HVDC影响轨道电路机理探讨

钱学成，刘明光，李　扬

（北京交通大学电气工程学院，北京　100044）

摘　要：分析了高压直流输电入地电流的机理，给出了入地电流在距离接地点l处产生地电位的表达式，以常用WXJ25型相敏轨道电路接收器为例，分析了入地电流对轨道电路信号传输状态的影响。计算结果表明，如果轨道电路中存在高压直流输电入地电流，就可能导致WXJ25型相敏轨道电路接收器驱动轨道继电器发生错误动作，这是需要高度重视的新问题。

关键词：铁路运输；高压直流输电；入地电流；地电位；轨道电路

随着我国“西电东送，南北互供，全国联网”的电力发展总方针的开展，高压直流输电技术将成为我国电网互联主要途径。高压直流输电的输送容量大，输电距离长，电压高，线路走廊窄，适合大功率、远距离输电。我国目前建成的高压直流输电工程均为两端直流输电系统[1]。HVDC技术从20世纪50年代在电力系统中得到应用以来，目前世界上已有70多项直流输电工程投入运行，在电力系统联网工程中得到了较大的发展[2-5]。

高压直流输电线路的直流输电工程有：瑞典—丹麦的康梯—斯堪工程，瑞典—芬兰的芬挪—斯堪工程，瑞典—德国的波罗的海工程。我国葛洲坝—上海1100km、±500kV输送容量的高压直流输电工程，已经建成并投入运行。此外，溪洛渡左岸—浙江金华±800kV特高压直流输电工程也在2012年开工，这些工程的陆续开展说明HVDC是未来电网的发展趋势。

HVDC入地电流在变电站间感应出较大的电势差，该入地电流可能通过变压器接地的中性点流入变压器并在电网内分布，造成变压器直流偏磁，引起变压器半个周波内的铁芯过饱和，导致磁致伸缩加剧，噪声增加，变压器铁芯过热，变压器温升增大，对整个电网安全运行不利。此外，入地电流还直接影响建筑工程接地极附近交流系统的安全稳定运行并使得金属接地极发生电腐蚀和对地下金属管线造成腐蚀[8]，电化学腐蚀不仅能缩短金属管、线的使用寿命，而且还会降低建筑物钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性，甚至酿成灾难性的事故。换流器在交流和直流侧都产生谐波电压和谐波电流，降低了换流站的运行可靠性，以上分析都是高压直流输电入地电流对电网安全运行和建筑物结构造成的影响，但这种入地电流对于铁路运输方面的影响还未得到关注。

无论是普速铁路或者是高速铁路，都需要轨道电路，它是铁路行车的通信信号基础设施。轨道电路工作状态的正确与否，直接关系到行车秩序，甚至行车安全和乘客的人身安全。轨道电路及通信信号系统的工作电压低，设备和装置由多种电气和电子设备组成，属于弱电系统，相比强电设备而言，抗干扰能力比较脆弱。轨道电路及通信信号设备设施的工作状态正确性对保障铁路行车安全十分重要。本文探讨高压直流输电入地电流是否会威胁轨道电路信号系统正常工作状态。

基金项目：国家自然科学基金项目（41374189）

作者简介：钱学成，男，硕士研究生。

1　HVDC入地电流侵入轨道电路的机理

两端直流输电系统主要由整流站、逆变站、输电线路3部分组成，如图1所示。在单极大地返回运行方式中，利用1根或2根导线和大地构成直流侧的单极回路。在该运行方式中，两端换流站均需接地，大地作为1根导线，通过接地极入地的电流即为直流输电工程的运行电流。单极大地回线方式的线路结构简单，可利用大地这个良导体，省去1根导线，线路造价低，同时大地电阻率低、损耗小、运行费用也低。直流电流通过接地极向大地散流，接地极和大地都会呈现一定的电位，入地电流的值很大，可以参考的数值是：±800kV高压直流输电接地极入地电流4000A。在用HVDC运行方式时，广东地区曾监测到窜入变压器中性点的直流电流高达80A以上，远远超过了变压器的偏磁承受能力[7]，在对国内某站直流工程接地极调试过程中发现主变中性点最大直流电流达22A，这样大的电流将对系统造成一定影响。

实际工程中，钢轨线路与直流输电线路通常在某一段平行接近，一般而言，钢轨线路至少长数百公里，可视为无穷长线路。根据上述情况，假设一条800kV高压直流输电线路与一条长距离钢轨在某段平行，直流电流通过接地极入地，于是地下就以接地极为中心，形成了一个电势分布区域，愈靠近接地极，地表等位线越密[8-9]。如果钢轨与接地极比较接近，接近距离为d，HVDC入地电流就会通过钢轨接地极窜入钢轨中，在钢轨中产生的不平衡电流就有可能对轨道电路产生影响，如图2为直流输电线路与钢轨平行接近模型示意图，目前国内外的研究主要集中在入地电流对变压器直流偏磁的影响[10]，而对于轨道电路的影响还很少。

轨道电路可能受到HVDC入地电流产生的地电位的影响，也称为阻性耦合影响[11]。地电位影响原理可以用地中杂散电流场的基本原理来说明[12]。设HVDC入地电流I自接地极M集中入地，如图3所示。

HVDC入地电流I通过大地电阻耦合，将在地中距接地极M距离为l的N处产生某一点位，该电位可以按如下步骤确定[13-14]：

在N点附近的电流密度为

该点的电场强度为

则N点的电位为

式中，I—从接地极M流入地中的电流（A）；ρ—大地电阻率（Ω·m）；σ—大地电导率（S/m）；l—接地极M至N点的距离（m）。

实际上，因为对于交流电气化铁道，钢轨有一定屏蔽作用，其屏蔽系数小于1，HVDC入地电流窜到钢轨附近的电位相对于无穷远点（零电位点）表达式为

式中，λ—钢轨屏蔽系数；x—钢轨到接地极的横向距离；y—钢轨到接地极的纵向距离；Ω（γx，γy）为特种函数，具体数值可查表得到。

函数ν的具体表达式为

由式（3）、（4）可见，钢轨和接地极的接近距离越小，HVDC入地电流越大，钢轨对入地电流的削减程度约小，大地的电导率越小，则钢轨上的电位就越高，窜入轨道电路的直流就会越大。

2　入地电流影响轨道电路的机理分析

现以微电子电路为核心的常用WXJ25型相敏轨道电路接收器为例，分析入地电流对轨道电路信号传输状态的影响。WXJ25型相敏轨道电路接收器由移相器、乘法器和积分器组成，输出信号驱动JWXC-1700安全型轨道继电器执行吸起或者落下动作，信号流的原理框图如图4所示，其中XJ（t）是局部电源信号，XG（t）是轨道信号，XC（t）是入地电流侵入信号，Y是驱动JWXC-1700安全型轨道继电器工作的输出信号。

2.1　不受入地电流影响的轨道电路信号传输

假设局部电源信号和轨道电路是同频率，相位差α，XJ（t）=Asinωt，XG（t）=Bsin（ωt-α），计入相敏轨道电路接收器中的移相器首先对XJ（t）信号移相90°，则一个周期的信号传输函数为：

式中，信号周期 。

由于XJ（t）和XG（t）信号都是正弦（或者余弦）函数，根据区间内正弦或者余弦函数具有正交特性，可以得到：

当信号的相位差α=+90°时，信号传输函数。显示，相敏轨道电路接收器的输出Y函数可以驱动JWXC-1700型轨道继电器执行吸起动作。当相位差α=-90°时，信号传输函数；当α=0°，α=180°时，Y=0，这3种情况下，Y均为非正值，都不能够驱动JWXC-1700型轨道继电器，即：轨道继电器执行落下。所以，相敏轨道电路接收器表现出了可靠的相位选择性。

如果两根钢轨上的牵引电流不平衡，轨道电路中将出现50Hz牵引电流，为保证行车信号正确状态的要求是：在列车占用轨道电路时，相敏轨道电路接收器不驱动JWXC-1700型轨道继电器动作。因此，假设局部信号XJ（t）的角频率为ω，轨道信号XG（t）角频率为2ω，相当于局部信号25Hz，轨道信号50Hz，则信号传输函数为：

对于牵引电流中的高次谐波，假设轨道信号XG（t）的频率为局部信号XJ（t）频率的n倍，同样可以得到信号传输函数为：

式（8）和式（9）说明：相敏轨道电路接收器在同时收到25Hz和50Hz，或者同时收到频率差为n倍的两种信号时，一个周期内的信号传输函数Y=0，不会驱动JWXC-1700型轨道继电器发生错误动作，仍然具有可靠的相位选择性。

2.2　入地电流侵入后的轨道电路信号传输

仍然假设局部电源信号和轨道电路是同频率，相位差为α时，XJ（t）=Asinωt，XG（t）=Bsin（ωt-α）。考虑到在高压直流输电系统中，换流器的操作会在直流侧产生谐波电流，而因杂散电容的存在为换流器中的谐波电流提供了对地的通路[15]，HVDC入地电流具有准直流特性，变化频率在0.001～0.1Hz之间，为了方便计算，设入地电流相位差为β，XC（t）=Csin（ωct-β），其中角频率ωc=（0.002～0.2）πrad/s，则一个周期的信号传输函数为：

将式（10）计为：

Y=Y1+Y2　　　（11）

比较式（5）与式（10），可以看到式（10）中多了Y2一项表达式。对Y2进行计算：

可见，Y2值与sin函数变化和相位差β有关，可能出现正数，也可能出现负数。因此，式（12）的结果表明：如果高压直流输电入地电流侵入轨道电路，入地电流将造成相敏轨道电路接收器的信号传输函数在一个周期内（Y=Y1+Y2）值具有正负数的随机性，就可能导致JWXC-1700型轨道继电器发生错误动作。

3　结论

（1）高压直流输电入地电流往往很大，如果侵入轨道电路，足以影响轨道电路的元器件工作特性，对铁路行车通信信号的正常工作状态造成威胁。

（2）HVDC入地电流会对钢轨上的电位造成影响，侵入到轨道电路的电流大小与接地点到钢轨的接近距离成反比，与入地电流大小成正比，同时与钢轨的屏蔽系数和大地电阻率有关。

（3）式（11）、式（12）从理论上证明：如果轨道电路中有高压直流输电入地电流侵入，就可能导致轨道继电器发生误动作，这是需要高度重视的新问题，必须进一步深入研究。

参考文献

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