（电力系统及其自动化专业论文）电气化铁道工频感应过电压计算研究.pdf

苎蔓茎兰垄兰壁主笙圭 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d yt h e5 0 h zi n d u c t i o no v e r v o l t a g e s c a l c u l a t i o ni ne l e c t r i f i c a t i o nr a i l w a y s f o r e l e c t r o m a g n e t i c c o u p i n g m o d e r ne l e c t r i f i c a t i o nr a i l w a y sg e tf a s t e ra n df a s t e ra n d c a nt a k em o r ec a r g o f w i n d o wm o d er e p a i ra n dm a i n t e n a n c ei s w i d e l y u s e di n r a i l w a y ss y s t e m b u t t h eis s u eo fi n d u c t i o n o v e r v o i t a g eb e t w e e nt h ec a t e n a r i e sw i t h1 3 0p o w e ra n dt h e1 i n e s w i t hh i g hv o l t a g ea r i s ea n db e c o m es e r i o u sa ss u c ht r e n dg o i n g o n t h e r ea r em a n yw o r k e r sa n dp e o p l ea r ei n j u r e do rd e a df o r s u c hr e a s o ni nr a i l w a ys y s t e m s oi t sa nu r g e n tj o bt od o w e s h o u l dk n o wt h em e c h a n i s mo fi n d u c t i o nv o i r a g e sa n df i n da n a c c u r a t ea n de a s y w a y t oc a l c u l a t ei n d u c t i o n o v e r v o l t a g e s s u i t i n gp r o j e c t t h e ns o m es a f ea n de f f e c t i r es a f e g u a r d sc a nb e r a i s e d i nt h i s p a p e r w e f i r s t l y i n t r o d u c et h em e c h a n i s ma n d s t r u c t u r eo fe l e c t r i f i c a t i o i l r a i l w a y s ，t h e d i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n tp o w e rs u p p l ys y s t e m s m a i ns t y l e s a n ds i t u a t i o n so f d a n g e r o u s o fi n d u c t i o n v o l t a g e i n e l e c t r i f i c a t i o nr a i l w a y sa r es t u d i e d t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e dt h er e l a t e dt h e o r i e sa n dt o o l si n s u c hr e s e a r c h t h e r ea r et w ow a y st os t u d yi n d u c t i o nv o l t a g e ： 5 北京交通大学硕士论文 c i r c u i ta n df i e ld w eg e tt h ew a yt of i n dt h em u t u a li n d u c t a n c e a n dd i s t r i b u t ec a p a c i t a n c ea n ds h o wt h er e l a t i o nb e t w e e nt h e c o n d u c t a n c eo fg r o u n da n dt h em i r r o rd e p t ho f1i n e sw h i c ht a k e t h eg r o u n da sr e t u r nc i r c u i t i nc h a p t e r w em a i n l yi n t r o d u c es o m e s p e c i a l i s s u e si n s t u d y i n gt h ei n d u c t i o nv o l t a g eo fe l e c t r i f i c a t i o nr a i i w a y sa n d h o wt os o l v es u c hq u e s t i o n si n c l u d et h ee f f e c to ft h eb a s ea n d t h ec a t e n a r i e s t h i sp a p e rp o i n to u tt h a tt h ec a r s o nf o r m u l a s h o u l dn o tb eu s e dw h e nw ec a l c u l a t et h ei n d u c t i o nv o l t a g eo f t h ec a t e n a r i e sw h e r et w o g r o u n d 一1 i n e s a r ef i x e d i ns u c h c o n d i t i o nt h em e t h o do f d i s t r i b u t i n gp a r a m e t e r s h o u l db e c o n s i d e r e d a tl a s t ，t h ec o n c l u s i o n sa r et e s t e db yt h ec o m p a r i n gb e t w e e n t h ec a l c u l a t i o nd a t aa n dt e s td a t a k e yw o r d s i n d u c t a n c e e l e c t r i f i c a t i o nr a i w a y s ，e l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n g ， v o l t a g e ， c o n d u c t a n c ef a c t o ro f g r o u n d ， m u t u a l 6 些蔓奎望查兰堡主笙墨 1 1 电气化铁道概况 第一章绪论 1 1 1 电气化铁道的发展概况 铁路运输是当前我国大宗远距离客货运输的主要方式，运输的载 体是列车，而列车的牵引来自机车，我国目前实际使用的机车有蒸汽 机车、内燃机车和电力机车三种，与此对应的铁路牵引方式也有三种： 蒸汽牵引、内燃牵引以及电力牵引。 出于蒸汽机车存在速度慢、功率小、效率低和污染环境等一系列 缺点，已经逐渐退出历史舞台，仅仅在一些地方窄轨铁路和厂矿企业 还得到一定应用。 内燃机车相对于蒸汽机车有了很大进步，但是依然无法避免效率 和环境问题，最重要的问题是内燃机车的能量来自宝贵的石油资源。 中国作为一个石油消费大国，国内的石油资源却相对短缺，2 0 0 3 年中 国已经超过日本成为全球仅次于美国的第二大石油进口国，国际能源 署的数据显示，到2 0 3 0 年，进口石油占中国石油总需求的百分比将从 2 0 0 2 年的3 4 激增至8 0 以上。到那时，中国的原油日进口量会接 近1 0 0 0 万桶，相当于美国2 0 0 0 年的日进口量。而世界的勘探石油储 量却r 渐减少，且掌握在少数国家手中，过分依赖石油必然会使我国 在战略上受制于人处于不利地位，因此，从长远来说内燃机车不应该成 为我国铁路的主力牵引方式。 北京交通大学硕士论文 电力机车使用清洁的电力能源，电力作为一次能源可以源自水能、 核能以及火力发电，甚至风力地热，某种程度上可以说来源广泛，用 之不竭。电力机车的电源来自电网，本身不带能源，大大减轻了机车 的重量，简化了机车的设计，加上电能充足，可以在列车上加装各种 电器，如今空调、电视等等，大大改善了列车的乘车条件。最重要的 是，电力机车具有功率大，速度快等优点，当前世界各国除英国外研 制的高速准高速铁路均为电力机车( 包括磁悬浮列车) ，可见采用电力 牵引的电气化铁路是当前铁路的发展方向。 表1 - 1 三种牵引方式的比较 t a b l e1 - 1c o m p a r i s o no ft h r e et r a c t i o nm o d e s 运输能力单线双线 f半自动闭塞自动闭塞 、科t ，a ) 坡度 牵引方式 电力牵引 2 7 0 06 2 0 0 内燃牵引 2 0 0 05 6 0 0 6 蒸汽牵引1 4 0 03 6 0 0 电力牵引 1 4 0 03 4 0 0 内燃牵引9 0 03 2 0 0 1 2 。 蒸汽牵引7 0 01 9 7 0 电气化铁道是应用电能作为牵引动力的一种现代化交通运输工具 2 1 。从1 8 7 9 年柏林贸易展览会展出世界上第一条电气化轨道至今已经 有一百多年的历史。其间电气化铁道经历了直流到交流，低压到高压 北京交通大擘硕士论文 的过程，其间电气化铁道因为它的效率高、运量大，速度快以及清洁 等优点在世界各国得到飞速发展。我国的第一条电气化铁路始建于 1 9 5 8 年，宝成铁路的宝鸡至凤州段，至2 0 0 0 年我国电气化铁路已经 有1 5 0 0 0 余公里，约占全部铁路营运里程的四分之一。从2 0 0 1 年起， 我国开始实施第十个五年计划。在“十五”期间，完成“九五”期间 已经开工的几条线外，还将修建宝兰二线、广深四线、津沈线、京沪 线、沪杭线、浙赣线、郑徐线、胶济线、新月线、洛襄线、石怀线、 武张线、沟海线等既有线电气化铁路和宁西线、渝怀线等新线电气化 铁路，建设里程达9 0 0 0 多k m 。预计到2 0 0 5 年，我国电气化铁路总里 程将达到2 0 0 0 0 k m ；到2 0 1 0 年将达到2 6 0 0 0 k m 。 1 1 2 电气化铁道的构成 电气化铁道供电系统的原理如下图1 - 1 所示，电能从电厂发出以 后，经过变换电压，通过高压输电线或者先经过电力系统的变电所再 经过高压输电线到达牵引变电所，经过变换电压通过馈电线输送至接 触网，电力机车通过受电弓从接触网获取电流带动自身牵引电机驱动 机车前进，最后电流通过钢轨以及回流线回到牵引变电所，图中表示 出了电流的方向。以上个部分构成了整个电气化铁道供电系统的一次 回路。其中1 、2 、3 、4 、5 称为电气化铁道的一次供电系统，主要完 成发电、变电和输电功能。6 为牵引变电所，主要功能是把电力系统 三相l l o k v 或2 2 0 k v 交流电流变换为机车所使用单相2 5 k v 交流电流。 北京变通大学硕士论文 图1 - l 电气化铁道供电系统腺理图 f i g u r e1 - 1e l e c t r i f i c a t i o nr a i l w a y sp o w e rs u p p l ys y s t e m 1 发电机；2 电厂变电站；3 一电厂母线；4 电力系统变电站；5 - 变电站 母线；6 牵引变电所；7 接触网：8 一受电弓；9 一回流线；1 0 - 相分段；1 1 一 钢轨：1 2 高压输电线；1 3 一馈电线；1 4 接地网；1 5 高压输电线 其中接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式 的输电线路。其由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部 分组成。 接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件。接触悬挂通 过支持装置架设在支柱上，其功用是将从牵引变电所获得的电能输送 给电力机车。 支持装置用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其它建筑物。 根据接触网所在区间、站场和大型建筑物而有所不同。支持装置包括 北京交通大学硕士论文 腕臂、水平拉杆、悬式绝缘子串，棒式绝缘子及其它建筑物的特殊支 持设备。 定位装簧包括定位管和定位器，其功用是固定接触线的位置，使 接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线与受电弓不脱离， 并将接触线的水平负荷传给支柱。 支柱与基础用以承受接触悬挂、支持和定位装置的全部负荷，并 将接触悬挂固定在规定的位置和高度上。我国接触网中采用预应力钢 筋混凝土支柱和钢柱，基础是对钢支柱而言的，即钢支柱固定在下面 的钢筋混凝土制成的基础上，由基础承受支柱传给的全部负荷，并保 证支柱的稳定性。预应力钢筋混凝土支柱与基础制成一个整体，下端 直接埋入地下。 牵引变电所的功能是将三相的1 i o k v 高压交流电变换为两个单相 2 7 5 k v 的交流电，然后向铁路上、下行两个方向的接触网( 额定电压 为2 5 k v ) 供电，牵引变电所每一侧的接触网都称做供电臂。该两臂的 接触网电压相位是不同相的，一般是用耐磨的分相绝缘器。相邻牵引 变电所间的接触网电压一般为同相的，其间除用分相绝缘器隔离外， 还设置了分区亭，通过分区亭断路器( 或负荷开关) 的操作，实行双 边( 或单边) 供电。 我国的电气化铁道采用单相工频交流制，牵引变电所沿铁路沿线 配置，通过馈电线向接触网输送电流，为了平衡电力系统的三相电流 以及利于牵引供电系统的保护动作，通常在接触网的中间断开，分为 互相绝缘的两部分，由两边的变电所分别供电，每一部分称为一个供 电区，也称为供电臂，供电臂之间通常电压相位不同，需要有分段绝 缘装置连接，称之为相分段，如图1 - 1 中的1 0 。有的在两个供电臂之 间设有分区亭，分区亭中设有开关装置，必要时可以闭合使两个供电 北京交通大学硕士论文 臂连接，我们称之为越区供电。 电气化铁道的供电方式可以有两种分类方法1 5 1 1 7 1 ： 1 1 2 1 按照供电臂的接线方式区分供电方式 ( 一) 单边供电 在电气化铁道上行驶的机车，只接受一个方向供电臂牵引变电所 的电流，称之为单边供电。当出现事故时，只会影响到一个供电臂， 波及范围小，且馈线保护装置相对简单可靠，因此我国现有铁路大都 采用单边供电。 ( 二) 双边供电 相对于单边供电，双边供电方式的机车通过开关连接两个临近供 电臂可以获取前后两个变电所的电流。这种情况下机车可以获得较高 的供电质量，即电压电能损失较少，同时设备的负荷也较为均匀，但 是继电保护设备也相对比较复杂，而且由于电力系统中的一部分电流 也会把接触网作为联络线通过，不利于铁路供电系统同电力系统的电 费结算，因此在我国般不采用这种方式。需要说明的是，随着研究 的深入，高电压网络覆盖的增加，加上同电力系统的协调，双边供电 方式不但是很可靠的供电方式，而且对于大电网的稳定也会起到很好 的作用，因此前苏联东欧地区就是采用双边供电方式，我国的这项研 究也在进行当中1 悯。 北京交通大学硕士论文 1 1 2 2 按照接触网的配置形式和对周围环境的防护 效果区分 ( 一) 直接供电( o f d i r e c tf e e d ) 方式 直接供电方式是将从变电所的电能通过接触网直接供给电力机 车，而回归电流则通过钢轨和大地直接回到牵引变电所，图1 - 1 就是 典型的d f 方式，这种供电方式结构简单，工程投资、运营成本、事 故风险和检修工作量都是最小的，但是它对邻近的通讯线路的干扰影 响严重，钢轨电位也相对较高，因此一般应用于偏远的人口及工业 稀少地区。这种供电方式可以很方便的改造为d n 方式。 直供方式的接触网配置方式如下图所示，主要考虑“v ”天窗作 业时停电接触网的感应电压，它的感应电压的计算是最基本的，只需 要引用前面的公式就可以了。 北京交通大学硕士论文 辛矗： 3 i 占 拄t 一三堕z ! 煮囊囊瓤。，纛熟、 么= ；= 宴：强；垂萎强：蠹：j ；! ：& vz 童噩基童薹董蔓童童童赵 图1 2 直供方式接触网配置图 fig u r el 一2c a t e n a r i c so fd f 1 、钢轨2 、接触线3 、承力索4 、路基 ( 二) 带回流线的赢接供电( d n d ir e c tf e e dw i t hr e t u r n c o n d u c t o r ) 方式 为了保留直接供电方式的优点，克服其不足，在其结构上增设与 轨道并联的架空回流线，就成为带回流线的直接供电方式，如下图1 2 所示。相对于直接供电方式，d i n 方式有以下改善： 1 、由于回流线的阻抗远小于钢轨大地回路，因此原来流经轨道大 地的电流，大部分改由回流线流回牵引变电所，其方向与接触网电流 方向相反，且回流线与接触网距离较近，因此减小了对邻近的电磁影 北京交通大学硕士论文 响。 2 、牵引网阻抗和轨道电流都有所降低，从而减小了电压和能量的 损失。 图1 - 3 带同流线的直接供电方式原理图 f i g u r e1 - 3 d ir e c tf e e dw i t hr e t u r nc o n d u c t o r d n 方式接触网配置图可以采用第三节b t 方式的接触网配置图。 ( 三) 自耦变压器供电( a i a u t o t r a n s f o r m e rf e e d ) 方式 自耦变压器( a t ) 供电方式如图1 3 所示，它利用每隔一定距离 ( 一般为l o k m ) 安装的2 ：1 的自耦变压器，使接触网和正馈线分别接 在2 2 7 5 k v 电源系统的火线上，钢轨则接在系统的中性点，电力机 车负荷载接触网和钢轨之间，电压为2 7 5 k v 。 在理想状况下，设自耦变压器的阻抗为零，在每个a t 处，由于接 触网钢轨和正馈线一钢轨两者的线圈匝数相同，根据楞次定理，二者 中的电流大小相同方向相反，因而在没有机车的a t 段，钢轨电流为 零，同一处的接触网和正馈线的电流大小相同方向相反，二者的电磁 北京交通大学硕士论文 效应恰好抵消。当然在有机车a t 段，电磁效应依然存在，但加上一 些别的措施【5 l ，可以减得很小。 a t 供电方式不但是一种电气化铁路减轻对邻近线路干扰影响的 有效措施，而且对牵引供电系统有较好的经济技术指标，比如它的牵 引网阻抗是以上几种供电方式中最小的，因此被许多发展电气化铁路 的国家研究和采用，特别是对电压质量要求高的重载高速铁路，我国 的北京秦皇岛、大同秦皇岛、郑州一武昌等电气化铁路都是采用a t 供电方式。 a t 供电方式结构复杂，投资比较大，相应的保护装置以及维护工 作也很复杂，对其进行理论分析也较为复杂，因此多被用在重要区段 或者对电磁要求较高的区段。 a”a-r2a t 3 图1 4 自耦变压器供电方式原理图 f i g u r e1 - 4 a u t o t r a n s f o r m e rf e e d a t 方式的接触网结构复杂，配置方式如下图所示： 。苎蔓奎璺垄鲎堡主堡墨 0 9 m i3 。4 7 mi i 悻卜!上行下行 1ji 一 千 ! 要g 一心 卜j ；1 0 4 - o !1 一2 0 m - - 卜i g g 坼一一一一l 一一一一 5 0 8 7 5 m 图卜5a t 导线配置图 f i g u r el 一5c a t e n a r i e so f a t 1 、钢轨2 、接触线3 、承力索4 、保护线5 、正馈线6 、路基 导线参数采用下表： 表卜2a t 方式接触网参数 t a b l e1 2 c a t e n a r i e s p a r a m e t e r o f a t i导线名称型号计算半? k e r a l承力索t j 一1 2 7 0 7 2 0 - 1 7 - - 北京交通大学硕士论文 接触导线 t c g 1 1 00 6 1 7 正馈线i a 2 4 00 9 9 5 保护线 l g j 一7 00 5 7 0 钢轨 p 一5 09 6 5 ( 四) 吸流变压器供电( b t - b o o s t e rt r a n s f o r m e rf e e d ) 方式 这种供电方式，在接触网上每隔一段距离装一台吸流变压器( 变 比为1 ：1 ) ，其原边串入接触网，次边串入回流线( 简称n f 线，架在 接触网支柱田野侧，与接触悬挂等高) ，每两台吸流变压器之间有一根 吸上线，将回流线与钢轨连接，其作用是将钢轨中的回流“吸上”去， 经回流线返回牵引变电所，起到防干扰效果。 b t 方式在机车通过b t 时，接触网是不连续的，会发生拉弧现象， 烧蚀受电弓，加上由于大地回流及所谓的“半段效应”，b t 供电方式 的防护效果并不理想，同时“吸一回”装置造成接触网结构复杂，机 车受流条件恶化，近年来已较少采用。 焘 引 变 电 所 卫 b tb t 同流线 、。r 一l 。j 厂一 k 型 7 “l f y 7 接触 7 i i 一 一 l t ， 网f r 厂n 钢轨 图1 - 6 吸流变压器供电方式原理图 f i g u r e1 - 6b o o s t e rt r a n s f o r m e r m o d e b t 方式接触网的配置方式如下图： 北京交通大擘硕士论文 辛口： 立堕一芒。一三些，：3 4 g 1 图1 - 7b t 方式接触网配置图 f i g u r e 1 7 c a t e n a r i e so f b t 1 、钢轨2 、接触线3 、承力索4 、回流线5 、路基 表卜3b t 方式接触网配置参数 t a b l e1 3 c a t e n a r i e s p a r a m e t e r o f b t 导线名称型号计算半径c m 承力索 t j 一1 2 70 7 2 0 接触导线 t c g 1 1 00 6 1 7 回流线 i a 1 8 50 8 6 0 钢轨 p 5 09 6 5 1 9 北京交通大学硕士论文 ( 五) 同轴电力电缆( c c c o a x i a ic a b i a ) 供电方式 这是，一种新型的防干扰供电方式，适用于电气化铁路穿越大城市 或对净空要求较高的桥梁、隧道等特殊地段。 同轴电力电缆方式具有优良的防干扰效果，主要是由于同轴电缆 本身的特性决定的。由于同轴电力电缆内外导体是同轴的，彼此绝缘， 其间相距很小，这是任何架空线所不能比拟的。近似的可以看作二者 的耦合系数为l ，互感系数为最大值，当内导体通过一定的电流时， 外导体会感生出大小相等方向相反的电流。因此在用它作为电气化铁 到供电回路时，对外的电磁影响会很小。 同轴电力电缆沿着铁路埋设，电缆的内导体作为馈电线与接触 网劳联；电缆的外导体作为回流线与钢轨相联，每隔一定的距离( 约 5 l o k m ) 分成个电缆供电分段。 从图1 8 中可以看到，当机车位于连接线处的时候，牵引电流将立 即经钢轨、连接线和电缆外导体流回变电所。在整个供电区内，接触 网和钢轨基本不存在电流，只在电缆内外导体中存在电流，故对外界 的电磁影响会很小。但是当机车处于其它位罱时，在机车和最近连接 线之间的钢轨和接触网存在牵引电流，这部分电流还是会对周围的环 境产生电磁影响。 同轴电力电缆供电方式在防干扰等性能上优于其它供电方式，但 是由于造价昂贵限制了它的广泛应用。 北京交通太学硕士论文 查 引 变 电 所 接触网 一i j f 钢轨l 幽 连 接 线 万li+ 、l 电缆外导体 i 电甥 仁山一一4 - - i - 一- - 一 。 图1 - 8l 司轴电力电缆供电方式腺理图 f i g u r e l - 8 c o a x i a ic a b i em o d e 综上所述，早期电气化铁路均采用直接供电方式，为避免和减少 对外部环境的电磁干扰，研发了b t 、a t 和d n 供电方式，就防护效 果来看，a t 方式优于b t 和d n 方式，就接触网的结构性能来讲，d n 方式最为简单可靠。随着通信技术的快速发展，光缆的普遍应用，通 信设施及无线电装置自身的防干扰性能大为增强，考虑到接触网的运 行可靠性对电气化铁路的安全运行至关重要，所以通常认为，一般情 况下d n 供电方式为首选，在电力系统比较薄弱的地区，经过经济技 术比较，可采用a t 供电方式，b t 供电方式则尽量少采用或不采用。 1 2 电气化铁道感应过电压及研究现状 牵引网工频基波电流和电压对邻近接触网、通信线以及其他邻近 建筑、装置所产生的电磁影响，可能使人和设备受到损害，称之为危 险影响，此时电磁影响感应的电压称之为危险电压。 牵引网谐波电流对对通信线路产生的杂音干扰影响，这种影响也 北京交通大学硕士论文 属于电磁影响范畴，但由于是高次谐波，在音频范围内对通信设备的 正常运行造成障碍，因此称为干扰影响。 电气化铁路的干扰影响和危险影响会导致通信干扰，设备出错， 严重的会导致设备损坏，人身伤亡。随着通信技术的发展，现有的长 距离通信大都采用光纤，因此干扰影响已经不像以前那么严重，危险 影响成为主要问题，我国铁路系统每年都会有因为感应电导致施工检 修人员伤亡的事故，铁路系统迫切需要一套有效的分析计算危险感应 电压的方法。 在电气化铁道检修过程中，作业人员一般采用在线路两端装设接 地线的方式作为安全措施，但是在工程实践过程中，由于在接地线之 间的停电线路与带电的线路依然存在电磁感应，在停电线路上依然存 在感应过电压，导致工人被电击伤或者因为麻电而导致高空坠落，因 此接地线最大间距的确定是安全生产的保证，迫切需要一个适合的理 论数据和简易的工程计算方法。 因此研究电气化铁路电磁感应的机理，确定简单可靠的感应电计 算方法，制定有效的保护措施是很有必要的。 我国很早就注意到电气化铁道的电磁影响问题，1 9 6 1 年水利水电 部、铁道部、邮电部队及通信兵部联合颁发了防止和解决电力线路 对通信、信号线路危险和干扰影响的原则协议( 简称4 部原则协议) ， 制定了相应的应用范围，计算方法和允许标准等，成为我国第一部解 决强弱电线路系统之间影响的依据性文件。但是随着技术的发展，原 有的标准已经有些不适合，需要进行相应的研究修订哪唧。 国际电报电话咨询委员会( c c i t r ) 于1 9 7 8 年出版了防治电力 线路对电信线路危害影响防护导则( 简称c c i t t 防护导则) ，并在 1 9 9 3 年进行了修改，现在是一个比较权威的标准。 北京交通大学硕士论文 上世纪八十年代以来，我国参考4 部原则协议和c c i t r 防护 导则，逐步制定了相应的行业规范标准，但是还有很多地方仍然不太 完善，需要不断补充改进。 上述的各个文件集中在电力系统领域输电线路的影响，对于铁路 接触网的论述比较少且语焉不详，尤其是对于电气化铁道感应过电压 对于人身伤害的论述和保护规程没有具体展开，也没有可以参考的数 据。由此导致的是查阅所有关于电气化铁道检修施工安全规程，找不 到可以参考的数据，因此在现场中出现了很多土法上马的措施，而且 差异很大，比如在郑州铁路局的接触网检修过程中，工人们一般会把 接地线间距设为5 0 ( 0 ，而在兰州铁路局则采用1 0 0 0 2 0 0 0 m ，即使如 此，事故还是不断发生。接电线间距过大不能保证安全，间距过小， 由于铁路线路停电时间有限，会浪费大量的时间人力，导致效率低下， 因此工程现场迫切需要适合的参考数值来保障铁路的正常生产秩序。 1 3 本文研究内容 本文主要做以下工作： ( 一) 、分析电气化铁路的感应过电压产生的机理； ( 二) 、电气化铁道接触网电气参数的计算研究： ( 三) 、研究危险影响所产生的感应过电压的简化计算的方法； ( 四) 、确定在生产过程中在不同情况下感应过电压的计算分析； ( 五) 、制定在生产施工过程中可靠的保护方法，特别是确定施工中接 地线的安全间距； ( 六) 、利用现有的试验数据对这些理论进行验证分析，确定理论结论 北京变通太学硕士论文 的误差和可信度。 1 4 本文研究成果及贡献 本文在研究的过程中，把过电压理论引入了感应电的研究，研究 并确定了接触网电容电感参数的计算方法，采用路和场的方法来计算 感应电，并且从理论上确定了在电气化铁道施工过程中接地线的正确 设置方法，并且利用现场试验进行了实测验证，这些在电气化铁道领 域都是首次提出或进行，此外对电气化铁道工程现场遇到的特殊问题 进行了分析处理，对有关规程的制定具有一定的参考价值。 1 5 小结 本章主要论述了电气化铁道的发展和现状，以及电气化铁道的基 本结构和供电方式，引出了电气化铁道感应过电压的研究课题。 北京交通大学硕士论文 第二章电气化铁道感应过电压产生的原因和分类 2 。1 过电压的定义 由电源系统外部( 主要是雷电) 和系统内部工作造成的工作电压超 过正常工作值，即称为过电压【4 0 l ，此时的工作可以理解为设备的工作， 也可以理解为工作人员在设备上的工作。对于已经停电的接触网，它 的电位应该是零，如果此时由于其它线路的影响，它的电压高于零， 根据过电压的概念，此时的电压即为过电压，过电压并不一定是很高 的电压，只要高于标准允许的电压即为过电压。 2 2 过电压产生的基本原理 交流电气化铁道的接触网以及钢轨由于有电流通过，形成一个巨 大的电磁系统，也可以说是巨大的电磁元件，会对邻近的接触网、电 力、通信线路以及一些电气电子设备产生电磁影响，如下图2 1 所示。 北京交通大学硕士论文 图2 - 1 接触网间电磁耦合不蕙图 f i g u r e2 - 1e l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n g o fc a t e n a f i e s 带电接触网通过电耦合和磁耦合使停电接触网的电位不再为零， 从而产生在停电接触网上的电压即为感应过电压。 在本文中静电感应电压和电容耦合感应电压指的是同一意义，磁 感应电压和电感耦合感应电压也是同一意义，希望读者注意。 2 3 复线区段的感应过电压 随着我国电气化铁路由山区向平原转移，由单线向双线转移，由 运量少向运量大的区段转移后，电气化铁道的维修工作也与日俱增。 和国外的情况相仿，我国双线电气化区段经常在列车运行图中开设“天 窗”，在这期问，上、下行均停止列车运行，运输部门对此很有意见。 但是电气化铁路区段如不经常维修，若发生事故，则对列车运行所产 北京交通大学硕士论文 生的影响将更大。如1 9 9 5 年在石一太线上，因当时接触网绝缘子受到 污染，造成大面积停电事故达数个小时。为了减少停电维修时间，国 内目前在向“v ”型天窗发展，即双线中的一条线停电，另一条线路 仍开通运行。这样对线路的运输能力影响较小，停电后积压的列车也 较少，须恢复到列车正常运行图的时间紧密运行时间也就缩短了。 由于提高了线路的通过能力，受到运输部门的欢迎。但为能开通“v ” 型天窗，还得在接触网供电系统中完成一系列改造工作，主要是保证 上、下行线问的电连接一定要分开。其工作前提是“v ”型天窑时停 电维修线路的感应电压不会危及人身的安全。因此，“v ”型天窗时停 电检修线路感应电压的大小的计算是很有必要的。 在铁路复线区段接触网属高压平行高架电力线路，其分布情况见 下图2 2 。 图2 - 2 复线接触网分布图 北京变通大学硕士论文 p l g u r e2 2c a t e n a r i e so fi l l t l i t i p l et r a c ke l e c t r i f i c a t i o nr a i l w a y 复线接触网带电部分距离因具体情况和供电方式的不同而不同， 最短的是一个电分断的长度，最长应该是一个供电臂的长度。在正常 停电检修或事故抢修时，在“v ”型天窗时停电维修线路时，只办理 需检修或故障的单条接触网停电手续，平行架设的相邻接触网仍带电 运行，这将在停电的接触网上感应较高的感应电压，此电压将给作业 人员带来如下问题： ( 1 ) 由于感应电压较高而使作业人员在验电接地和操作验电时无 法确认是未断开电源还是感应电。 ( 2 ) 由于作业人员对接触网上的纵感应电动势的分布无法确定， 在检修区段较长或作业过程中开断接触网导线、承力索、电连接线时， 无法采取有效的安全措旌，检修人员将遭受突如其来的危险电压的伤 害。 ( 3 ) 停电接触网即使感应电压较低，但是同样会导致作业人员出 现麻电现象，导致高空坠落事故。 因此，分析研究停电接触网上的感应电压值和其分布变化规律， 将是解决以上问题的有效途径。 2 4 对铁路配套架空线的感应过电压 在电气化铁路旁配套电力、通讯架空线缆分布图见图2 3 。 北京交通戈学硕士论文 图23 电气化铁路旁电力线路分布图 p i g u r e2 - 3p o w e rl i n e sb e s i d ee l e c t r i f i c a t i o nr a i l w a y 电气化铁路旁同杆架设的电力、通讯线缆与接触网带电部分距离 一般为3 8 m ( 最小时达2 5 m ) ，平行长度一般为4 5 - - 5 5 公里( 最长 时达6 0 k m ) 。电力、通讯线缆在正常停电检修时，接触网仍带电运行， 这将在停电的电力、通讯线缆上感应较高的感应电压，此电压将给作 业人员带来如下问题： ( 1 ) 由于感应电压较高而使作业人员在验电接地和操作验电时无 法确认是未断开电源还是感应电。 ( 2 ) 由于作业人员对电力、通讯线缆上的纵感应电动势的分布无 法确定，在检修区段较长或作业过程中开断导线、电连接线时，无法 采取有效的安全措施，检修人员将遭受突如其来的危险电压的伤害。 ( 3 ) 架空电缆屏蔽层为防感应电而接地，当多点接地时，牵引回 北京交通大学硕士论文 流将穿越电缆屏蔽层而导致电缆的损坏。 0 月 ；或低压 力线路 图2 4 电气化铁路旁同杆架设的通信或电力线路分布图 f i g u r e2 - 4p o w e r 1i n e sa n dc a t e n a r i e sa to n e p o l e 电气化铁路旁同杆架设的电力、通讯线缆与接触网带电部分距离 一般为3 8 m ( 最小时达2 5 m ) ，平行长度一般为4 5 5 5 公里( 最长 时达6 0 k m ) 。电力、通讯线缆在j 下常停电检修时，接触网仍带电运行， 这将在停电的电力、通讯线缆上感应较高的感应电压，此电压将给作 业人员带来如下问题： ( 1 ) 由于感应电压较高而使作业人员在验电接地和操作验电时无 法确认是未断开电源还是感应电。 ( 2 ) 由于作业人员对电力、通讯线缆上的纵感应电动势的分布无 法确定，在检修区段较长或作业过程中开断导线、电连接线时，无法 北京交通大学硕士论文 采取有效的安全措施，检修人员将遭受突如其来的危险电压的伤害。 ( 3 ) 架空电缆屏蔽层为防感应电而接地，当多点接地时，牵引回 流将穿越电缆屏蔽层而导致电缆的损坏。 2 5 对铁路施工防护网架的电磁感应过电压 由于电气化铁路复线施工中爆破工点距2 5 k v 接触网较近，有些工 点还有1i o k v 、3 5 k v 高压线路跨越或平行于两侧，因此电环境非常复 杂，加之受天气、温度、湿度等环境因素的影响，爆破施工中如何既 保证接触网和高压线路的绝对安全，又保证爆破施工人员的安全，成 为爆破安全防护工作中必须考虑的主要因素。使用金属管排架、金属 网防护比较安全牢固，是施工点有效的保证行车安全和施工安全的施 工防护手段。 ( 一) 、电气化铁路单线高压接触网及带电线路概况 在单线电气化铁路上方或附近因不同条件的需要，有三种高压电 力线：( 1 ) 接触网；( 2 ) 接触网供电线；( 3 ) 捷接线。此三种高压线 所带电压最高达3 0 k v ；正常负荷电流最高达8 0 0 a ；故障状态下短路电 流最高达4 0 0 0 a 。其中接触网供电线由于一般均沿接触网支柱的线路 外侧架设，故距需爆破开挖的边坡最近( 其布置如图2 5 ) 。 北京交通大学硕士论文 f 久 恸线! 。1 。1 。1 。 髟、 久k 娜、 l，j d 时，有： 一警( 1 n 石2 1 1 ) ( 3 2 1 2 ) 于是单位长度导线1 和导线2 的互感为： = m 1 2 _ 尝( 1 n 五2 一1 ) ( 3 2 删 3 2 1 3 以大地为回路的平行导线间的互电感 接触网的自电感和互电感，工程上一般采用诺模图进行计算蛆1 7 1 心训、_ 一 眨 北京交通大学硕士论文 但是很不准确，且有局限性，包括国际电报电话咨询委员会( c c i t t ) 等很多机构都提出了自己的计算公式。 以大地为回路的架空线，我们建立下面的近似模型，即把大地挖 成半圆柱面，半圆柱面取为架空线的高度，把半径为r i 的架空线置于 此圆柱面的轴线上。这样，在均匀上壤的情况下，在地中和空气所占 有的半圆柱空间里，磁力线呈现以架空线为圆心的同心圆柱形状。 图3 - 3 考虑大地影响时的等效模型 f i g u r e3 3m o d e l c o n s i d e rg r o u n d 不难写出，与单位长度( k m ) 导线相链的闭合于空气中的部分磁 通为： 炉净= 2 x 1 0 - 4 1 i n 等c z 妒。在单位长度上感应的电动势为： e 一2 1 0 “，村l n 鲁( 恤) ( 3 2 1 5 ) 相应的自感阻抗为： z a = z 枷。4 川n 鲁c q ，翩，c ，2 ，e ， 此时还需要考虑通过大地部分磁通的影响，对于多导线以大地为 北京交通大学硕士论文 回路供电系统互阻抗的计算，j r c a r s o n 引入了一个修正项来计算大 地电阻率的影响。公式假定： ( 1 ) 导线足够长，三维的末端效应可以忽略。 ( 2 ) 大地含有均匀电阻率，并可以变成一个无限延伸与导线平行 的导体。 ( 3 ) 导线档距远远大于导线的直径，因此可以忽略临近效应，即 忽略单根导线中电流分配不均匀而对临近导线的影响。 考虑杆塔结构及导线特性后进行计算，架空线的自阻抗、互阻抗 分别为： z 。；( + a r i i ) + j ( 2 c o 1 0 - 4 i n 淼+ 硝i ) ( 3 _ 2 1 7 ) z * _ z “= r * + j ( 2 t o 。1 0 - 4 i n 嚣+ 埘n ) ( 3 2 1 8 ) 其中 r i 一导线i 的交流电阻5 h i 一导线i 对地的平均高度5 以一导线i 与导线七镜像之间的距离； d 女一导线i 和导线k 之间的距离： g m r i 一导线i 的几何均距， g m r f = 一”一0 7 7 9 r i ( 3 2 1 9 ) 对于多股导线，当股数为7 、1 9 、3 7 时，g m r 分别为导线 半径，的0 7 2 5 5 、0 7 5 8 、0 7 6 8 倍。对于钢芯铝绞线，可取 g m r * 0 8 1 r ： = 2 吖一频率为，时的角频率( r a d s ) ： 北京交通大学硕士论支 实际上大地不是理想导体而具有一定的电阻率p ，需要考虑它的 影响。当考虑大地具有均匀的p 值时，在计算自阻抗的上式中的串联 阻抗需要增加两个修正项a 略，a 瓦，他们是庐的函数，当尹= 0 时为自 阻抗，当妒= 丸时为互阻抗，其中妒为导线i 与其本身的镜像的连线同 导线i 和导线k 镜像之问的连线的夹角，此时引入一个系数a ； 日= 轨店x 1 0 - 4 d 恬p c 。2 2 。， 其中： f 2 h i 一一计算自阻抗时 d 2 d i ：一一计算互阻抗时，f 为电流频率( h z ) 当a + ，即频率非常高或土壤电阻率非常小时，a r ，x 趋近 当as 5 时，c a r s o n 给出下列级数： 。= 4 m 1 0 - 4 8 一阢n c 。s + 6 2 【( c 2 一i n ak 2 c o s 2 5 + a2 妒s i n 2 5 】 + b 3 a 3c o s 3 妒, 一d a a 4c o s 4 妒一b s a 5 c o s 5 事, + 6 6 【( c 6 一i n ab 6c o s 6 妒+ a 6 妒s i n 6 # + 6 ，口7c o s 7 b d s n 8c o s 8 5 一b 9 a 9c o s 9 驴 北京交通大学硕士论文 皈嘲位( 0 6 1 5 9 3 1 5 + i n a ) + b ，a c o s 矿 一d z a 2 c o s 2 4 , + b 3 a 3c o s 3 妒 一b 4 ( c 。一i n ak 4c o s 4 驴+ a4 s i n 4 4 , 】 + b 5 口5c o s 5 # 一d 6 口6c o s 6 # - b r ac o s 7 一b s ( c 。一i n 口k 8c o s 8 + a8 妒s i n 8 】 + 3 其中起始