大地的导电性

12.4.2.3 交流系统的钢轨—大地回路

在直流牵引系统中，由于钢轨对大地电位的存在而产生的地电流在大地中呈不均衡分布。在这种情况下，有效大地电阻等于零。相反，假设单相交流电气化铁道线路下面的土壤质量均匀，土壤中的电流密度将随深度呈指数函数递减。根据由式(10.20)定义的穿透深度δ可计算钢轨—大地回路中的有效电感和大地电阻。线路附近某一区域内电流的电磁耦合使大地电阻达到某一值，不再等于零，并与频率成正比，参见式 (10.11)。

图12.17表示了轨道下均匀土壤里的电流密度的特性曲线。这种模型以 [12.24] 为基础，并在 [12.25] 中对更深的土壤进行了讨论。但是，由于大地是由特性不同和深度不同的土壤层组成的，这种模型仅能对穿透深度幅度提供一个大概的基本估计。[12.26]中的研究表明，经过计算和测量，在50Hz单相交流电气化铁道线路下400m、并与轨道平行的矿山隧道里的导体环路中可感应出大约为50V的电压。

图12.17 大地中的电流密度J，呈现为与架空接触线的距离d的函数δ—渗透深度

图12.18所示为单相交流电气化铁道系统的电流纵向分布。在这里，为了简化模型，也假设是单边供电，负载距供电点的距离为L。通常情况下，负载两边的线路长度都要超过3～7km，这时，图示曲线适用于流过钢轨、大地的电流，也适用于钢轨和大地之间的过渡电流。从图12.18中可得到以下的基本定义和结论：

图12.18 由一个变电所单边供电的单相交流系统中的钢轨对大地电压和电流

a) 钢轨对地电压;b) 电流

—列车牵引电流I_trc在列车所在位置流入钢轨。

—该电流的主要部分通过钢轨流向变电所; 剩余部分经过钢轨向相反方向流去，也就是说，在图12.18中流向负载的右侧。

—有电流从负载两侧经钢轨流向大地。有轨对地电流的区段称为过渡区域，该区段长度称过渡长度L_trans。

—在靠近变电所的地方，一部分在大地中的回流流回钢轨，也就是在这里，地电流的一小部分，经过相关的接地系统，流回变电所。这部分电流的幅值主要取决于变电所基础的接地电阻。　表12.3中列出了变电所接地体的接地电阻及其相关接地电流的参考值。

表12.3 变电所接地系统的接地电阻R_E，经过接地系统流回变电所的回流I_EA(与总的牵引电流有关)

如图10.3所示，在交流牵引供电系统中、存在大地回流的情况下，两个导电环路中产生的感性耦合是有效的。流过大地的电流大小主要由两个导电环路中产生的感性耦合决定，受阻性耦合(单位长度漏泄电导的函数) 的影响却很校由于感性耦合的作用，在过渡过程已经衰减的地方，会有一个恒流配电区域。在这个区域，没有回流从钢轨流向大地，也没有回流从大地流向钢轨。根据第10.1.1.3节计算的单位长度阻抗可应用于这个区域。—钢轨对大地电压出现在变电所附近以及负载附近的过渡区内，在EN 50 122标准中，它被称为钢轨电位。

借用 [12.27] 中使用的模型，并假设电气化铁道线无限长 (也就是说大于5km)，根据图12.18，受电点左右两侧流入地中的电流值为

式 (12.12) 中的地电流包含了两个部分： 第一部分为恒流区的恒定电流部分，第二部分为变化电流，它是一个过渡电流值，呈现为到相关点的距离的函数。

相应地，钢轨电位或钢轨对大地电压为

式中——耦合因数;

——衰减传播常数或者钢轨—大地回路的系数;

₀——线路—大地回路的特性阻抗。

这些值由以下公式决定

其中， 根据式(10.26)，′