（电力系统及其自动化专业论文）高速客运专线综合接地系统研究.pdf

a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g h - s p e e d - w a yi n c h i n a ，t h et e c h n o l o g yo f b a l l a s t l e s s r a i li sb e i n gb r o u g h ti n t oe f f e c t t h a n k st o t h eb a l l a s tc o v e r i n gw a s r e p l a c e db yr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，t h el e a k a g er e s i s t a n c ei m p r o v eg r e a t l y , a n d t n e e l e c t r i cp o t e n t i a lo fr a i li n c r e a s et o o i t i sd a n g e rf o rb o d ya n de q u i p m e n t ，a l s 0 a f r e c tt r a c k s i d es i g n a l sw o r kp r o p e r l y s ow em u s tt ot h i n ko v e rt h ep r o b l e m o f g r o u n d i n g i no u rc o u n t r y , t h er e s e a r c ho ni n t e g r a t e dg r o u n ds y s t e m h a sj u s ts t a r t ， t oa i ma tt h ec h a r a c t e r i s t i co fi t ，s u c ha sh i g h - s p e e d ，h i g ht r a c t i o nc u r r e n t ，h i g h r a t eo ft r a m cf l o w ，b i gr a i ll e a k a g er e s i s t a n c e ，a n da tp o w e rs u p p l ym o d e ，w e s h o u l dp r o p o s eaa p p r o p r i a t ei n t e g r a t e dg r o u n ds y s t e mb a s e d o nt h eu p p e rs a f e t y s t a n d a r d sa th o m ea n da b r o a d ，t oe n s u r et h em s o 、p a s s e n g e ra n dt h ee l e c t n c i n s t a l l a t i o n s s a f e t y t h i st h e s i si sb a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo f c u r r e n tf e e d i n ga n de a r t h i n g ，埘al p o t e n t i a ld i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t y a n dc h a r a c t e r i s t i cf o rd i f f e r e n tt r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e mi sd e d u c e d b ya n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo f v a r i o u sp a r 锄e t e r so n r a i lp o t e n t i a l ，e q u i p o t e n t i a lb o n d i n ga n db u r i e de a r t hw i r et or e d u c er a i lp o t e n t l a l a r ep r o p o s e d ，a n dc o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a la n a l y s i st h e s e l e c t i o nm e t h o do f b u r i e de a r t hw i r e f i n a l l y , t h e m a t r i xt h e o r yo f7 【t y p ee q u i v a l e n t c i r c u i t m a t h e m a t i c a lm o d e li s b u i l ta n dc a l c u l a t e du s i n gm a t l a bp r o g r a m m m g a c c o r d i n gt ol o t so fs i m u l a t i o n s ，f a c t e r s i n f u e n c i n gv a l u eo fr a i lp o t e n t l a l l s a n a l y s e du n d e ro p e r a t i o no rf a u l tc o n d i t o n s ，s p a c i n go f e q u i p o t e n t i a lb o n d i n g a n d i n t e g r a t e de a r t hs y s t e mh a v es i g n i f i c a n tf u n c t i o nf o r r e d u c t i o no fr a l ip o t e n t l a l ， a n dp u tf o r w a r dap r o g r a m m eo fi n t e g r a t e dg r o u n d i n gs y s t e mf o rr e f e r e n c e k e yw o r d s ：h i g h s p e e d w a y ；i n t e g r a t e dg r o u n dw i r e ：t h ee l e c t r i cp o t e n t i a l o f r a i l ； m a t l a b 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密驴厂使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期： 扣 3 0 06 01 2 0 故障、短时运行( 0 1 s ) 8 4 2 长时工况下交流电气化铁道的最大允许接触电压一般不得超过6 0 v 。 表2 - 2日本铁路的钢轨允许电压标准 场所 线路类型限制标准( v ) 站内 直流区段 1 0 0 1 2 0 交流区段( 既有线，新十线) 5 0 6 0 直流区段 1 5 0 1 8 0 区间交流区段( 既有线)1 0 0 1 2 0 交流区段( 新十线) 4 0 0 5 0 0 日本铁路还对一般电气化铁道和新干线铁路以及站内和区间制定了不同 标准【引。考虑到新干线为全封闭线路，运营中严禁各类人员( 包括线路维护 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 人员) 进入区间，而新干线的钢轨电位又特别高，因而制定的电压标准大大 超出一般允许值，如上表2 2 所示。 e n 5 0 1 2 2 1 指出钢轨电位和可接触电压是两个不同的概念，钢轨电位u r e 指正常运行条件下牵引电流经过钢轨时或者故障条件下产生的钢轨与大地之 间的电压差，而可接触电压u 。b 指正常运行条件下能够被人体桥接的那部分 钢轨电位，通常是手脚之间或者双手之间。e n 5 0 1 2 2 1 给出了可接触电压和 钢轨电位之间的关系( 其中a 为测量点到钢轨的距离) 如下表2 3 所示： 表2 3 可接触电压和钢轨电位的关系 a ( m )1251 02 05 01 0 0 u a b 舢r 0 80 50 30 20 1o 0 50 根据表2 3 可知，当人位于接触网短路点双线钢轨外侧l m 处触及钢轨 时接触电压约为钢轨电位的0 8 倍。 根据德国铁路标准g b r 9 9 7 0 3 ，可接触电压与钢轨电位之比的推荐值为 o 5 【2 5 1 。即可接触电压为钢轨与大地之间理论计一算电位差的一半。本文取可 接触电压与钢轨电位之比为0 5 进行计算，即正常运行钢轨电位控制在1 2 0 v 范围内，短路故障钢轨电位控制在16 8 4 v 范围内。 2 3 钢轨电位的理论分析 电气化铁道的馈电电路，是利用钢轨和大地作为回归线，在研究钢轨与 大地这一回路时，可以认为：钢轨对大地为半接地状态，而且接地又非集中 而是分散的。关于钢轨回路的计算模型和理论对于直流和交流电气化铁道而 言，基本上是相同的，其不同点在于交流方式下通过导线间的互感耦合，可 在钢轨回流中出现感应电流分量。先通过推导直流牵引网及轨道回路当量电 路下的钢轨电位方程，再解耦原理得出交流牵引网及轨道回路当量电路下的 钢轨电位方程【9 。1 2 】。 牵引网轨道回路当量电路如图2 4 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 s s i 3 注：1 牵引变电所：2 机车负荷；3 接触网； 4 钢轨电阻( r r ) ：5 钢轨对地泄露电阻( ) ；6 大地零电位； 图2 4 牵引网及轨道回路当量电路 图2 4 中，在机车取流点b 有牵引回流i 注入钢轨，在回流点a 则有回 流电流由钢轨引出。当轨道电路中的珞与吒为常值时，钢轨电流、电位可由 取流点和回流点各自产生的电位按叠加原则求出。取流点回流单独作用时钢 轨电位分布可由图2 5 导出。 图2 5 取流点单独作朋的钢轨电位计算图 设距电流注入点为x ( k m ) 处的钢轨电流、电位为i r 。，u r 。，地中电流为i 。， 则有：( 如图2 - 6 ) d = 一k 出 ( 2 - 3 ) 甜触= 一( ) 出 ( 2 - 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 匕一 _ 一x 叫 人且坚 q 图2 - 6 距取流点为x ( k m ) 处的钢轨电流、电位 对式( 2 3 ) 微分，有 盟：一土鱼坠 出 d 2 x 将式( 2 - 4 ) 代入( 2 - 5 ) ，有 警专= 。 令r r r = k 2 , k 被定义为钢轨回路的传播常数，则式( 2 6 ) 为 簪搿吣。 该二阶微分方程的通解为 u 触= a e 舡+ b e 一舡 k = 一( 1 r r ) ( d u 触d x ) 由此得出： d 彰0 d x = k ( a 一b e 一缸) k = 一( 1 厄i ) ( 彳矿一曰p h ) 令m = 正瓦，则式( 2 1 0 ) 为 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 6 ) 7 ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) k = 一( 1 m ) ( a e b b e h ) ( 2 1 0 ) 7 m 被定义为钢轨回路的特性阻抗，其单位为q 。 系数a 、b 可由边界条件确定：注意到当x 叶时u r 。一0 ，i r 。_ 0 ，即a = 0 且与 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 u 。，= b e 嘶 ( 2 1 1 ) k = ( 1 m ) b e i h ( 2 1 2 ) 此外，如果负荷点两侧钢轨都是无限延伸的，则负荷点向两侧的钢轨电 流均为i 2 ，由时( 2 1 2 ) 可得：b = m i 2 ，最后的钢轨电位，电流分析式 u 。= m i e 。舡2 ( 2 一1 3 ) ，。= i e - 舡2 ( 2 1 4 ) 可见，负荷点两侧钢轨电位、电流是按指数规律衰减的( 图2 7 ) 在钢 轨电流注入点，轨地间的泄漏电流是由钢轨流向大地，因此u r x 为正，而电 流方向在取钢轨向电源为正方向时，另一侧钢轨电流则为负方向。 i 2 i r x 钢轨电流 1 1 r x i 2 图2 7 钢轨电位、电流分布图 容易证明，在电源回流点附近钢轨电流、电位与机车取流点的情况相似， 也呈指数曲线变化，由于轨一地间泄漏电流的方向相反，其钢轨电位应取式 ( 2 1 3 ) 之负值。合成的钢轨电位可按叠加原理求出( 图2 8 ) 。需要指出的 是式( 2 13 ) 的钢轨电位是以本引流点所在位置为坐标原点得出的，叠加时 应将不同坐标系统换算至同一坐标。以机车取流点为原点，在与电源回流点 间的合成钢轨电位为 = ( m 2 ) i ( p 一e - k ( d - x ) ) ( 2 - 1 5 ) 式中，d 为机车取流点至电源回流点的距离；上式的适用范围是 0 x d 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 j u r x 乡： 弋j 夕一 l r x 。 = 二= 夕 弋纩 注：实线为单个引流点产生的钢轨电位、电流；虚线为合成的钢轨电位、电流 图2 - 8 直流牵引网络的钢轨电位、电流 对于交流牵引网供电系统来说，各个线路之间存在互感，所以必须采取 一定措施，简化方程，去掉各个线路之间的耦合。 z t1 1 a a b 司一闹 t r r 图2 - 9 解耦原理图 如图2 9 ，有两条线路t ，r ，z t r 为线路t 与线路r 的k i i f i 抗，z r 为线路 r 的自阻抗。假设a b i k 段内，线路t 的电流为i t ，线路r 的电流为i r ，那么对 于线路r ，有电压降u a - u b = z t r i t + z r i r ，则等效电流为 i r , = t u a - u s = k z ri t+】r(2-16) 由线路t r 的互感在线路r 上引起的电压降可等效为= 挚的电流 厶j r 源，使线路r 中a 点注入电流i t r ，b 点吸出电流i t r ：即使r 线路中a b 区段等效 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 电流为i r 一i t r + i r 。显然，加入等效电流源后，线路电压与解耦前电路电压相 同，由于在线路a b 区段同时注入吸出相同电流，因此不影n i 甸a b 区段外线路 的电流分布。 交流牵引网轨道回路的当量电路与图2 4 类似，但在交流条件下，图中 的各导线电阻应取有效电阻和电抗分量的合成阻抗。此外，由于交流电流磁 耦合作用，接触线可在机车取流点与电源回流点间的钢轨上产生感应电势和 感应电流，按解耦原理，其值可由式( 2 1 7 ) 确定 k = ( z 豫乙) i = n o i ( 2 1 7 ) 式中，z t r 为接触网与钢轨回路间的单位互阻抗( q k m ) ：z r 为钢轨回 路的单位自阻抗( k m ) ；h o 为钢轨感应电流系数。 钢轨中的这部分回流称为牵引回流的强迫分量，它被强制保留在钢轨中。 能够通过轨一地间横向过渡电阻泄入大地的分量为( 1 一) i ，当回流长度足 够大时，这部分自由分量电流可全部泄入大地。交流牵引网的钢轨电位、电 流分布如图( 2 1 0 ) 。 u 融 ll 、一一 ：、0 l 弋?厂 i r x 。 l 、一一一， 0 n o i l 、夕一 图2 1 0 交流牵引网钢轨电位、电流 图2 1 0 中，实线表示单个引流点产生的钢轨电位和电流；虚线则为牵 引网络合成的钢轨电位和电流。在电流分布图中水平直线r l 。i 为回流的强迫 分量，指数曲线为回流的自由分量。合成钢轨电位分析式则为 = 字【e - h _ e - k ( d - x ) ( 2 1 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 式( 2 18 ) 的适用范围是o q 段，其坐标系统以q 为原点。 式中，为交流牵引网轨道回路的特性阻抗，z o = z 尺民；z r 为钢轨自 阻抗( q k m ) ；r n 为钢轨与大地问横向过渡电阻( q k m ) ；k 为轨道回路传 播常数，k = 乙兄。 综合上述，可以得出： ( 1 ) 在有电流集中注入或流出的地方( 负荷点和电源点) ，钢轨电流发生跳 变，跳变量为注入或流出的电流量。钢轨电位的分布是连续的，不发生跳变。 ( 2 ) 钢轨电流和电压在幅值变化的同时，伴随着相位的变化，因为交流激 励下的钢轨传播常数是复数。图2 1 0 反映了电流和电压的幅值变化，在x = 0 和x = l 处用正负极性表示，相位相反。 ( 3 ) 负荷点和电源点钢轨电位最高，钢轨电位与列车电流和钢轨特性阻抗 成正比。 ( 4 ) 钢轨电流与电压表达式中的两个指数衰减项，第一项是由电源点的流 出电流引起的，第二项是由负荷点的注入电流引起的；当牵引网上有多个列 车时，每个列车都存在对钢轨的集中注入电流，则钢轨电流与电压由各负荷 点的注入电流与电源点的流出电流共同决定。 ( 5 ) 对于a t 供电方式、b t 供电方式和带回流的直接供电方式而言，所不 同的只是，除了在电源点存在钢轨集中流出电流外，在一些吸上线处、a t 中点处等也存在从钢轨的集中流出电流，理论上，只要确定了这些电流值， 并明确了牵引网的电流回路划分，则钢轨电流与电压也不难给出。 ( 6 ) 当考虑变电所和分区所地网接地电阻，或考虑在钢轨某处存在集中接 地电阻时，该接地电阻也会引起钢轨的集中注入或流出电流，从而对钢轨电 流和电压的分布产生影响。 2 4 影响钢轨电位及电流的主要原因分析 2 4 1 钢轨相关参数的影响 钢轨相关参数包括钢轨单位长度阻抗z r 和钢轨钢轨对地泄漏电阻r n 。 两个参数都是通过轨道回路的特性阻抗z o 和轨道回路传播常数k 作用。当钢 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 轨型号确定后，钢轨单位长度阻抗z r 也是确定的。 钢轨对地泄漏电阻r e 与z o 和k 的关系曲线如图2 1 1 。 钢轨目阻抗取0 2 f k r c o 爨 型 挈 转 船 芒 3 5 3 0 5 0 -ii 2 0笼3 蔓 钢轨 世漏电阻h e ( t j k m 】 钢轨自咀抗取c2 t , m 钢轨泄漏皂匪r e k m ) 图2 1 1 钢轨对地泄漏阻抗r e 与z o 和k 的关系曲线 一般电化区段在晴天r e 约为5 1 0q k m ，在雨雪天气则将大幅下降， 高速铁路由于道床较厚且高架线路比重较大，其r e 值在晴天时可达1 0 0 - - 5 0 0 q k m ，雨天则降为5 1 0 q k m 。由图2 1 1 可见，在高速线路r e 值实际 可能的变化范围内，z o 值有可能导致钢轨电位的危险升高。例如日本山阳新 干线在机车负荷电流为9 6 0 a 时测得的最高钢轨电位达7 6 0 v 。传播常数k 对 j1_r_lt_0l卯 j n 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 钢轨电位的影响是作为一个衰减系数出现的。由式( 2 18 ) 可知，单一牵引 1 负荷在电源回流点产生的钢轨电位为! i z 0 0 一p 制) ，当k d ，3 时，e k d 已 z 小于5 ，机车引流点对电源回流点钢轨电位影响已可忽略。 2 4 2 钢轨回流长度对钢轨电位的影响 传播常数与钢轨回流长度的乘积是作为钢轨电位衰减系数共同作用的， 在r e 达到1 0q k m ( 高速铁路的最低值) 以上时，k 值处于图2 1l 曲线拐 点的后方，其衰减速度趋于平缓，此时，钢轨最大电位的衰减系数将主要取 决于钢轨回流长度。图2 1 2 为高速铁路在晴天k 值平均取o 1 时的钢轨最大 电位衰减系数与钢轨回流长度的关系曲线。 y 籁 髅 棼 啦f 趔 脚 蕃 在2 岬 d c k - n ) 图2 1 2 最大钢轨电位衰减系数与钢轨回流长度的关系 不同供电方式在钢轨电位上的差异是因为钢轨回流长度和回流点发生了 变化【l3 1 。在直供方式时，钢轨回流路经可以是整个供电臂，钢轨回流长度较 大，在一般线路条件下，牵引回流的自由分量已全部泄入地中，机车处的钢 轨电位相对较高。此外，各牵引负荷的回流点全部集中在变电所接地端，使 变电所侧钢轨电位急剧升高。在b t 方式时，钢轨回流长度最长仅及b t 间 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 距的1 2 ，b t 间距最大可取2 个轨道电路闭塞分区的长度( 3 4k m ) ，因 此，最大的钢轨回流长度不超过2k m ，这么短的钢轨回流长度，使牵引回流 的绝大部份仍保留在钢轨内，钢轨对地电位较低。a t 方式的钢轨电位与b t 方式类似，只是钢轨回流长度较b t 方式稍大，约为半个a t 段长度，即5 7 5k m ，而回流点则分散于列车所处a t 段两侧a t 的中性点。由于牵引负 荷是由a t 段中前后2 个a t 并联供电的，a t 中性点的钢轨电位较列车取流 处钢轨电位为低。a t 方式时在变电所回流点的钢轨电位也是较低的。 结合第1 章对不同牵引供电方式的分析比较，确定我国高速电气化铁路 的高速正线优先采用2 x 2 5 k v ( a t ) 供电方式，对于枢纽地区高中速联络线、 动车组走行线和动车段等可采用带回流线的直接供电方式。 2 4 3 钢轨泄露电阻的影响 列车在上行o - 3 0 k m 运行，列车电流取5 0 0 a ，在无c b 线，无c p w 线， 无综合接地线情况下，改变钢轨对地泄漏电阻，分别为5q k m ( 既有线路对 地泄露电阻为2 5 q k m ) 、1 0 0 q k m ( 桥梁隧道区段) 和5 0 0 q k m ( 日本新 干线最高对地泄露电阻为5 0 0 q k m ) 时负荷点钢轨电位分别如图2 1 3 到2 1 5 所示。 世露电阻对钢轨电位的影响 之 趔 御 暴 仨 p 图2 1 3负荷点钢轨电位( 泄漏电阻为5 q k m ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 - 乏 划 御 蒜 亲 泄霹电阻对钢轨审付6 r i 影响 51 01 5加2 5 1 0 列车位置爪m 图2 1 4 负荷点钢轨电位( 泄漏电阻为1 0 0 q k m ) 泄露电阻对钢轨电位的影f 向 列车位置k i n 图2 1 5 负荷点钢轨电位( 泄漏电阻为5 0 0 q k m ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 图2 1 3 到图2 1 5 中的最高钢轨电位分别为1 8 4 v 、4 2 6 v 和4 5 2 v ，比较 可知，轨道泄漏电阻对钢轨电位有较大影响，钢轨电位随着钢轨泄漏电阻的 增大而增大，因此可以看出改善钢轨泄漏电阻可以到达降低钢轨电位的目的。 但是由于无砟轨道具有稳定性好，寿命长和少维护等特点，能够克服有砟轨 道在列车高速运行时产生的“道砟道床平移和“道砟飞溅”等问题，无砟 轨道在高速铁路上得到广泛应用，且我国高速铁路高架区段岁1 4 】，决定了钢 轨泄漏电阻难以降低，需要通过其他措施进一步降低大地回流路径综合泄漏 阻抗，以达到降低钢轨电位的目的。 2 4 4c p w 线对钢轨电位的影响 列车在上行0 - 3 0 k m 运行，列车电流取5 0 0 a ，钢轨泄漏电阻10 0q k m ， 在无c b 线，无综合接地线情况下，改变c p w 线的间距，负荷点钢轨电位分 别如图2 一l6 到图2 19 所示： c p 饯同距为0