牵引回流影响的变电所接地网关键参数在线监测及分析方法研究

牵引回流影响的变电所接地网关键参数在线监测及分析方法研究

梁靖坤，岳岩，曹毅峰，钟源

中铁二院工程集团有限责任公司

摘要：地电位、接触电压与跨步电压是变电站接地网的关键安全参数。区别电力系统，牵引供电系统中发生频繁且持续时间长的牵引供电回流对接地网有显著影响，因此在接地系统设计和接地网监测技术领域都必须引起足够重视。本文从基础理论及规范要求出发，提出了一种牵引变电所内接地网的在线监测系统方法，提出了监测设备布置原则和基本的测量原理电路，并提出相关监测数据采集和分析需要，为未来的系统装备研发提出了方向性意见。

关键词：变电所接地网；牵引回流；在线监测；数据采集和分析

Ground potential, touch voltage and step voltage are the key safety parameters of substation grounding grid. Different from the power system, the frequent and long duration traction power supply backflow in the traction power supply system has a significant impact on the grounding grid, so enough attention must be paid in the field of grounding system design and grounding grid monitoring technology. Based on the basic theory and specification requirements, this paper proposes an online monitoring system method for the grounding grid in the traction substation, puts forward the layout principle of monitoring equipment and the basic measurement principle circuit, and puts forward the needs for monitoring data acquisition and analysis, which provides directional suggestions for the future system equipment research and development.

Key words: Substation grounding grid; Traction power supply backflow; Online monitoring; Data acquisition and analysis

0 引言

牵引变电站接地系统是维护系统安全可靠运行、保障运行人员和电气设备安全的根本保证和重要措施，对牵引供电系统稳定可靠的运行起着极其重要的作用。其中，牵引变电所内的地电位抬升、接触电压、跨步电压是横衡量牵引变电所设备接地安全性的重要指标，通过对其进行测试获得数据能确保运营单位及时发现接地系统相关故障，做到及时处理、及时防护。区别于电力系统变电站，牵引供电系统中发生频繁且持续时间长的牵引供电回流对牵引变电所的地电位、接触电压及跨步电压的抬升也有显著影响,因此在接地系统设计和地网监测技术领域都必须引起足够重视。

由于短路故障具有偶发性及不确定性，而牵引回流随列车负荷、列车位置变化而波动变化，传统定期安排人员进行现场测试的方法往往无法获取有效监测数据，且也会耗费大量人力物力，对运营单位造成极大负担。因此，对牵引变电所接地网进行在线监测及分析，可使运营单位及时发现并消除接地系统的故障及隐患，确保系统稳定安全运行的同时也节约了大量成本。因为牵引回流造成的地电位、接触电压、跨步电压抬升属于牵引供电系统独有特征，其监测方法及系统是现行标准及传统设计中的空白，故有必要开展相关的研究工作。

1牵引变电所接地网关键参数的规范要求

牵引变电所内的地电位抬升、接触电压、跨步电压是作为牵引变电所接地网的安全性关键参数，规范中对其有较为详细的规定。

根据《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009-2016）条文解释的定义：当系统发生接地短路时，流经变电所接地网的入地电流引起接地网的对地电位升高。

接地网内部电位也是不同的。当运行维护人员等在系统故障时，手触及带电的构架（如图1），手脚之间的接触电位差就会时期遭到电击，这种电位差便成为接触电压。

图1  接触电压原理示意图

与接触电压类似，根据《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009-2016）的定义，当人两脚不在一起时，脚与脚之间的跨步电位差（即跨步电压）也会导致人受到电击（如图2）。

图2跨步电压原理示意图

根据基本理论分析，流经地网的电流会引发牵引变电所地电位、接触电压、跨步电压升高，牵引变电所内的情况共有三种，可归纳为“两短一常”，即两种短路，一种常时发生的牵引回流，即：

①牵引变电所外部电源进线侧发生短路故障，一部分短路电流通过牵引变电所地网回流至上级变电站，一部分短路电流通过所内地网入地。

②接触网线路或牵引变电所馈线侧发生短路故障，一部分短路电流通过地网回流至牵引变电所。

③线路上存在列车负荷，一部分牵引回流通过地网回流至牵引变压器中性点。

第一种短路工况与传统电力系统终端站短路工况相同，其余两种工况则属于牵引供电系统特殊工况，下面分别加以简要分析。

（1）牵引变电所外部电源进线侧短路

如图3所示，上级变电站通过杆塔将相线和架空地线连接至牵引变电所。

图3牵引变电所进线侧接地系统示意图

牵引变电所外部电源进线侧发生短路事故时，牵引变电所作为故障点，接收上级变电站提供的短路电流，并继而通过架空地线和大地这两个回流通道返回短路电流。其中入地分流大小通常与土壤条件、与上级变电站距离、以及外部电源线路参数等相关。入地电流作为直接作用于牵引变电所主地网的电流，会引发地电位、接触电压和跨步电压抬升。

（2）牵引供电系统低压侧短路及牵引回流

牵引供电系统回流与牵引变电所27.5kV侧短路时电路拓扑相同，可近似采用分析短路故障的方式分析牵引回流。

图4 牵引回流及接触网短路示意图

流过电力机车牵引电流的途径是：牵引变电所主变压器→馈电线→接触网→电力机车→→主变压器接地端子→主变压器。不同的回流线连接方式，会导致流经钢轨与接地网电流比例有所变化。

从前文可知，在牵引变电所接地网中流动的短路电流将导致地网的会引发地电位、接触电压和跨步电压抬升。牵引负荷属于常时重负荷，只要存在列车负荷，就会对应产生牵引回流，地电位抬升也即如影随形，其对应产生的地电位、接触电压和跨步电压抬升及对设备、人身安全的影响也必须纳入考虑。

（3）规范中的安全性相关要求

为确保牵引变电设施运行正常，国内外相关规范针对地电位抬升限值进行了约束。考虑到二次设备，如综合自动化设备，其工频绝缘耐受电压为2kV/min。从安全出发，二次系统的绝缘耐受电压可取2kV。

《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009-2016）4.13.5条规定：

式中，Rj——考虑到季节变化的接地装置的最大接地电阻（Ω）；

Ij——计算用的流经接地装置的入地短路电流（A）。

根据《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009-2016），接触电压和跨步电压安全阈值应满足：

另外，根据《铁路电力牵引供电设计规范》（TB 10009-2016）的要求：牵引负荷电流经接地网流回变压器时，接触电压和跨步电压不应超过下列数值：

（4）目前常用的测量方法

①地电位

根据GB/T 17949.1-2000中的描述：可采用电位降法测量牵引变电设施内地电位。具体原理为，在待测区域设置电压极，在远离牵引变电设施接地范围区域设置另一端电压极，此端应被视为无穷远零电位点，当有电流流经所内（可能为故障短路电流，也可为牵引回流），可根据电位测试结果得到当前测点大地电位抬升，用于监视可能超标的地电位升。

②对于接触电压和跨步电压：

接触电压为终端点H和F之间的电势差。通过测量须触摸设备处的电势和设备附近地表电势即可计算出接触电压。

跨步电压为终端点F1和F2之间的电势差。在主要设备旁设置2个间距为1m的测量电极，即可计算出跨步电压。

一般可利用电流、电压三极法测量接地电阻的试验线路和电源来进行接触电压、跨步电压的测试。加上电压后，读取电流和电压表的指示值，其电压值表示当接地体流过测量电流为 I 时的接触电压。

《铁路综合接地系统测量方法》（TB/T 3233-2010） 9.2章节中对接触电压、跨步电压的测量方法做了详细要求。

2  牵引变电所接地网关键参数的在线监测方法

（1）测量位置的选择

①地电位

GB/T 17949.1-2000中规定了是用采用电位降法测量接地电阻的方法，而接地电阻测量值实际是测量大地电位抬升与激励电流间的比值，故可采用电位降法测量牵引变电设施内地电位。

具体原理为，在待测区域设置电压极，在远离牵引变电设施接地范围区域设置另一端电压极，此端应被视为无穷远零电位点，当有电流流经所内（可能为故障短路电流，也可为牵引回流），可根据电位测试结果得到当前测点大地电位抬升，用于监视可能超标的地电位升。

建议在牵引变电所内以下各区域设置所内电压极：

——牵引变电所高压侧，220kV/110kV高压侧进线架构附近；目的时为预防进线短路电流引发的巨大地电位抬升）

——集中接地箱与主地网连接点区域，目的时为预防馈线短路或牵引回流引发的地电位抬升）

——房屋主控制室、通信机械室主接地排与主地网的连接点区域，目的时为预防所内地电位抬升对二次设备造成的损害）

②接触电压和跨步电压测量位置的选择

容易得出结论，接触电压测量位置应为牵引变电所内主地网运维人员易步行达到并触碰设备的区域，跨步电压的测量位置应为牵引变电所内主地网运维人员容易步行达到的区域。测量点应考虑主地网区域内电压幅值最高的区域，并结合工程实际进行合理选择和布置。

应当注意的是，所内发生故障流入地网的短路电流包括牵引变电所高压侧和27.5kV侧，由于短路电流仅有故障情况下才会出现（即正常运行时不出现），按照规范要求需用注入一定的测量电流对应可能出现的最大入地故障电流进行比例折算。由于牵引变压器的阻抗较大，故高压侧的故障电流将远大于27.5kV侧故障电流，故短路电流入地影响下的接触电压、跨步电压测量可考虑只在牵引变电所高压侧完成。

再分析牵引变电所的总平面布置及接地系统布置，而牵引回流及所外短路造成的接触电压和跨步电压，由于电流仅在所内地网的27.5kV侧区域内流动（可近似认为牵引回流在接地网中的流动区域应是27.5kV侧设备区域，流入接地网的部分应该是大地与接地网相连的任意部分，流出接地网的位置应该为集中接地箱与接地网相连的部分），故测量应在27.5kV区域内完成，由于牵引电流是长期存在的，故测量时不再注入测量电流也无需进行折算，直接测量即可。由于牵引回流经常性的稳定出现，且其产生的接触电压、跨步电压阈值要求较高，故考虑对27.5kV侧接触电压、跨步电压进行直接实时测量，以便及时获取关键信息。

3  牵引变电所接地网关键参数的在线监测基本电路

根据前文的理论分析，如需对牵引变电所的接地网的关键参数开展在线监测，推荐采用以下原理的基本原理电路。

（1）地电位的在线监测

电路应主要包括测量元件（电压互感器）、测量回路、地电位检测单元。地电位监测子单元通过电压互感器采集所亭集中接地箱处的电位变化，采集过程中以远端辅助接地极处电位为参考点，重点采集由于回流引起的集中接地箱电位抬升情况。

在牵引变电所内集中接地箱内设置专用的电压互感器进行直接测量，电压互感器测点考虑集中接地箱内母排或主控制室接地母排，设置专用的地电位监测单元，实现对地电位值的在线监测，原理图如下：

图4 地电位在线监测电路示意图

（2）牵引变电所高压侧接触电压、跨步电压的在线监测

电路应主要包括测试接点，测试接地极（电压极），辅助接地极（电流极）和高压侧跨步、接触电压检测单元。接触电压、跨步电压监测单元负责主变压器处的接触电压与跨步电压监测，当发现异常状况时提供告警信息，避免人员途经该设备周围或触摸该设备时发生触电危险，保障现场人员的人身安全，并提示运维人员及时进行防护和维修。

在牵引变电所内室外高压配电装置区的关键位置设置专用的辅助接地极和测试接地极，并设置专用的高压侧跨步、接触电压监测单元，实现对牵引变电所高压侧跨步电压值和接触电压值的在线监测，原理图如下：

图5 高压侧接触、跨步电压在线监测电路示意图

③牵引变电所27.5kV侧接触电压、跨步电压的在线监测

电路应主要包括测试接点，测试接地极（电压极），辅助接地极（电流极）、电压互感器、测量回路和27.5kV侧跨步、接触电压检测单元。接触电压、跨步电压监测单元负责主变压器处的接触电压与跨步电压监测，采用被动式实时测量的监测模式，当发现异常状况时提供告警信息，避免人员途经该设备周围或触摸该设备时发生触电危险，保障现场人员的人身安全，并提示运维人员及时进行防护和维修。

按照TB/T 3233-2010的方法原理并进行合理优化，取消辅助电流极，在牵引变电所内室外27.5kV配电装置区的关键位置设置专用的电压互感器及测试接地极，并设置专用的27.5kV侧跨步、接触电压监测单元，实现对牵引变电所27.5kV侧跨步电压值和接触电压值的在线监测，由于27.5kV侧的跨步电压和接触电压预期幅值不同，量程也有差异，跨步电压量程更大故使用压互，接触电压较小可直接测量，原理图如下：

图5 27.5kV侧接触、跨步电压在线监测电路示意图

4 牵引变电所接地网关键参数的在线监测数据采样及处理总体要求

（1）地电位及与牵引回流

牵引变电所地电位在线监测功能一方面是掌握回流引起的地电位抬升极限幅值是否超过场坪设备及人员安全限度，二是掌握其在关键、敏感设备处的影响程度。基于以上目的，需在牵引所亭场坪内选取预期抬升幅值最大的点位作为采样位置，考虑到集中接地箱处的母线回流汇集效应，可将其作为具体电压采样对象。

地电位抬升监测以被测点电位相对于远端参考电位的差值为直接采样对象，该采样工作的基础在于选取合理的参考点，该参考点的电位应不受回流等因素影响，该要求与本系统内接地电阻监测的辅助电压极要求相同，因此将这二者进行共用处理，均取在远离铁轨、贯通地线、牵引所地网等结构的远端土壤中。

从定性的角度分析，牵引回流幅值与地电位抬升幅度存在正相关关系，进一步细化进行定量分析时，需从现场监测数据中提取出二者的具体关系函数。提取关系函数的第一步工作是在统一时钟下取多个时刻的回流、地电位采样数据，并将每一时刻下的二者数据分别作为横纵坐标在U

-I坐标系中进行数据描点，最后可考虑对离散数据点进行函数拟合，得出回流幅值与地点位抬升幅度之间的定量关系曲线。

该关系曲线的拟合结果预期会受到不同情况下牵引回流的影响，此类影响的作用形式往往限于定性层级，因此对于得出的不同拟合结果进行分别保存和定性分析，可进一步体现不同条件下牵引回流与拟合结果之间的关联性。

（2）高压侧的接触电压、跨步电压

牵引变电所高压侧接触电压、跨步电压的监测功能旨在判断当牵引变电所高压侧发生单相接地等故障时，接地点附近设备及地表的电场分布情况是否危及设备安全、人身安全。在测试原理的基本方向选择上，该功能与其他监测功能存在明显的区别，这一区别主要体现为在未出现预期监测对象的情况下进行主动式的模拟测试并反推结论。选择该方案进行测试主要是基于两点考虑，首先是220kV侧发生单相接地故障的几率相对较低，难以捕捉，而一旦出现故障就已经没有做监测的意义；其次是单相接地故障若造成跨步电压、接触电压超限，实际上意味着地网的泄流均压作用不满足要求，这一根源性问题的有无并不受单相接地故障的影响，因此不需要在发生单相接地故障时进行监测。

结合上述分析结论，采用主动注入小幅值测试电流的方式模拟真实接地故障时的大电流入地情形，监测结果换算后成为直接反映单相接地故障时跨步电压、接触电压的数据。

（3）27.5kV侧的接触电压、跨步电压与牵引回流

27.5kV侧跨步电压、接触电压的监测目的与高压侧相似，但在测试原理上存在明显区别。27.5kV侧跨步电压和接触电压主要由牵引回流引起，其出现频次高、持续时间长，因而在进行监测时无需人为引入测试信号源，即不依赖于主动测试方式，可通过被动测量直接获取实际的数据。同时考虑到其与回流的高度关联性，需在采样密度上着重强化，从而积累相对丰富精细的数据，支撑后期的关联性分析工作。

27.5kV侧跨步电压、接触电压的最为主要和常见的诱因是牵引回流，为进一步明确和量化这种因果关系，需对两项监测数据进行联合分析，与地电位抬升的监测类似，这一联合分析需要在统一时钟下取多个时刻的回流、跨步电压/接触电压采样数据，并将每一时刻下的二者数据分别作为横纵坐标在U-I坐标系中进行数据描点，也可考虑对离散数据点进行函数拟合，得出回流幅值与地点位抬升幅度之间的定量关系曲线。

5 系统研发建议方向

拟开发的牵引变电所地网在线监测系统除完成前文提到的地电位升、接触电压、跨步电压等接地网关键参数的在线监测功能外，还应该将现有的地网在线监测技术结合起来，形成完善的系统技术方案。

可考虑将此系统划分为接地回流监测管理系统后台（或屏柜）、牵引回流监测子系统、地电位监测子系统、土壤电阻率监测子系统、高压侧跨步电压和接触电压监测子系统、27.5kV侧跨步电压和接触电压监测子系统、接地电阻监测子系统、电气完整性监测子系统等9部分构成。每一部分都相对独立，系统框图如图所示。

图4.5 系统功能单元化设计框图

接地回流监测管理系统屏为系统核心设备，负责实现系统核心功能；外部采样点/传感器为系统配套附件，为核心设备提供必要的原始数据信息；电源设备及组网上传对象为系统外部配合设备，负责供电和通信。

接地回流监测管理系统屏内部进一步细分为基础配套性单元及功能性单元两类。基础配套性单元包含供电单元、通信单元、人机交互单元、运算处理单元、切换控制单元、安全防护单元，负责为整个接地回流监测管理系统屏运行提供基础层面的支撑；功能性单元的配置基于前文提到的各子系统功能，包括电气完整性检测单元、跨步电压/接触电压检测单元、接地电阻/土壤电阻率检测单元、回流检测单元，分别负责实现自身对应的功能项。

考虑前文提到的数据处理要求，应着重研究数据的同步性和关联性技术。系统采用主动激励的方法实时模拟监测或直接进行测量。另外系统利用RS485通信主机实现数据同步性，并利用最小二乘法等方法为作为牵引回路、接触电压、跨步电压等接地系统关键参数的协同分析研究方法。

结论

流经地网的电流会引发牵引变电所地电位、接触电压、跨步电压升高。牵引变电所的地电位可采用电位降法直接测量。短路电流入地影响下的接触电压、跨步电压测量可考虑只在牵引变电所高压侧完成。27.5kV侧接触电压、跨步电压进行直接实时测量，应在27.5kV区域内完成。

为完成牵引回流对地电位、接触电压、跨步电压的影响分析，在线监测数据需在统一时钟下取多个时刻的回流、地电位、接触电压、跨步电压的采样数据，并将每一时刻下的二者数据分别作为横纵坐标在U-I坐标系中进行数据描点，最后可考虑对离散数据点进行函数拟合，得出各数据量之间的定量关系曲线。

在线监测系统整体结构应该包含多个子系统，多个子系统之间应该能够通信，协同完成相关功能。系统采用主动激励的方法实时模拟监测或直接进行测量。另外系统利用RS485通信主机实现数据同步性，并利用最小二乘法等方法为作为牵引回路、接触电压、跨步电压等接地系统关键参数的协同分析研究方法。

作者简介

梁靖坤：男，中铁二院工程集团有限责任公司，工程师， 1995年生 电话：18200362937   junklau@outlook.com

岳岩：男，中铁二院工程集团有限责任公司，工程师，1994年生，电话：028-86445363 2319181445@qq.com

曹毅峰：男，中铁二院工程集团有限责任公司，高级工程师，1984年生，电话：028-864445393   377054413@qq.com

钟源：男，四川艾德瑞电气有限公司，工程师，1989年生，电话：15828069622  315319066@qq.com

通讯地址：

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