（机械工程专业论文）降低高速电气化铁道钢轨电位技术措施的研究.pdf

中文摘要 摘要：本文首先对钢轨电位的产生机理进行了分析，并对各种降低 钢轨电位技术措施进行了简化定性分析，其次，对牵引网数学模型及 其计算机解法和软件开发进行了简要说明，然后，给出了大量结合工 程实际的计算结果，显示了各种降低钢轨电位技术措施的效果。最后， 根据理论分析和对数值计算结果的分析，得出了结论。 本文在建立牵引网数学模型基础上，编制了牵引网分析软件 t r a n a s1 0 。利用这个软件，结合京津城际铁路的实际情况，进行了 大量计算，对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获得了新的认识。 本文所开发出的牵引网分析软件t r a n a s1 0 ，用该软件所进行的 大量计算表明，它可用于工程设计中有关设备参数选择。 关键词：高速铁路：钢轨电位；牵引网数学模型；数值计算：技术措施 分类号：t m 7 7 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h ep a p e rf i r s t l ya n a l y s i st h eg e n e r a t i n gm e c h a n i s mo f r a i lp o t e n t i a l ，a n dg i v em u c hs i m p l i f i e dq u a l i t a t i v ea n a l y s i sf o rk i n d so f t e c h n i e a lm e a s u r e sw h i c ha r eu s e dt or e d u c et h er a i lp o t e n t i a l t h e ni t g i v e sab r i e fi l l u s t r a t i o na b o u tt h et r a c t i o nn e t w o r km a t h e m a t i c a lm o d e l ， t h ec o m p u t e rs o l u t i o nm e t h o d ，a n dt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t t h e r e a f t e r ， i tl i s t sal o to fr e s u l t sw h i c ha r ec o m b i n e dw i t he n g i n e e r i n gp r a c t i c e s t h e s er e s u l t ss h o wt h ee f f e c ta b o u tk i n d so ft e c h n i c a lm e a s u r e st h a ta r e u s e dt or e d u c et h er a i lp o t e n t i a l i nt h ee n d ，w ec a ng e tc o n c l u s i o n sf r o m t h ea c a d e m i ca n a l y s i sa n dt h ea n a l y s i sa b o u tn u m e r i c a lc o m p u t i n gr e s u l t s t h ep a p e rh a sd e v e l o p e dt h es o f t w a r et r a n a s1 0o fa n a l y z i n g t r a c t i o nn e t w o r ko n t h eb a s i so f e s t a b l i s h i n g t r a c t i o nn e t w o r k m a t h e m a t i c a lm o d e l c o m b i n e dw i t ht h er e a li n s t a n c eo f 儿n g 儿nd p l l i n e ，i tu t i l i z e dt h es o f t w a r et oc a r r yo u tam e s so fc a l c u l a t i o n ，a n dg e t n e wc o g n i t i o n sa b o u tr a i lp o t e n t i a ld i s t r i b u t i n gr u l ea n dt h ee f f e c t sf r o m t h ep r i m a r ye l e e t r i c a lp a r a m e t e r so ft r a c t i o nn e t w o r k b ym e a n so fs o f t w a r et r a n a s1 0 ，al o to fc a l c u l a t i o nw h i c hi s f i n i s h e ds h o w st h a ti tc a nb eu s e dt oc h o o s et h er e l a t i o n a le q u i p m e n t p a r a m e t e r k e y w o r d s ：h i g hs p e e dr a i1 w a y ，r a i lp o t e n t i a l ，m a t h e m a t i c a l m o d e lo ft r a c t i o nl q e t w o r k ，n u m e r i c a lc a l c h l a t i o n ，t e c h n i c a l e o u n t e r m e a s u r e s c l a s s n 0 ：田m 7 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导f ) 日i ；o j 志明教授的悉心指导下完成的，刘志明教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 刘志明老师对我的关心和指导。 刘志明教授悉心指导我完成了本论文的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向刘志明老师表示衷心的谢意。 刘志明教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，各位同学对我论文中的研究工作给予了热情 帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够专心完成我的学业。 1 引言 近些年，我国开始大力修建客运专线，客运专线负荷电流和钢轨 一大地漏泄电阻都比较大，导致钢轨电位要比既有电气化线路高得多， 威胁到人身和设备安全，必须采取一定的技术措施把钢轨电位降低到 限制值以下。虽然国外已有一些实用措施，但这些措施的效果如何， 设计参数如何确定，国内还没有进行过系统的定量计算，缺乏深入的 研究，急需有我们自己的研究成果，提供给工程采用。 目前已开通运行的京津城际铁路以及正在设计、施工中的石太、 京石客运专线，均采用自耦变压器( a t ) 供电方式。a t 供电方式牵引 网网络结构复杂，要想获得钢轨电位与电流的严格分析结果，以便对 各种降低钢轨电位技术措施做出准确评价，必须要依赖于计算机程序 来完成。为此，本项目在建立牵引网数学模型基础上，编制了牵引网 分析软件t r a n a s1 0 。利用这个软件，结合京津城际铁路的实际情况， 进行了大量计算，对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获得了新的认识。进而，对上下行钢轨 横连、增设c p w 线、利用支柱基础接地、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。 研究结果表明，从经济与可靠性角度考虑，降低钢轨电位应首先 降低牵引网回流网络的纵向串联阻抗，即，上下行钢轨横连、增设c p w 线；其次，应该充分利用支柱、桥墩、线路旁建筑和结构等自然接地 体；在大地电阻率比较高的情况下，再特设埋地地线和沿线路特设集 中接地极。大量计算显示，在上下行回流网络充分横连，列车电流不 超过10 0 0 a 的条件下，只要牵引网回流网络对大地的综合漏泄电阻小 于3q k m ，就可以使能威胁到人身安全地方( 列车所在轨道电路闭 塞分区以外) 的钢轨电位小于6 0 v 。 所开发出的牵引网分析软件t r a n a s1 0 ，虽然最初目的是用于a t 牵引网的钢轨电压、电流计算，但软件设计时，也顾及到了牵引网其 它稳态性能分析，为今后的功能扩充预留了接口。因此，在牵引网基 础电气参数计算和数学建模过程中，所依据的相关理论和公式更为严 密和严格。考虑到计算结果数据量大，软件采用图形化输出，为方便 用户数据处理，也提供了文本文件输出。用该软件所进行的大量计算 表明，它可用于工程设计中有关设备参数选择。 本文首先对钢轨电位的产生机理进行了分析，并对各种降低钢轨 电位技术措施进行了简化定性分析，接着，对牵引网数学模型及其计 算机解法和软件开发进行了简要说明，然后，给出了大量结合工程实 际的计算结果，显示了各种降低钢轨电位技术措施的效果。最后，根 据理论分析和对数值计算结果的分析，得出了结论。 2 2 钢轨电位与钢轨电流 2 1 直接供电方式牵引网的钢轨电位与电流 u 牛 上。 p 0 _ d x一， i l 接触网 钢轨 钢轨 大地 图2 1 直接供电方式牵引网系统图 图2 1 是一个直接供电方式牵引网示意图，有负荷电流i l ，取出长度为 出的一小段，列出微分方程 一冬：乞厶，+ z l ：厶 一d i 2 x ：】，巧， ( 2 2 1 ) 一_ _ - = 】， ( ) 式中 v 2 x x 点的钢轨电位( v ) z 2 2 一钢轨自阻抗( q k m ) z 1 2 一钢轨与接触导线间的互阻抗( q k m ) y 一钢轨对地泄漏导纳( s k m ) 1 2 x x 点的钢轨电流( a ) 3 解上面两式联立的微分方程， ( a ) 0 至，之间( 0 x ，) ( b ) 0 以左( x ，) 可得钢轨电流： ，2 j = 一村。一t 1 - - 1 l ，l ( e - r x + e - r ( i - x ) ) l = 字厶( e 7 x - - e - r ( 1 - x ) ) 丘= 半，。( e r ( 1 - x ) _ e - r 。) 求得钢轨电流后，再利用式( 2 1 ) ，可求得钢轨电位： ( d ) 0 至，之间 ( e ) 0 点以左 ( f ) ，点以右 以上式中 工= 一t i - - h z 。( e - r x _ e - r u - x ) ) v ；x = 1 - z n - z o l l ( e r x _ e - r ( i - x ) ) 吆= t 1 - 7 1 z 。，。p r ( 1 - x ) _ e - r x ) z ， 刀= 二 z 2 2 7 = z 2 2 】， o k m ) 为钢轨传播常数 z o = z 2 2 y ( q ) 为钢轨特性阻抗 画出曲线表示，如图2 2 。 4 。萼1 - n 印叫 i 一壹 l o 1 一九r 。一，1 x ) 、 一_ 1 l c 1 二 点竺= ( 一f 州矾 2 一 1 0 1 一、 = 和舻，叫i 么 迄竺u 。l 一 ? ，、压砒俨1 1 ! z 。，1 ( 矿一e - ，卜x ) 从图2 。! 詈二由幅占钢纳电位最高，并且前者为正极性，后者为负极 ( 1 ) 负荷点和电源点钢轨电位最高并且目。召州止盼” 性。 ( 2 ) 电源点和负尊量钢轨电流最大；中部钢轨电流小，并且近似等于 感应电流恒定兰三钢抽申位表达式为一半纠沁r ( h ) ) ，它的大小是。 蝴。篡：= = 裂e x 删枷l舭鬟耋麓：；纠删-n ：一彳训r i e 一) ，如果z 较大司得 y 。一 2 1 轨电位非常有用。例如，取如下参数： 乙2 = 0 6 丝翼o n 互2 = 0 3 3 婴旦k m r s = 5 q k m ( y = 0 2 s k m ) i l = 1 0 0 0 a 可计算出 1 一一0 3 3 8 0 = 一 等, 4 0 6 3 4 。x5 枷o o 忽略n 的角度，则有近似值： ：一下1 - 0 5 5 1 7 3 2 3 2 5 1 0 0 0 ：3 89 7 ( v ) 3 2 5 。 ( 4 ) o 点以左钢轨电流表达式为_ l - - - t j 。0 声一e - r h ) ，如果，较大，近似 得与厶p 扭，它对距离x 的导数为_ l - - 厂n 厶弦芦，这表示的就是钢轨对地的漏 泄电流。当x = o 时，上式为_ l - - - n l 厂。易知，当钢轨一大地漏泄电阻小时， 传播常数，大，漏泄电流就大。 ( 5 ) 在0 一，间，钢轨电流曲线所包围的面积，由三部分构成，一块矩 形的和两块衰减的。随，的增大，矩形面积与，成比例增大，而两块衰减面 积变化不大。这样，当，较大时，曲线所包围的面积近似等于矩形面积。这 表明，较大时，就钢轨电流平均值而言，可近似认为等于n i l ；当，比较小 时，衰减面积作用增大，钢轨电流平均值要大于n i i 。 2 2b t 供电方式牵引网的钢轨电位与电流 图2 3 画出了一个b t 供电系统，图中标出了长回路电流i 。和短回路电 流i d 。就对钢轨电位与电流的影响而言，图2 3 ( a ) 的电路，可以等效为 图2 3 ( b ) 。其中，对于长回路电流i 。，接触导线与回流线电流相等，方向 相反，对钢轨的影响互相抵消，可近似认为它不形成钢轨电位与电流：而 短回路电流i d ，可看成是直供方式的电流。不同的只是幻比真正直供方式 的，在大多数时段短得多。易知，短回路内的钢轨电流要比n i l 大得多，短 回路外的钢轨电流要比真正直供方式小得多( 参见图2 2 ) ，相应地，钢轨 6 电位也要小得多。这表明，b t 供电系统的钢轨电位是所有牵引供电系统中 最低的。 l j l j “ 堕窒! 型一 r y r 、r1、r y 了1 ， 一。口mliooo 3 0 0 叮 芒2 0 0 o m 叱 1 2 5 0 加o 51 01 5加2 5 3 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 8 钢轨电位 1 01 5巧 d i s t a n c e ( k m ) 图5 9p w 线电位 5 3 增设c p w 线对钢轨电位的影响 增设c p w 线，即，每1 5k m 除上下行钢轨横连外，也连接p w 线。下 面仅给出钢轨电流、p w 线电流、钢轨电位、p w 线电位。 4 2 伽 伽 o 一一ieilco_o包乱 1 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 10 钢轨电流 o51 0 d i s t a n c e ( k i n ) 图5 11p w 线电流 4 3 2 0 2 53 0 一)iceji)q=叱 一一lu9jjno乱 ，、2 0 0 母 c o o 面1 0 0 叱 1 01 52 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 12 钢轨电位 1 01 5 箱 3 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 13p w 线电位 5 4 回流网络上下行横连降低钢轨电位的效果 基本计算条件：无埋地地线，p w 线绝缘安装；首末端上下行a t 并联， 珊 瑚 御 伽 o 一一量1u9loq也 j e 立銮适太堂童些亟堂焦途塞主筮鲑应盥丞盐蔑坌板 a t 点上下行钢轨及p w 线均横连；负荷位置在上行0 3 0 k m 变化。 在a t 段内，进一步分以下4 种计算条件： ( 1 ) 不采取任何横连措旋； ( 2 ) 上下行钢轨横连； ( 3 ) 上下行钢轨横连，a t 段中点设一个c p w ； ( 4 ) 上下行钢轨、p w 线全横连( 在基本结构a t 牵引网基础上增设c p w ) 。 负荷点钢轨电位随负荷位置的变化曲线如下。 d i s t a n c e ( k m ) 图5 14 回流网络的上下行横连降低钢轨电位的效果 5 5 钢轨一大地漏泄电阻对钢轨电位的影响 其他计算条件同5 3 ，钢轨对地漏泄电阻r g 取不同数值时的钢轨电位 情况如图5 15 。 4 5 o o 8 6 4 2 (一ibilco芑止=叮叱 、。一 面 ； c o o - = 叱 1 0 0 0 o5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 5 钢轨一大地漏泄电阻对钢轨电位的影响 5 6p w 线通过支柱接地时的钢轨电位 在钢轨一大地漏泄电阻r g = 1 0 0q 不变的条件下，p w 线通过支柱接地 支柱电阻r p 分别取不同数值时的钢轨电位情况如图5 16 ( 跨距按6 0 m ) 。 岂 一 型 芒 旦 。 三 面 叱 1 0 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 16p w 线通过支柱接地时的钢轨电位 5 7 设埋地地线( p w 线绝缘安装) 时的钢轨电位 若p w 线绝缘安装，增设埋地地线( g w ) ，并且每1 5k m 同上下行钢 轨和p w 线连接。这种情况下回流网络的电位和电流如图5 17 至图5 2 2 所 不o 2 = c 罢 己 = 罡 c 巴1 0 0 3 o ； 山 0 6 5 4 3 2 0 0 1 o o5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 17 钢轨电流 o d i s t a n c e ( k m ) 图5 18p w 线电流 3 0 1 0 1 8 0 0 05 d i s t a n c e ( k m ) 图5 19g w 线电流 d i s t a n c e ( k m ) 图5 2 0 钢轨电位 一v)luajjnqo 一人)ie挚010d i i 参 一一ieilcoloci=m叱 5 0 4 0 1 01 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 21p w 线电位 1 01 52 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 2 2g w 线电位 5 8p w 线通过支柱接地并设埋地地线时的钢轨电位 支柱电阻r p 取3 0q ，这种情况下回流网络的电位和电流如图5 2 3 至 4 9 寻 竹 o 一一一叮昼co_o山 0 一一lbllcolo厶o 图5 2 8 所示。 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 2 3 钢轨电流 o51 01 5 2 02 53 0 图5 2 4p w 线电流 一一_cojj30=仍叱 ， 一一芒ojj丁o正 一一叮；co_oq=叮叱 1 01 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 2 7p w 线电位 o51 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 2 8g w 线电位 5 9 特设集中接地时的钢轨电位 牵引网结构同5 2 中基本结构，但在21k m 的上下行钢轨横连处，接一 0 5q 或2q 的集中接地电阻，钢轨电位的变化情况如图5 2 9 所示。 5 2 幻 0 一一ib；colo乱 ； 竹 0 一一亘1u卫oo 4 0 0 3 芑2 0 0 o o 叱 1 0 0 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 2 9 钢轨电位 5 10 钢轨电位及地线电位等随负荷位置的变化 采用6 7 的设置，即有埋地地线，p w 线绝缘安装。负荷位置在上行0 3 0 k m 变化时，负荷点钢轨电位、负荷点地线电位、最大地线电位和最大地 线电流( 包括上行的及下行的) 随负荷位置的变化曲线如图5 3 0 至图5 3 3 所示。 1 01 52 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 3 0 负荷点钢轨电位 5 3 加 o 一一ieilco_o=叱 = 受 芒 旦 o o = 受 芒 旦 o ； o 5 0 5 0 o51 01 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 31 负荷点g w 线电位 o51 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 3 2 最大g w 线电位 = c 巴 ) ； o d i s t a n c e ( k m ) 图5 3 3 最大g w 线电流 5 1 1 牵引网短路时的电压、电流分布 采用5 7 的设置，即有埋地地线，p w 线绝缘安装。在上行2 0 2 5 k m 处 发生接触网一钢轨金属性短路，以下为有关电压、电位、电流波形( 短路 点短路电流5 8 0 9 a 。) 。 、一 c o 匕 3 o o c = 3 d i s t a n c e ( k m ) 图5 3 4 上行牵引网电流 5 5 | | 伽 蚕| | 耄 伽 。 o o5t o 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 3 5 下行牵引网电流 d i s t a n c e ( k m ) 图5 3 6 钢轨电流 黜 咖 姗 1 1 一一-cj130 o c = u o o 一一_ceij30=匹 o 0 o51 01 52 0 2 53 0 d i s t a n c e ( k r n ) 图5 3 7p w 线电流 051 01 52 02 5 3 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 3 8g w 线电流 5 7 一vlu9jjno也 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 051 01 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 3 9 接触网一钢轨电压 051 01 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 4 0 钢轨电位 5 8 鲫 啪 伽 蓦| 毛 伽 一一。口四liooo 一一ie；colo=叱 1 0 05 d i s t a n c e ( k m ) 图5 4 1p w 线电位 1 01 52 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 4 2g w 线电位 一一le；co芑q正 扣 一)imilcolo一o j e 塞銮逼太堂童些亟堂僮论塞主筮往廛围厘让篡盆抚 5 12 钢轨电位及地线电位等随短路点位置的变化 5 1 2 1 有地线时t r 短路 采用5 7 的设置，即有埋地地线，p w 线绝缘安装，但主变压器按9 0 m v a 。 短路点位置在上行0 3 0 k m 变化，发生接触网一钢轨金属性短路。短路点 短路电流、短路点钢轨电位、短路点地线电位、最大地线电位和最大地线 电流( 包括上行的及下行的) 随短路位置的变化曲线如下。 = c 巴 3 o ：= 3 2 石 七 o c c ，) 一 一- - c o ：= 日 叱 2 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 4 3 短路点短路电流 d i s t a n c e ( k m ) 3 0 o 5 0 0 图5 4 4 短路点钢轨电位 051 01 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 4 5 短路点g w 线电位 051 01 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 4 6 最大g w 线电位 姗 | 言 伽 一一ie；cm：loo 蓍 姗 暑 伽 俩 一一ie；coloqo 3 0 2 5 2 0 c 巴1 5 0 0 了 q 吾l o o o 5 0 0 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 4 7 最大g w 线电流 5 1 2 2 无地线 p w 线绝缘安装t - r 短路 不设埋地地线，p w 线绝缘安装，短路点钢轨电位随短路位置的变化曲 线如图5 4 8 所示。 - 一 ：口 c o = 毋 n - 舢 2 5 0 0 1 5 0 0 1 0 啪 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 4 8 短路点钢轨电位 j 丝塞蛮适太堂童些亟堂僮途塞5毯鲑廛囝厘让簋盆趁 s 1 2 3 无地线p w 线利用支柱接地t - r 短路 不设埋地地线，p w 线利用支柱接地，不同支柱接地电阻下短路点钢轨 电位随短路位置的变化曲线如图5 4 9 所示。 、- ， m ：二 c o o = n - 0 ；1 01 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 4 9 短路点钢轨电位 5 1 2 4 设单根地线t - r 短路 设单根埋地地线同设两根埋地地线相比较，短路点钢轨电位如图5 5 0 所示。 = 受 c 旦 o q = 叱 1 01 52 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 5 0 短路点钢轨电位 6 3 j 量塞交通太堂童些亟堂僮途塞一 蔓毯住廑用厘让篡盆板 t r 短路发生在设单根埋地地线一侧，与发生在另一侧时相比较，短路 点钢轨电位如图5 5l 所示。 、， 受 c o o = 毋 叱 5 1 2 5t - p w 短路 1 01 52 02 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 5l 短路点钢轨电位 发生t - p w 线短路时，短路点p w 线电位如下。 3 0 0 0 2 o 岁龇 t o 。t - 1 5 0 0 o 1 1 1 0 0 0 5 0 1 01 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 5 2 短路点p w 线电位 6 4 = 耍 芒 旦 o ； 也 3 5 3 0 2 5 1 0 5 o 51 01 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 5 3 短路点p w 线电位 5 1 2 6 在轨道电路闭塞分区内上下行p w 、g w 横连 在轨道电路闭塞分区内分别每隔5 0 0 m 和3 0 0 m 进行上下行p w 、g w 横连， 发生t - p w 线短路时，短路点p w 线电位如图5 5 4 所示。 岁剐 c o o 麦4 0 0 卧fp o t e n t i a la tt - p ws h o r tc i r c u i tp o i n t d i s t a n c e ( k m ) 图5 5 4 上下行p w 、g w 横连时短路点p w 线电位 5 13 多列车下计算 采用5 7 的设置，即有埋地地线，p w 线绝缘安装。共有4 列车，分别 在上行5 2 5 k m 、2 0 2 5 k m ，下行9 7 5 k m 、2 7 7 5 k m 处。相关的电压、电流曲 线如图所示。 = c e l 了 ) o c 一 3 0 o 51 0 1 52 02 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 5 5 上行牵引网电流 1 01 52 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 5 6 下行牵引网电流 6 6 一一_c竺jjo o c = c m o d 4 0 0 0 2 c 巴 丁 ) 麦1 0 0 o 051 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 5 7 钢轨电流 05 1 0 1 5 2 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 5 8p w 线电流 6 7 一一_cjj30=叱 1 5 0 1 0 0 5 0 0 o5 己2 3 0 0 0 西 旦 。 宏2 2 0 0 0 o o 2 1 0 0 0 1 01 52 02 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 5 9g w 线电流 051 01 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 6 0 接触网一钢轨电压 一v)luejnpo 4 0 o d i s t a n c e ( k m ) 图5 6 l 钢轨电位 o5 1 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 6 2p w 线电位 一)l毋ilc卫oq=毋叱 一一耍芒010q也 、- ， o 口 四 石 o 4 0 3 0 01 01 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 6 3g w 线电位 5 14 正馈线分裂对牵引网性能的影响 除正馈线由l g j 3 0 0 5 0 改为分裂式2xl g j l5 0 2 5 外，其它计算条件与 5 12 1 完全相同。有关曲线如图。 、- ， 芒 巴 ， j ) o e 一 3 51 01 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 6 4 上行牵引网电流 0 0 o51 01 52 02 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 6 5 下行牵引网电流 o51 01 52 02 5 3 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 6 6 钢轨电流 一一一c已_jjq oc=c、500 一一芒ojj30=叱 孑 = c 罢 云 o o d i s t a n c e ( k m ) 图5 6 7p w 线电流 051 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 6 8g w 线电流 一一luojj30正 2 2 m 蕾 1 0 0 8 0 己 6 0 西 4 0 0 051 01 52 5 3 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 6 9 接触网一钢轨电压 051 01 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 7 0 钢轨电位 一 一 一 一 一 一 一oopl一0oo 9 1 0 l l e 叱 、- ， o 旦 石 正 岁 = 詈 c 旦 & ； 9 4 0 3 0 0 1 0 o 05 d i s t a n c e ( k m ) 图5 71p w 线电位 o d i s t a n c e ( k m ) 图5 7 2g w 线电位 对正馈线不分裂与分裂两种情况的计算结果进行对比可知，正馈 线采用分裂导线，对第1a t 的吸上电流和网压影响明显，将有关数据 7 4 列于表5 1 中。当接触网采用载流承力索( 或带加强线) 时，正馈线分 裂有助于平衡t 线和p f 线的阻抗，能明显降低第一a t 的吸上电流和 改善网压；当采用三绕组变压器并省略变电所内a t ( 如采用二次中点 抽出式单相变压器、二次中点抽出式s c o t t 接线变压器或十字交叉接 线变压器) 时，能减少t 线侧绕组和p f 线侧绕组电流的不平衡，避免 变压器二次绕组容量的过分放大。 表5 1 正馈线分裂与不分裂的比较 不分裂分裂 项目 上行下行 上行下行 牵引网首端 2 3 8 32 4 0 1 网压 最低点 2 0 1 62 0 152 0 6 82 0 7 l ( k v ) 牵引网末端 2 0 4 92 1 0 6 第1a t 吸上电流 6 0 9 76 0 9 74 4 8 44 4 8 4 电流 牵引网首端t 线 14 8 611 l714 0 510 4 l ( a ) 牵引网首端f 线7 1 0 5 6 8 0 1 7 9 1 8 7 5 6 8 牵引网首端1 5 6 5 11 3 0 钢轨 中间a t 点3 1 6 63 4 3 0 电位 负荷点 8 3 3 98 3 3 8 ( v ) 牵引网末端 18 8 12 1 0 8 5 15 本章小结 利用编制的牵引网分析软件t r a n a s1 0 ，对上下行钢轨横连、增设 c p w 线、利用支柱基础接地、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。 7 5 6 结论 本文的工作，首先对钢轨电位的发生机理及各种因素对其影响的 规律，进行了分析；在搜集大量资料、选择合适的计算方法和利用最 新开发工具研制成功牵引网分析软件( t r a n a s1 0 ) 的基础上，结合 工程实际，进行了大量数值计算，重点研究了a t 牵引网降低钢轨电位 的各种技术措施的效果。课题的研究成果归结为两方面，一为所开发 的软件，二为降低钢轨电位的不同措施的效果分析。 牵引网分析软件t r a n a s ，能分析不同结构牵引网的电压、电流 分布。主要的创新及技术特色有以下几点： ( 1 ) 对于牵引网中的架空导线采用精确c a r s o n 公式计算串联阻 抗，推导了用于计算埋地裸导线自阻抗、自电位系数、互阻抗、互电 位系数以及埋地裸导线同架空导线之间互阻抗的计算公式。 ( 2 ) 计算接触线内阻抗，考虑了异形截面的影响，推导出了相关 的计算公式，能提高分析牵引网性能的精度。 ( 3 ) 在牵引网链型电路模型中，采用了基于矩阵函数理论的多导 体传输线精确等值丌电路，能连续计算牵引网电压、电流分布。 ( 4 ) 软件开发中，利用了面向对象( o o p ) 技术和关系数据库技 术，界面友好，计算可靠，扩展和维护方便。 在降低钢轨电位等方面，所得到主要结论如下： ( 1 ) 电气化客运专线因负荷和短路电流都比较大，钢轨一大地漏 泄电阻相对较高，其钢轨电位比既有电气化线路要高，为保证人身与 设备安全，必须采取措旋予以降低。复线a t 电气化铁路牵引网，通过 采用上下行钢轨横连、增设c p w 线、利用支柱基础接地、利用各种 建筑和结构作自然接地极、特设埋地地线和特设集中接地极等各种可 行措施，都能有效降低钢轨电位。 ( 2 ) 从经济与可靠性角度考虑，降低钢轨电位应首先降低牵引网 回流网络的纵向串联阻抗，即，上下行钢轨横连、增设c p w 线；其 次，充分利用支柱、桥墩、线路旁建筑和结构等自然接地体，降低牵 7 6 引网回流网络的对地综合漏泄电阻；最后，再特设埋地地线和沿线路 特设集中接地极，进一步降低纵向串联阻抗和对地综合漏泄电阻。 ( 3 ) 在牵引回流网络利用轨道电路两端充分横连的情况下，当负 荷点处于轨道电路闭塞分区中点时，钢轨电位值比处在两端时大得多， 而且这个差值基本不受该闭塞分区以外采取的降低钢轨电位措施的影 响，并主要取决于轨道本身的漏泄电阻，很难进一步降低。比较有利 的是，当列车处在轨道电路闭塞分区中点时，人员是接触不到的。建 议：钢轨电位限制值的考核，对正常运行，应该取运行列车所处闭塞 分区以外( 包括可能距负荷较远的a t 点) 的最高值。 ( 4 ) 对于牵引网的t - r 短路，钢轨电位的分布特征与正常负荷情 况类似，只是其幅值取决于短路电流。考虑到t - r 短路主要是机车顶 绝缘子闪络造成的，在轨道电路闭塞分区中点发生的t - r 短路所导致 的很高的钢轨电位值，也是人员接触不到的，也不宜作为考核值。 ( 5 ) 在牵引回流网络利用轨道电路两端充分横连的情况下，对于 t p w 短路，当短路点处于轨道电路闭塞分区中点时，p w 线电位很高， p w 线利用支柱接地，能有效降低这个电位；当需要进一步降低p w 线 电位时，需要在闭塞分区内特设集中接地极以降低p w 线对地漏泄电 阻，或增设埋地地线，在闭塞分区内每隔一定距离( 3 0 0 - - 5 0 0 m ) 进行 上下行p w 、g w 的横连。 ( 6 ) 大量计算表明，在上下行回流网络充分横连，列车牵引电流 不超过10 0 0 a 的条件下，只要牵引网回流网络对大地的综合漏泄电阻 小于3q k m ，就能使能威胁到人身安全地方( 负荷点所在轨道电路 闭塞分区以外) 的钢轨电位小于6 0 v 。 ( 7 ) 降低钢轨电位必然会导致地中电流的增大，过大的地中电流 可能会对线路附近的弱电系统造成不利影响。建议j 对于非专业人员 不可能接触到的地方( 如封闭的线路区间) ，钢轨电位的限制值应适当 放宽，这样可减少对弱电设备的不利影响，并能节省接地投资。 ( 8 ) 当接触网采用载流承力索( 或带加强线) 时，正馈线分裂有 助于平衡t 线和p f 线的阻抗，能明显降低第一a t 的吸上电流和改善 网压，也降低了变电所处的钢轨电位。当采用三绕组变压器并省略变 电所内a t ( 如采用二次中点抽出式单相变压器、二次中点抽出式s c o t t 接线变压器或十字交叉接线变压器) 时，能减少t 线侧绕组和p f 线侧 绕组电流的不平衡，避免变压器二次绕组容量的过分放大。 参考文献 【1 】渡边宽，持永芳文，l ，一少电位邑圣。抑制对策，铁道技术研究报告，n 0 1 0 9 0 ( 电气编第2 0 2 号) ，1 9 7 8 年9 月 【2 】辛成山，钢轨漏泄电阻对a t 供电系统电气特性指标的影响，铁道科学研究院 研究报告1 9 8 8 年1 2 月 【3 】梅卫群，江燕编著，建筑防雷工程与设计( 南京气象学院防雷工程技术中心组 编) ，气象出版社，2 0 0 4 年3 月 【4 】川濑太郎著，接地技术与接地系统，科学出版社，o h m 社，2 0 0 1 年8 月 5 】中华人民共和国电力行业标准，交流电气装置接地( d l r f 6 2 1 1 9 9 7 ) 【6 】杨金夕编，防雷接地及电气安全技术，机械工业出版社，2 0 0 4 年1 月 【7 】陈先禄等编著，接地，重庆大学出版社，2 0 0 2 年7 月 【8 】朱林根主编，注册电气工程师设计手册( 建筑电气部分) ，中国电力出版社， 2 0 0 5 年1 月 9 中铁电气化局集团有限公司译，电气化铁道接触网规划设计施工，中国 电力出版社，2 0 0 4 年1 月 【1 0 】铁道部电气化工程局电气化勘测设计处编，电气化铁道设计手册接触网，中 国铁道出版社，1 9 8 3 年2 月 1 1 】方大千等编著，简明电工速查速算手册，中国水利水电出版社，2 0 0 4 年9 月，第l 版 1 2 辛成山，a t 供电系统电气参数选择研究，铁道科学研究院研究报告1 9 8 8 年 1 2 月 【1 3 】周希章主编，电工技术手册，中国电力出版社，2 0 0 4 年1 2 月 1 4 】陈晓平主编，电气安全，机械工业出版社，2 0 0 4 年1 月 【1 5 】王海忠，信号系统防雷、接地及电磁兼容，铁道通信信号，v 0 1 4 0 ，n o 1 ，2 0 0 4 年1 期 【1 6 】高桥健彦著，图解接地技术，科学出版社，o h m 社，2 0 0 3 年9 月 【1 7 】沙斐等译，电气工程接地技术，电子工业出版社，2 0 0 4 年4 月 【18 】李良福著，拓展气象事业防雷减灾新领域，气象出版社，2 0 0 3 年4 月 1 9 】周志敏等编著，电子信息系统防雷接地技术，人民邮电出版社，2 0 0 4 年7 月 【2 0 】陈习莲编，u m 7 1 自动闭塞知识问答，中国铁道出版社，2 0 0 1 年4 月 2 l 】张铁增主编，信号工，中国铁道出版社，2 0 0 1 年9 月 【2 2 】袁成华编，信号设备故障分析与处理，中国铁道出版社，2 0 0 3 年3 月 【2 3 】上海铁路局组编，信号工( 提速区段信号维修、信号维修、驼峰信号维 修) ，中国铁道出版社，2 0 0 4 年6 月 【2 4 】铁道部人事司人才交流中心组编，现代铁路信号技术，西南交大出版 社，1 9 9 8 年1 2 月 【2 5 】林瑜筠主编，新型移频自动闭塞，中国铁道出版社，2 0 0 3 年6 月 2 6 】林培聪译，接地设备对轨道电路的影响，中国铁道出版社，1 9 8 6 年1 2 月 【2 7 】陈建泽，轨道电路防雷问题及解决方案，铁道通信信号，v 0 1 4 0 ，n o 1 0 ， 2 0 0 4 年l o 期 【2 8 】吴文麒编著，国外铁路信号新技术，中国铁道出版社，2 0 0 0 年9 月 【2 9 】林瑜筠等编著，铁道信号新技术概论，中国铁道出版社，2 0 0 5 年3 月 【3 0 】李润先编著，中压电网系统接地实用技术，中国电力出版社 3 1 薛瑞民译，电子系统防护手册电子设备的雷电及瞬态过电压防护，中 国铁道出版社，2 0 0 2 年8 月 【3 2 】黎连业等编，综合布线系统弱电工程设计与施工技术( 第二版) ， 电 子工业出版社，2 0 0 4 年3 月 【3 3 】方大干等编著，输配电速查