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摘要：针对目前特高压直流工程在选址时，并未对邻近情况下的高速铁路与特高压直流工程之间的相互影响进行定量评估研究的情况，分析了特高压直流系统对电气化铁路的电磁影响研究现状，并提出了下一步的研究方向及具体可采用的方法，对今后指导高速铁路的路径规划和特高压直流工程的选址具有良好的借鉴意义。
关键词：高速铁路；特高压直流；单极故障；直流偏磁
1研究背景及意义
高速铁路与特高压直流工程在我国均处于快速发展建设中。由于受线路走向、土地规划等诸多因素制约，实际工程建设时，不可避免地出现高速铁路和特高压直流工程接地极邻近的情况，如合福高铁、昌景黄铁路项目等。目前特高压直流工程在选址时，仅仅遵循直流接地极距离变电站、发电厂、管道和铁路等不小于10km的原则，并未对邻近情况下的高速铁路与特高压直流工程之间的相互影响进行定量评估研究。根据特高压直流输电的特点，当直流输电线路发生单极故障后，直流接地极中将通过5～6kA的直流电流并持续数小时，入地电流会在直流接地极周围造成地表电位、跨步电压升高等问题。如附近有高速铁路线路，将会对高速铁路的牵引变压器、通信、信号、隧道、桥梁、路基、站房等相关设施产生干扰和电腐蚀等危害。我国高速铁路和特高压直流工程的技术水平和建设里程均处于国际领先地位，在以上工程中遇到的技术难题已很难从国际工程中找到类似案例进行借鉴，至今国内外相关规范和标准均未对特高压直流工程对高速铁路的电气兼容性、安全净距、评价标准等进行规定或描述。在国内外文献中也鲜见高速铁路与特高压直流接地极之间的电磁影响对象、机理、限值以及对策方面的资料。
2特高压直流系统对电气化铁路的电磁影响研究现状
文献[1]依据云南—广东（云广）±800kV直流输电线路的鱼龙岭直流接地极极址，以及1.5km以外的京广铁路模型参数，建立了虚拟直流接地极和电气化铁路的模型，计算了该虚拟直流接地极对京广铁路产生的各项电磁影响的程度。通过分析计算结果，进一步确定了直流接地极对电气化铁路电磁影响应关注的重点：钢轨处的第2类跨步电压、铁路信号和通信电缆的转移电压、牵引变压器的直流偏磁。文献[2]基于CDEGS软件建立了特高压直流输电工程接地极及相邻电气化铁路的仿真模型，分析了牵引变电站供电臂沿线轨道电位分布，计算了流经电气化铁路牵引变压器的直流电流，并研究了影响该直流电流大小的各个因素。分析结果表明，在同极性单极大地返回的运行工况下，流过牵引变压器的直流平均电流已超过普通电力变压器允许的限值；流经牵引变的直流电流与接地极入地电流同向变化。
3下一步研究重点及建议
在系统分析特高压直流系统单极大地运行方式下，对高铁强、弱电系统运行安全性、稳定性等影响的基础上，必须分析工程距离、土壤结构等因素对特高压直流接地极入地电流在高铁牵引供电系统、信号系统中的分布情况。
3.1特高压直流对高铁牵引供电系统的影响
在分析特高压直流工程对高速铁路牵引供电系统的影响时，可重点研究AT供电方式下的铁路牵引供电系统、综合接地系统及特高压直流接地极回流系统。以上3个系统可以视为一个由位于地上的电阻网络和位于地下的多导体电流场构成的复杂系统[3]。在进行定量分析时，可采用诸如有限元和边界元算法及接地极理论等理论方法，计算直流接地极电流作用下的大地电流场分布以及地表电位分布，同时研究高速铁路牵引供电系统中的直流电流回路，计算出流入牵引变压器的直流电流数值、钢轨感应电势幅值等，进而明确高速铁路牵引供电系统中的各直流量分布情况[4]。总体而言，下一步研究可首先以造成牵引变压器的直流偏磁及钢轨感应电势升高的因素为立足点，完成特高压直流接地极电流对高铁单相工频交流牵引网络影响的数学建模，深入研究高速铁路牵引变压器中的直流电流通路及电流数值[5]，从而完成特高压直流对高铁牵引供电系统的影响的系统、定量评估。
3.2特高压直流对高铁通信、信号系统的影响
对于铁路信号来说，两条钢轨呈现串联电路的关系。信号系统通过绝缘节将钢轨分割为一定长度的区段，由区段一端的发送设备发出高频信号（数百赫兹至数千赫兹），经两根钢轨形成信息传递回路；在区段另一端设置信息检测设备，并通过信号电缆将监测到的信号传回车站。若铁路附近的直流接地极有电流入地，通过阻性耦合抬高了两条钢轨的电位，会在钢轨绝缘节两端之间产生电位差。此外，直流电流还可能造成变压器线圈的磁化，影响其工作性能。区间平衡钢轨回流的横向连接处采用扼流变压器，极易磁化，会受直流影响，继而可能影响轨道电路传输参数，进一步影响轨道电路的发送接收端设备的工作状况（目前运用于直流环境下时，该扼流变压器选择对应直流环境的设备），可以考虑对此变压器磁化进行相应研究。当入地电流扩散至信号电缆和通信电缆附近时，会通过电缆的接地装置抬高电缆铠装的电位。而电缆芯线部分的电位则为远端接地点的电位。两者之间的电位差加载到芯线与铠装之间的绝缘部分。当该电位差达到一定程度和一定时间后有可能损坏该绝缘部分。
3.3特高压直流对高铁钢轨电位的影响
基于目前已对牵引供电系统下钢轨电位的分布规律，以及牵引回流网络的主要电气参数对钢轨电位的影响规律进行了具体研究与探讨，对上下行钢轨横连、增设CPW线、利用支柱接触接地、特设埋地地线和特设集中接地等措施降低钢轨电位的效果进行了计算和分析，已掌握交流单相工频27.5kV供电制式下钢轨电位产生的机理及分布特征。在此前的研究基础上，可考虑增加直流特高压接地极对钢轨电位抬升的影响分析，研究同时考虑交流影响与直流影响的工况下，如何对钢轨电位进行定量分析。
3.4特高压直流对高铁系统中金属设施的电化学腐蚀影响
铁路附近与土壤有接触的金属物主要包括含有道砟的铁轨、综合贯通地线以及铁路设施（桥梁、隧道等）基础钢筋。因此，有必要研究直流入地电流的溢散特性，以明确特高压直流接地极入地电流对高铁系统中金属设施的电化学腐蚀影响。可采用接地仿真计算软件建立相应的极址土壤模型和线路电气模型，对流入输电线路各接地体的直流电流及分布特性进行全面、系统的研究，根据特高压直流接地极在设计寿命内的总安时数和运行方式，计算得到有道砟的铁轨、综合贯通地线以及铁路设施（桥梁、隧道等）基础钢筋的腐蚀量，从而根据极址土壤电阻率参数和系统额定电流，确定接地极与高速铁路的最短距离。
4结语
由于目前缺少充分的基础理论研究，当高速铁路与特高压直流工程邻近时，后者对高铁的影响方式与程度亟待进一步研究。本文通过对现有文献进行梳理，总结了今后进行定量研究的总体方向及具体可采用的方法，对精确指导高速铁路的路径规划和特高压直流工程选址，有效节省高速铁路与特高压直流工程投资，节约宝贵的土地资源有着重要的意义。
［参考文献］
[1]郭剑.直流接地极对电气化铁路的电磁影响[J].高电压技术，2013，39（1）：241-250.
[2]刘士利，李承彬，拾杨，等.直流接地极引起的电气化铁路牵引变压器直流电流计算[J].高电压技术，2017，43（7）：2161-2166.
[3]马志强，黎小林，钟定珠.直流输电大地电流对交流系统影响的网络分析算法[J].广东电力，2005，18（12）：4-8.
[4]叶会生.HVDC输电系统入地电流在交流系统中分布的研究[D].武汉：华中科技大学，2007.
[5]马为民.换流变压器中直流偏磁电流的计算[J].高电压技术，2004（11）：48-49.
作者:陈争 单位:中铁第四勘察设计院集团有限公司