电气化铁路钢轨电位的影响因素仿真分析

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1、电气化铁路钢轨电位的影响因素仿真分析张耀（中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安７１００４３）摘要：针对电气化铁路钢轨电位偏高现象，研究钢轨电位的影响因素。利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件建立了牵引回流系统的仿真模型，分别仿真测量了采用不同供电方式、线路单复线、不同列车追踪时间、不同钢轨对地泄漏电阻时的钢轨电位值。根据仿真结果分析了各种因素对钢轨电位的影响效果。.jyqk=Vm0-Vmn（１）Vn=Vn0+Vmn（２）由于Ｖｍ＝Ｖｎ，由式１和式２可得：将式（３）代入式（１）中可得：由式（４）可知，在复线铁路中，将上下行钢轨横向连接后，连接点处的钢轨电位为连接前两

2、者的电位平均值。实际中，上行线路钢轨电位Ｖｍ０比下行线路的钢轨电位Ｖｎ０要大得多，上下行连接后钢轨电位大约是连接前的一半。由于Ｖｍ０与Ｖｎ０的极性相反，因此Ｖｍ实际要小于Ｖｍ０的一半。根据所建ＡＴ供电方式下牵引回流的仿真模型，研究单线和复线对钢轨电位的影响，其中复线模型在所建单线模型的基础上，根据复线原理如图５所示，将单线改为复线，复线线路中，将上下行线路钢轨每隔５ｋｍ进行横向连接，其余条件不变，进行仿真，测量钢轨电位变化情况并拟合成曲线如图６所示。由图６可以看出，单复线对钢轨电位的影响也较大，当机车在ＡＴ区段运行时，单线线路钢轨电位明显高于复线线路时的钢轨电位。复线

3、线路将钢轨进行横向连接，通过连接线起到分流作用，由图中虚线可以看出，在每个ＡＴ区段，钢轨电位在有钢轨横向连接线处出现骤降点，使得钢轨电位总体降低。因此，单复线对于钢轨电位有很大的影响，一般情况下，复线铁路钢轨电位比单线时高，但这也并不是绝对的，如果复线铁路在某处上下行同时有机车通过时，钢轨电位必然会变高；对复线铁路上下行钢轨进行连接时，一般通过扼流变压器实现等电压连接。２．３列车追踪时间在随着我国铁路系统大提速以及相应的客货行车密度不断增大。电气化供电区段机车速度高，追踪时间短，经常在一个牵引供电区段上可能同时有几辆机车运行，当多辆机车同时运行时，钢轨上的电位必然会呈

4、现新的变化趋势，通过仿真分析研究追踪时间对钢轨电位的影响。根据所建仿真系统模型，列车设计时速为２００ｋｍ／ｈ，假设追踪时间分别为５ｍｉｎ和２ｍｉｎ，在仿真时测量前车即Ａ车运行处的钢轨电位，将所测值拟合成曲线，如图７所示，其中钢轨对地泄漏电阻设为１０Ω·ｋｍ。根据图７所示，当追踪时间为２ｍｉｎ时，两列机车同时在一个区段里运行，当Ａ车运行至８ｋｍ处时，Ｂ车进入模型区段，由图中虚线可知，当Ｂ车进入区段开始追踪运行时，Ａ车处的钢轨电位较之前明显增大，并且在距变电所９ｋｍ处出现最大值；当追踪时间为５ｍｉｎ时，两列机车在两个ＡＴ区段里追踪，Ａ车运行至距牵引变电所２０ｋｍ处时，Ｂ车

5、进入区段运行，由图中实线所示可以看出，Ｂ车进入区段开始追踪时，对Ａ车处钢轨电位的影响不是很明显。因此，当两列机车在同一个ＡＴ区段追踪运行时，后车对前车处的钢轨电位影响比较大，而当两列机车在不同ＡＴ区段追踪运行时，后车对前车处的钢轨电位影响比较小。因此，在列车运行速度保持不变时，不同的追踪时间可以影响钢轨电位值的变化，机车的密集运行容易使钢轨电位升高，因此在满足运输组织的条件下，尽量使机车间距均匀，使线路上运行的机车在各牵引供电臂均匀取流，从而保障牵引回流不在局部地方集中而造成钢轨电位升高。２．４钢轨对地泄漏电阻由钢轨电位的产生机理可知，电气化铁路牵引供电区段，牵引电流

6、在钢轨上流通并泄漏入大地并产生钢轨电位，而钢轨电位的大小与钢轨电流的泄漏量有很大的关系，而泄漏量的大小主要取决于钢轨对地的泄漏电阻，因此研究钢轨对地泄漏电阻对钢轨电位的影响是很有必要的。根据本文所建ＡＴ供电方式牵引回流网络模型，通过改变模型中钢轨对地的泄漏电阻值来仿真观察钢轨电位的变化情况，测量数据并拟合成曲线如图８。其中泄漏电阻分别设为５０Ω·ｋｍ、１０Ω·ｋｍ和１Ω·ｋｍ。图８为测量得到钢轨电位变化曲线，可以看出，Ａ车处钢轨电位随着泄漏电阻的增大而增大，在每个ＡＴ区段钢轨电位变化呈正弦变化，且当Ａ车运行到ＡＴ段中间时，机车处的钢轨电位达到最大值。由图８还可知，钢轨

7、对地的泄漏电阻对钢轨电位的影响较大，钢轨电位随着泄漏电阻的增大而增大；当泄漏电阻由１Ω·ｋｍ到１０Ω·ｋｍ时，钢轨电位的变化比较明显；而当泄漏电阻从５０Ω·ｋｍ到１００Ω·ｋｍ，钢轨电位升高得比较缓慢。钢轨对地泄漏电阻一般受到钢轨所处地区的气候、土壤电阻率及污染程度等因素影响。尤其对于干旱地区，钢轨对地的高泄漏电阻是影响该地区铁路钢轨电位升高的重要因素。３结论基于Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件建立的牵引回流系统仿真模型，分别仿真分析了牵引供电方式、钢轨自身阻抗、线路单复线、列车追踪时间、钢轨对地泄漏电阻对钢轨电位的影响效果，结果表明：采用ＡＴ供电