李岩，李树鹏

（1. 青藏铁路公司 西宁供电段，青海 西宁 810006；2. 兰州交通大学 交通运输学院，甘肃 兰州 730070）

关角隧道内牵引供电与回流系统综合测试与分析

李岩1，李树鹏2

（1. 青藏铁路公司 西宁供电段，青海 西宁 810006；2. 兰州交通大学 交通运输学院，甘肃 兰州 730070）

以青藏铁路西格线关角隧道为例，结合隧道电气结构与布置方式，计算牵引供电系统主要参数，提出牵引供电与回流系统测试方案，测试牵引负荷特性、钢轨电位、钢轨电流和土壤电阻率，对牵引负荷过程和牵引回流分布进行同步测试，分析牵引负荷、钢轨电流和钢轨电位分布规律。同时，针对牵引回流特性进行分析，主要技术参数满足相关标准与规范，为青藏铁路电气化区段的安全运营提供重要保障。

关角隧道；牵引供电；回流系统；综合测试；青藏铁路

0 引言

青藏铁路西格线关角隧道目前为我国最长的双单线隧道，2015年12月开通运营，全长32.65 km，两隧道相距40 m，地处青藏高原关角山。隧道平均海拔3 500 m，最高约3 850 m，最大埋深970 m[1]。关角隧道采用带回流线的直接供电方式，其两端分别设有天棚和察汗诺牵引变电所，变压器采用三相VV接线，容量均为2×（2 5+20）MVA。关角隧道外采用全补偿简单链型悬挂，隧道内采用刚性悬挂[2]。

关角隧道内牵引回流流入大地的部分比隧道外少，通过钢轨与回流系统的电流较多，使隧道内钢轨电位抬升，存在钢轨电位超标的风险，对铁路设备正常运行及工作人员的人身安全有一定影响。因此，开展长大隧道内牵引供电与回流方案优化设计具有重要意义[3-5]。

以关角隧道为例，计算牵引供电系统主要参数，通过对牵引负荷过程和牵引回流分布的同步测试，结合相关国家标准和设计规范，评估牵引回流和钢轨电位分布特性，为高原电气化铁路的设计与运营提供重要依据。

1 隧道内电气结构

关角隧道内采用无砟轨道，接触网采用刚性悬挂，设有综合地线，回流线约每2 500 m与钢轨相连，上下行钢轨通过隧道内横通道每隔2 500 m进行一次横向连接，架空地线每500 m与综合地线相连，综合地线每250 m接地。关角隧道内接触网结构空间布局示意见图1，隧道内各导线型号和参数见表1。

图1 隧道内接触网结构空间布局示意图

表1 隧道内导线型号和参数

关角隧道内综合接地系统设计方案如下[6]：

（1）贯通地线采用φ35 mm铜线铺设在两侧通信信号电缆槽内，通过环向接地钢筋实现横向连接。另外，每间隔一定距离采用带塑料护套的分支软铜绞线引出，分别通过隧道侧壁上预埋的接地套筒端子或接地槽道与信号电缆槽内设置的预埋接地端子连接。

（2）在电缆槽的线路外侧外缘各设置一根纵向接地钢筋，每隔300 m断开一次，用于隧道内接地、接触网断线保护接地及接地钢筋间的等电位连接。

（3）根据信号专业设计的相关技术要求，一般在贯通地线电缆槽侧面或下方每隔200 m设置贯通地线的接地极，其接地电阻应不大于4 Ω，特别困难地段不大于10 Ω。

关角隧道综合接地系统示意见图2。

2 主要牵引供电参数计算

关角隧道区域内牵引供电系统导线的周围大地结构与半无限平面大地模型有明显区别，采用Carson公式计算牵引供电参数可能存在一定误差，而Tylavsky公式则适用于计算隧道内的导线阻抗[7]。Tylavsky公式计算的牵引供电系统主要阻抗特性参数结果见表2。

图2 关角隧道综合接地系统示意图

兰武二线乌鞘岭隧道长20.05 km，采用汇流排型号一致，接触线为银铜合金导线，横截面积为120 mm2，牵引网现场测试每公里阻抗为0.051+0.371i。与乌鞘岭隧道对比理论计算结果和实际测量值，两者之间误差在5%左右，证明牵引供电系统主要阻抗特性参数计算结果的正确性，为牵引回流和钢轨电位的理论计算提供了重要依据[7-8]。

3 牵引供电与回流系统测试方案

（1）牵引负荷特性测试。采用专业的牵引变电站电能质量监测系统在牵引变电所内进行测试，利用钳形电流互感器测得牵引变电所内二次回路中牵引负荷分布。

（2）钢轨电位和钢轨电流测试。钢轨电位测试原理见图3，一根测量引线通过钢轨接地线夹与钢轨相连，另一根测量引线与远端的参考电极相连，通过测量两根测量引线的电位差得到钢轨电位。钢轨绝缘节处有通往扼流变压器的引线，在引线上穿入钳形电流互感器可测得通过钢轨的电流，其测试原理见 图4。

表2 牵引供电系统主要阻抗特性参数结果

图3 钢轨电位 测试原理

图4 钢轨电流测试原理

（3）土壤电阻率测试。测试距接地装置较远地区或较大区域范围的土壤电阻率，以及测试在水平或垂直方向分层不均匀的土壤电阻率，比较理想的测试方法是测量土壤电阻率的等距四极法，其测试原理见图5。测量时在地面上插入4个电极A、B、C、D，电极之间相隔距离相等均为a，埋入深度均为b。采用稳压电源向外侧电极A和B施加电流I，电流由电极A流入，由电极B返回电源。这时外电极产生的电流场在内电极上产生电势，可用电压表测量内电极C和D间的电位差，UCD/I即为电阻R。

图5 测量土壤电阻率的等距四极法测试原理

4 西格线牵引回流特性分析

关角隧道内过分相位置设置了钢轨电位测试装置，为察汉诺牵引变电所西宁方向的供电臂末端，牵引负荷在此位置产生的钢轨电位比较显著。察汉诺牵引变电所西宁方向上行（含关角隧道）馈线电流测试结果见图6。测试选择某日凌晨2：30左右的一列满载列车，列车通过关角隧道供电臂的负荷过程见图7，列车过分相前后的钢轨电位测试结果见图8。从图8可见，列车在过分相区前加速取流，而后断电过分相，最后重新取流进入相邻供电臂，对应 测得的钢轨最高电位约为60 V。

在关角隧道出口位置对钢轨回流进行测试，测试时间为17：33—18：45，牵引负荷最大为508 A，对应钢轨电流为117 A，钢轨电流、钢轨电位实测与理论计算值对比见表3。

图6 察汉诺牵引变电所西宁方向上行（含关角隧道）馈线电流测试结果

图7 列车通过关角隧道供电臂的负荷过程

图8 列车过分相前后的钢轨电位测试结果

表3 钢轨电流、钢轨电位实测与理论计算值对比

通过对关角隧道钢轨电位和牵引回流的测试与分析，发现钢轨电流占总牵引负荷电流的20%～25%，与遂渝线无砟轨道综合试验段35%的钢轨回流进行对比，验证了关角隧道采用综合接地系统的有效性。此外，隧道内钢轨电位远低于120 V限值， 可满足国标、IEC及EN相关标准要求[9]。

5 结束语

青藏铁路西格线关角隧道采用无砟轨道，隧道内设置的钢轨、回流线、架空地线和综合地线共同构成回流通路，将回流线与钢轨之间、架空地线与钢轨之间、接地端子之间、综合地线与钢轨之间实现了紧密连接，可有效抑制钢轨电位，现场测试验证了理论分析和计算的正确性，为青藏铁路电气化区段的安全运营提供了重要保障。

[1] 袁玉贤，李岩，刘翠琴，等. 青藏铁路西格二线牵引供电质量与回流特性分析[J]. 中国铁路，2014(7)：42-45.

[2] 李晋. 长大隧道刚性悬挂接触网平面布置研究[J].兰州交通大学学报，2006(3)：114-117.

[3] 陈屹，邓云川. 遂渝线无砟轨道综合接地系统钢轨电位及电流分布的分析[J]. 铁道工程学报，2007(S1)：426-429.

[4] 雷栋. 高速电气化铁路牵引回流及钢轨电位特性研究[D]. 成都：西南交通大学，2010.

[5] 缪耀珊. 交流电气化铁道的钢轨对地电位问题[J].电气化铁道，2007(4)：1-6.

[6] 蒋先国. 高速铁路综合接地研究[D]. 成都：西南交通大学，2009.

[7] 吴命利. 电气化铁道牵引网的统一链式电路模型[J].中国电机工程学报，2010(28)：52-58.

[8] 谭秀炳. 交流电气化铁道牵引供电系统[M]. 4版.成都：西南交通大学出版社，2014.

[9] EN 50122-1：1998 Railway applications-Fixe d installations Part 1：Protective provisions relating to electrical safety and earthling[S].

责任编辑卢敏

Integrated Test and Analysis of Traction Power Supply and Ref ux System of Guanjiao Tunnel

LI Yan1，LI Shupeng2
（1. Xining Power Supply Depot，Qinghai-Tibet Railway Company，Xining Qinghai 810006，China；2. School of Traff c and Transportation，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China）

By taking Guanjiao Tunnel of Xining-Golmud Section of Qinghai-Tibet Railway as an example, the paper proposes the test plan for traction power supply and ref ux system based on the electrical structure and arrangement of the tunnel and calculation of main parameters of traction power supply system. The tests include traction load characteristics, rail potential, rail current and soil resistivity. The tests for traction load and traction ref ux distribution are conducted simultaneously to analyze the distribution rules of traction load, rail current and rail potential. Besides, the paper analyzes the characteristics of traction ref ux and indicates that the main technical parameters meet the related standards and norms, guaranteeing safe operation of electrif ed section of Qinghai-Tibet Railway.

Guanjiao Tunnel；traction power supply；ref ux system；integrated test；Qinghai-Tibet Railway

U223

A

1001-683X（2017）04-0081-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.04.081

2017-01-09

青藏铁路公司科研项目（QZ2011-Z02、QZ2009-G04）

李岩（1963—），男，高级工程师，硕士。E-mail：Ly7192183@163.com