車和變電所中間位置 (L=5km; L=10km) 流入大地的電流。另外，如果牽引電流為1000A，還需計(jì)算牽引列車位置的鋼軌對(duì)大地電壓。

從表10.6，我們可以得到UIC60型鋼軌的單線路系統(tǒng)的R′=R′_T＝0.015Ω/km。由此可得到表12.2中的結(jié)果。

表12.2 以UIC 60型鋼軌為例，牽引電流為1000A時(shí)的接地電流和鋼軌對(duì)大地電壓

通過計(jì)算變電所與取流點(diǎn)之間所有地電流和鋼軌對(duì)大地電壓可得到圖12.16的曲線，這些值呈現(xiàn)為距離的函數(shù)。根據(jù) [12.23] 以及上述的坐標(biāo)表示，鋼軌電位可通過式(12.9) 來計(jì)算如果鋼軌對(duì)大地有著良好的絕緣，因而單位長(zhǎng)度的漏泄電導(dǎo)為0.1S/km，則在饋電點(diǎn)和車輛位置的鋼軌對(duì)大地電壓會(huì)明顯高于300S的允許接觸電壓： 150V。

圖12.16 一個(gè)變電所和一個(gè)負(fù)載的情況下，直流電氣化鐵道線的鋼軌對(duì)大地電壓U_TE和軌道電流I_T

而鋼軌電流可由式 (12.10) 來計(jì)算

[12.23] 中有一個(gè)表列出了在變電所的軌道終點(diǎn)以及負(fù)載作用點(diǎn)的另外11個(gè)例子的類似公式。

在實(shí)際應(yīng)用中，漏泄電導(dǎo)對(duì)軌道有效電阻的影響是很大的。這個(gè)電阻值也被稱之為等效軌道電阻R_Teq，在 [12.23] 中，其值可由下式計(jì)算

如上所示，對(duì)于很大的αL值來說，有效鋼軌電阻值接近自然特性阻抗值Z0。實(shí)際上如果單位長(zhǎng)度的漏泄電導(dǎo)為2S/km，這種情形也適合變電所到負(fù)載之間距離為13～15km的情況。但是漏泄電導(dǎo)低至0.1S/m時(shí)，相應(yīng)的距離值則達(dá)到65～70km。