（交通运输工程专业论文）降低高速电气化铁道钢轨电位技术措施研究.pdf

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，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。 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 s 1 0 。利用这个软件，结合武广客运专线的实际情况，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 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 fr a i lp o t e n t i a l ，a n d g 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 s f o rk i n d so ft e c h n i c a lm e a s u r e s w 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 tg i v e sab r i e fi l l u s t r a t i o n a 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 e c 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 t k i n d so ft e c h n i c a lm e a s u r e st h a ta r eu 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 e e n d ，w ec a l lg e tc o n c l u s i o n sf r o mt 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 t n 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 sf i n i s h 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 gt r a c t i o n n e t w o r ko nt h eb a s i so fe s t a b l i s h i n gt 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 c o m b i n e dw i t ht h er e a li n s t a n c eo fw u - g u a n gp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e ，i t u 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 tn e wc o g n i t i o n s a 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 mt h ep r i m a r ye l e c t r i c a l p a r a m e t e r so ft r a c t i o nn e t w o r k t h ep a p e rh a sd e v e l o p e das u i to fa n a l y z i n gt r a c t i o nn e t w o r ks o f t w a r e t r a n a s1 0 ，al o to fc a l c u l a t i o nw h i c hi sf i n i s h e db yt h es o f t w a r es h o w st h a t i 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 r i tp a r a m e t e r k e y w o r d s ：h i 曲s p e e dr a i l 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 lm o d e lo f t r a c t i o nn e t w o r k , n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，t e c h n i c a lc o u n t e r m e a s u r e s 原创性声明 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 作及取得的成果。尽我所知，除论文中特别加以标注和致谢的地方外， 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 中南大学或其他单位的学位或证明而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献己在论文的致谢语中作了明确的说明。 作者签名：恤 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：链导师 工程硕士论文第一章前言 1 1 研究意义及背景 第一章前言 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。 1 2 国内外研究现状 电气化区段接地系统是一个多技术集成的复杂系统，仅就电气领域来说，涉 及了牵引供电系统、电力配电系统、信号系统和通信系统，除此还涉及机械、桥 梁、隧道、路基、环工、车站、给排水等专业。从接地的种类来看，主要包括不 同系统不同类型的工作接地、保护接地、防雷接地等。 电气系统的日益复杂和电子设备应用的日益增多，给高速电气化铁路提出了 新的要求，实现不同系统间的良好电磁兼容越发重要。目前国外高速电气化铁路 接地系统根据各自国情，有不同的方案。 法国高速电气化铁路的牵引网供电方式多采用2 2 5 k v 的a t 供电方式，接触 网的接地系统普遍采用设综合接地线的直接接地方式。牵引网的综合接地系统主 要由钢轨、保护线( 回流线) 、接地线、扼流圈、各纵向导体间的等电位连接线 和接地极等构成。钢轨作为牵引回流导体和轨道电路的重要组成部分，它的接地 次数就不能像牵引供电系统所希望的那样多，因此需设置连续且独立于轨道的接 地线，可按轨道电路允许的间隔连接到轨道上。钢轨、保护线( 回流线) 、接地 线或金属栅栏等的等电位连接一般通过设置完全横向连接来实现。 德国高速电气化铁路的牵引供电系统中，牵引供电制式虽然采用了1 5 k v 单 相交流1 6 _ zh z 带回流线的直接供电方式并自建专用发电系统的特殊模式，但回 3 流线的绝缘方式仍采用了综合接地系统和直接接地方式。交流牵引的回流导体通 工程硕士论文第一章前言 常连接在各类强弱电接地装置上( 如接触网支柱柱基础和建筑基础等接地位置) ， 因此牵引回流通过回流导体及其连接的接地装置和大地流回牵引变电所。接地装 置一般采用尽可能小的接地电阻值，通过大面积地网和多个单独接地极的互相连 接来实现。在德国高速铁路牵引供电系统中的每根接触网支柱基础都设置了接地 极，它通过单独的基础钢筋连接到接地端子上，支柱基础的接地电阻一般不大于 1 0q 。德国铁路的信号系统与其它国家不同，它普遍采用音频轨道电路和双轨绝 缘线路，一条线路上的两根钢轨被分别定义为接地轨( e r ，位于线路外侧) 和 绝缘轨( 瓜) ，综合接地系统中导体的接地和连接只允许在接地带、接地轨上实 现。 。 日本新干线牵引供电系统中，牵引网供电方式采用a t 供电方式。关于接触 网的保护接地方式，日本在a t 供电方式以前一直采用双重绝缘加放电器的方式 来实现接触网绝缘子的闪络保护接地，但由于接触网结构复杂和放电器不如直接 接地更加直接和可靠，在近年修建的新干线接触网中部分取消了双重绝缘，并改 为直接接地方式。 中国电气化铁路的接地设计主要沿用前苏联模式，采用的是各专业的接地分 别设置，接地极、地线等相互隔离。 接地设计及工程安全评估是国外高速设计中的必备内容之一，而国内目前的 工程评估则较为粗糙。 1 3 论文主要工作及结构安排 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。 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，结合设计武广客运专线的实际情况，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 2 工程硕士论文第一章前言 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1 0 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。 工程硕士论文 第二章钢轨电位与钢轨电流 第二章钢轨电位与钢轨电流 对牵引供电系统的钢轨电流的讨论，主要用于评价牵引供电系统对邻近通讯 线的干扰。对钢轨电位的讨论，主要用于评价牵引供电系统对于人身和设备的安 全性。 讨论各种供电方式牵引网的钢轨电位与电流分布特性，直接供电方式牵引网 是基础，其它供电方式牵引网，都可以划归为直供方式进行。 2 1 直接供电方式牵引网的钢轨电位与电流 图2 1 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- d , 段，列出微分方程： 冬：z 川0 1 积 一 坠：m，dx 4 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 式中 v 2 。一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 i n ) 1 2 x x 点的钢轨电流( a ) 解上面式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 联立微分方程，可得钢轨电流： ( a ) 0 至之间( o x ) j 2 ，= 一n l l 一与善，l o 一芦+ p - ，( “) ( 2 1 3 ) ( b ) 0 以左( x ，) t ，= 字厶( e 芦- e - r ( i - x ) ) 正，= 字厶( e r ( 1 - x ) _ e - 为 ) 4 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 工程硕士论文第二章钢轨电位与钢轨电流 u 牵 1 7 钞 0 d x一， 1 2 x - d 1 2 i i l 图2 1 1 接触网 钢轨 钢轨 大地 求得钢轨电流后，再利用式( 2 1 2 ) ，可求得钢轨电位： ( d ) 0 至，之间 ，= 一与善z o i l ( e 叩一e - r ( h ) 二 ( e ) 0 点以左 圪，= 一与导z 。厶 乒一e - r ( h ) 二 ( f ) ，点以右 吃= 旱z 。i l ( p ，( ，叫一e - r ) 二 以上各式中 刀= 三竖 z 2 2 7 = z 2 ：】， ( 1 拥) 为钢轨传播常数 z o = z 2 2 】，( q )为钢轨特性阻抗 画出曲线表示，如图2 i 2 。 5 工程硕士论文 第二章钢轨电位与钢轨电流 白i 。 ( a ) 电路 1 二二二二二 _ 譬曼鎏 1 乡 2 1 一- 孚矿 、旱砂 一 。 一半秽_ 、 2 1 二( p 严一e - r v l ) 匙”叫巾 一 _ ， 0 l 二一半北一，弓 。 r t - n 二7 ( ，“ 、7 ，7 ：孚。毛c p - 】降一p 一，c ，一，1i ( 矿一p 叫卜砷) ( c ) 电源端衰 减分量 ( d ) 负荷端衰 减分量 ( e ) 合成钢轨 电流 ) ( f ) 钢轨电位 图2 1 2 从上图可见： ( 1 ) 负荷点和电源点钢轨电位最高，并且前者为正极性，后者为负极性： ( 2 ) 电源点和负荷点钢轨电流最大；中部钢轨电流小，并且近似等于感应电 流恒定分量。 ( 3 ) 0 点以左钢轨电位表达式为一与善z o i , ( p 芦一e - r ( h ) ，它的大小是。点以 二 左钢轨电流表达式与z 。的乘积。当x - - o 时，钢轨电位为= 一与导z o l , ( 1 一p f ) ， ： 如果l 较大，可得g o 一与善z 。厶。此式对估计最大钢轨电位非常有用。例如， 二 取如下参数： 6 工程硕士论文第二章钢轨电位与钢轨电流 z ，= 0 6 3 4 。q k m z 1 2 = 0 3 3 婴q o n r g = 5 f 2 砌( 】，= 0 2 s k m ) 1 1 = 1 0 0 0 a 可计算出 0 3 3 8 0 。 圪= 一 半4 0 6 3 4 x 5 1 0 0 0 忽略n 的角度，则有近似值： ：一下1 - 0 5 5 1 7 3 2 丝1 0 0 0 = 3 8 9 7 ( v ) 丝 ( 4 ) 0 点以左钢轨电流表达式为与# 1 1 ( p 芦一e - r ( h ) ，如果l 较大，近似得 芝导1 。p 芦，它对距离x 的导数为与孚i i ) e 芦，这表示的就是钢轨对地的漏泄电流。 当x = o 时，上式为芝导厶7 。易知，当钢轨一大地漏泄电阻小时，传播常数y 大，漏泄电流就大。 ( 5 ) 在o l 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l 的增大，矩形面积与l 成比例增大，而两块衰减面积变化不 大。这样，当l 较大时，曲线所包围的面积近似等于矩形面积。这表明，l 较大 时，就钢轨电流平均值而言，可近似认为等于i l i l ；当l 比较小时，衰减面积作 用增大，钢轨电流平均值要大于n 1 1 。 2 2b t 供电方式牵引网的钢轨电位与电流 图2 2 1 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 2 1 ( a ) 的电路，可以等效为图2 2 1 ( 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l d 比真正直供方式的l 在大多数时段短得多。易知， 短回路内的钢轨电流要比i l i l 大得多，短回路外的钢轨电流要比真正直供方式小 7 工程硕士论文 第二章钢轨电位与钢轨电流 得多( 参见图2 1 2 ) ，相应地，钢轨电位也要小得多。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 刖 坠型 芏堂型 r y 。nm r y 了1 ， oo 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 1 0 0 o o51 5 2 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 2 6 钢轨电位 d i s t a n c e ( k i n ) 图5 2 7p 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 1 趸c9iodii罡 ()暮c量之d 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 2 = c 星 云 写 比 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 3 1 钢轨电流 o5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 3 2p w 线电流 4 2 3 0 一v)芒罟n3；乱 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 2 5 0 2 0 0 1 01 5 2 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 3 3 钢轨电位 1 01 52 0 d i s t a n c e ( k i n ) 图5 3 4p 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，a t 点上下行钢轨及p w 线均横连；负荷位置在上行o 一3 0 k m 变化。 4 3 伽 啪 )ie翟c旦&正 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 在a t 段内，进一步分以下4 种计算条件： ( 1 ) 不采取任何横连措施； ( 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。 u a1 01 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 4 1 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。 伽 啪 鲫 椭 撇 o ，)iel芒。芑也iib叱 工程硕士论文第五章软件应用及计算分析 2 0 0 母 c o 趸 。而1 0 0 叱 o o51 01 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 5 1 钢轨一大地漏泄电阻对钢轨电位的影响 5 6 刚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 - - 10 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( 跨距按6 0 m ) 。 趸 芑 芑 呈 罡 1 1 01 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 6 1p 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所示。 4 5 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 s c 罢o 3 罡2 0 0 1 0 0 o o o 51 01 52 0 2 5 3 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 7 1 钢轨电流 o51 0 1 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 7 2p w 线电流 1 v)芑生jno正 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 孑 c 巴1 0 0 j q ； o 0 0 05 d i s t a n c e ( k m ) 图5 7 3g w 线电流 o5 d i s t a n c e ( k m ) 5 7 4 钢轨电位 4 7 3 0 加 岂ib；cd_q口=叱 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 051 01 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k i n ) 图5 7 5p w 线电位 o51 01 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k r n ) 图5 7 6g 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所示。 o 柏 加 竹 o ()iei芒兽od乱c呈西薯旦&o 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 芒 芒 t ) - t = 罡 c 罢1 3 ； 正 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 8 1 钢轨电流 o5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 8 2p w 线电流 4 9 1 8 0 6 0 仍 c m 菩o 仍 叱 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 8 3g w 线电流 o 5 1 0 1 52 02 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 8 4 钢轨电位 = c e j n o j o 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 1 01 52 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 8 5p w 线电位 1 01 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 8 6g 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2 1 k i n 的上下行钢轨横连处，接一0 5 q 或2q 的集中接地电阻，钢轨电位的变化情况如下图所示。 柏 伯 o 、)耍芒墓；正 们 伯 o ，)趸芒o_odo 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 至 罢 置 焉 叱 3 2 1 1 01 52 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 9 1 钢轨电位 5 1 0 钢轨电位及地线电位等随负荷位置的变化 采用5 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下。 1 0 0 柏 2 0 0 1 0 1 52 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 0 1 负荷点钢轨电位 5 2 岂lb；co_od=毋叱 工程硕士论文第五章软件应用及计算分析 1 5 1 0 5 ， 0 0 o51 01 52 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 10 2 负荷点g w 线电位 0 51 0 1 5 2 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 0 3 最大g w 线电位 5 3 岂趸lu-odo = 2 5 ，)一iicaloqo 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 2 = c 虫 与 o ； 9 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1o 4 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 i n 处发生 接触网钢轨金属性短路，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 。) 。 芒 星 云 罂 盖 3 1 01 52 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 11 1 上行牵引网电流 姗 舢 姗 撇 伽 。 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 o d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 1 2 下行牵引网电流 o51 0 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k i n ) 图5 1 1 3 钢轨电流 5 5 一v)_岳e300uii妄弓o o 2 (vluejno焉叱 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 o o o51 01 52 02 5 3 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 1 4p w 线电流 o51 01 5 2 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 1 5g w 线电流 v j i u a u j 了o 乱 一v)芒尘jnoo 工程硕士论文第五章软件应用及计算分析 o o o51 01 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 1 6 接触网一钢轨电压 o51 01 52 02 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 1 7 钢轨电位 5 7 啪 舌 枷 枷 黾 伽 岂a_io，oo1)一m；cmv_9ii正 工程硕士论文第五章软件应用及计算分析 童 芒 。 菩 正 1 o1 01 52 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 1 8p w 线电位 1 01 52 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 11 9g w 线电位 5 12 钢轨电位及地线电位等随短路点位置的变化 5 12 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 1 v i v a 。短 路点位置在上行0 - - , 3 0 k i n 变化，发生接触网钢轨金属性短路。短路点短路电流、 加 o 岂耍芒m芍o 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 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。 霉 芒 芒 8 考 呈 u 苦 历 童 芒 石 呈 罡 8 0 2 0 o o 4 1 01 5 2 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 2 1 短路点短路电流 51 01 52 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 12 2 短路点钢轨电位 工程硕士论文第五章软件应用及计算分析 0 2 0 0 毋 e - 1 5 0 & 悉1 0 0 5 0 0 o552 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 2 3 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 12 4 最大g w 线电位 如 粥 伽 岂|b；c要oio 工程硕士论文第五章软件应用及计算分析 3 o 2 5 2 o s c et 5 0 0 了 。 言，0 0 0 5 o 1 01 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 2 5 最大g w 线电流 5 1 2 2 无地线州线绝缘安装t - r 短路 下。 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 3 o 2 5 2 0 1 0 的o o 01 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 2 6 短路点钢轨电位 5 12 3 无地线咖线利用支柱接地卜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 6 1 ，、)ib；co_od=毋叱 工程硕士论文第五章软件应用及计算分析 随短路位置的变化曲线如下。 委 芒 茗 焉 芷 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 2 7 短路点钢轨电位 5 12 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。 耍 葛 藿 2 t l 芷 d i s t a n c e ( k m ) 3 0 图5 12 8 短路点钢轨电位 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。 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 o o51 0 5 12 5t - p h 短路 d i s t a n c e ( k m ) 2 02 53 0 图5 12 9 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。 o o5 1 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 12 10 短路点p w 线电位 ，、)一仍一芒芍iie芷 )lbiico-o乱 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 1 01 52 0 2 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 2 1 l 短路点p w 线电位 5 12 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 线电位如下。 咖 毋 c 2 o 主 o p v vp 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 1 2 12 上下行p w 、g w 横连时短路点p w 线电位 ，)iei芒。菩正 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 5 13 多列车下计算 采用6 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 i n ，下行9 7 5 l ( m 、2 7 7 5 k i n 处。相关的电压、电流曲线如图所 示。 1 0 2 c 耋伽 。 罂 3 o o5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 3 1 上行牵引网电流 o5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 3 2 下行牵引网电流 v)-c害jooui一舌o 工程硕士论文第五章软件应用及计算分析 o 2 0 0 s c 罂 ： o 袤1 0 0 o o5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 13 3 钢轨电流 o5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 13 4p w 线电流 o o o 鲫 枷 撇 v)芒2jn02仃叱 工程硕士论文第五章软件应用及计算分析 冬1 5 0 c 尘 j 兰1 0 0 o 5 0 o o51 0 1 52 02 53 0 2 1 o d i s t a n c e ( k m ) 图5 13 5g w 线电流 o51 01 52 02 5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 13 6 接触网一钢轨电压 6 i 岂oa毋=ooo 工程硕士论文第五章软件应用及计算分析 4 0 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 13 7 钢轨电位 o5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 13 8p w 线电位 2 02 53 0 |eiiuo_oclii毋叱，)童芒o_oc一d 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 4 0 哥2 0 宝 ； 9 1 0 1 0 1 52 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 3 9g w 线电位 5 14 正馈线分裂对牵引网性能的影响 3 0 除正馈线由l g j 3 0 0 5 0 改为分裂式2xl g j l 5 0 2 5 外，其它计算条件与 5 1 2 1 完全相同。有关曲线如图。 1 01 52 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 4 1 上行牵引网电流 o o o ， 1 (v一芑巴in3罂iid) 工程硕士论文第五章软件应用及计算分析 o o o5 d i s t a n c e ( k m ) 图5 14 2 下行牵引网电流 o51 01 52 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 4 3 钢轨电流 o 0 咖 蛳 ， (vlu窭l了uo董量弓o o o o 帕 狮 (vluejno=毋叱 工程硕士论文 第五章软件应用及计算分析 1 5 0 c 巴 3 兰1 0 0 o 5 0 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 4 4p w 线电流 o 51 01 5约衢 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 4 5g w 线电流 v)lume30正 o 君 皇 宝 焉 叱 2 1 0 1 6 0 0 o51 0 1 5加筠 d i s t a n c e ( k m ) 图5 14 6 接触网一钢轨电压 o51 0 1 52 02 53 0 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 4 7 钢轨电位 工程硕士论文第五章软件应用及计算分析 _ c 。a 芑 旦 o ； ( 9 4 0 4 0 51 01 5加 筋 d i s t a n c e ( k m ) 图5 1 4 8p w 线电位 05 1 01 52 02 53 0 d i s t a n c ef k m ) 图5 1 4 9g 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1 a t 的吸上电流和网压影响明显，将有关数据列于表5 1 4 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 7 3 伯 ，艺。西=o，v【 工程硕士论文第五章软件应用及计算分析 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交压器) 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 4 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la 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 i4 8 61 l l714 0 5l0 4l ( a ) 牵引网首端f 线 7 1 0 56 8 0 17 9 1 87 5 6 8 牵引网首端 1 5 6 51 1 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 1 8 8 12 1 0 8 7 4 工程硕士论文 第六章结论及展望 第六章结论及展望 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。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 措施予以降低。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。 7 5 工程硕士论文第六章结论及展望 ( 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 1 0 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3 q 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，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。 7 6 工程硕士论文 第六章结论及展望 本论文在结论已对诸如武广客运专线等的工程起到了指导作用，对综合接地 系统的工程实施方案及标准的