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中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： 高扬 学 号： 21056228 学 院： 应用技术学院 专 业： 电气工程及其自动化 设计题目： 轨道参数分析及单向导通装置设计 专 题： 指导教师： 李国欣 职 称： 讲 师 2009年6月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 应用学院 专业年级 电气051 学生姓名 高扬 任务下达日期： 2009年3月 9 日毕业设计日期： 2009年3月 9日 至 2009年 6月 5日毕业设计题目：地铁过江隧道单向导通装置毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：（1）绝缘结设置的位置及其作用；（2）关于杂散电流的问题分析；（3）列车通过绝缘结时的几种状态及产生电弧的分析；（4）轨道参数分析与计算；（5）MATLAB仿真；（6）带有灭弧功能的单向导通装置整体设计。院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要目前地铁和轻轨的牵引方式采用电力牵引，且大多数为直流供电。列车所需电流由牵引变电所提供，通过接触网（架空线或接触轨）向列车送电，并通过走行轨作为牵引电流回路，返回牵引变电所，由于钢轨对地不可能完全绝缘，有大部分电流泄露到大地，称之为杂散电流。杂散电流会导致埋地金属结构尤其是钢轨和钢轨紧固件严重的杂散电流腐蚀。列车通过绝缘结时，轨道的附近产生强烈电弧而烧损轨道的现象，例如广州地铁一号线珠江隧道进出口的四个绝缘结以及花地湾芳村站之间的隧道口附近的两个绝缘结都出现严重电弧烧损轨道现象,影响了列车运行的安全性，所以必须采取有效措施消除电弧的影响，保证列车的正常运营。此外，车场以及正线的特殊地段，如隧道口等，由于轨道对地过渡电阻降低，会导致杂散电流泄漏的增加。在我国地铁设计中，常采用在正线和车场，正线和特殊地段之间设置绝缘结，并在绝缘结两端连接单向导通装置，来防止杂散电流腐蚀。可见，单向导通装置对于地铁的安全运营起着关键性作用。为了保证使用单向导通装置在任何情况下不产生电弧而烧损道轨，只有使列车通过绝缘结时，绝缘结处不会出现电流断流的情况。所以设计采用了具有自动消弧功能的单向导通装置。关键词：杂散电流；电弧；轨道参数；单向导通装置； ABSTRACTThe current light rail subway and the way the use of electric traction traction, and the majority of DC power supply. Trains required to provide current from the traction substation, through the catenary (overhead line or contact rail) to the power train, and running track as the traction current loop, the return of traction substation, as the rail-to-ground can not be completely insulated most of current leakage to earth, known as the stray current. Stray current will lead to buried metal structure, especially rail and rail fasteners serious stray current corrosion. Node through the insulation when the train, have a strong track near the orbit arc and burning phenomena, such as the Pearl River in Guangzhou Metro Line One of the four import and export of insulating tunnel junction, as well as flowers to Bay - Fangcun station near the tunnel between the two Insulation end causing them to become the phenomenon of arc orbit burn, affecting the safety of train operation, it is necessary to take effective measures to eliminate the effects of arc to ensure the normal operation of the train. In addition, the yard, as well as being line of special sites, such as the tunnel and so on, as a result of the track to reduce the transition resistance, would lead to an increase in stray current leakage. Design of Metro in China often are used in the line and the car is lot-line and special insulation between the knot and knot at both ends of the insulation connecting device to connect a single, to prevent stray current corrosion. Can be seen that a single connecting device for the safety of subway operation plays a key role. In order to ensure the use of a single connecting device is not under any circumstances, arcing and burning of Road track, only the train through the node insulation, the insulation current node will not stop the situation there. Therefore, with automatic design features a single arc connecting device.KEY WORDS：Stray Electric Current; Electrical Arc; Track Parametric Analysis; Arc Extinguishing; One Direction Conducting Device; Emulation目 录1 绪 论11.1 引言11.2 单向导通装置概述11.3 单向导通装置国内研究现状21.4 目前存在问题31.5 本论文的主要内容和工作42 杂散电流的危害及防护52.1杂散电流的产生及危害52.1.1杂散电流的概念52.1.2杂散电流的产生及危害52.1.3杂散电流腐蚀机理62.1.4杂散电流大小72.2杂散电流的防护原则82.2.1杂散电流的防护82.2.2车辆段及停车场杂散电流防护措施92.3绝缘结与单向导通装置102.4排流柜122.4.1排流柜的工作原理122.4.2排流保护措施132.4.3排流柜设置方案142.5本章小结143 轨道参数分析163.1 列车通过绝缘结存在的问题163.2 轨道与第三轨之间钢轨电感估算163.3 机修厂边界与主线界接绝缘结的轨道电位差及跨接电流测量183.3.1 轨道电位差及跨接电流量测量方式183.3.2 轨道电位差及跨接电流量测量结果193.3.3 轨道电位差及跨接电流量测量分析203.4机修厂边界与主线界接绝缘结的轨道电位差及跨接电流模拟213.4.1机修厂与主线轨道等效电路213.4.2 轨道电位差及跨接电流模拟223.4.3机修厂边界与主线界接绝缘结的实际值模拟253.5轨道电位差及跨接电流模拟分析结论303.6本章小结314 绝缘结起弧情况分析324.1再生制动介绍324.2电机车再生制动通过绝缘结时的四种运行状态324.2.1在外轨道上再生制动运行324.2.2电机车后车轮离开外轨道324.2.3电机车再生制动时在内轨道上运行334.2.4前车轮碰到外道时不产生电弧334.3列车通过绝缘结时产生电弧的原因分析344.4 消弧原理394.5本章小结405可灭弧的单向导通装置整体设计415.1 单向导通装置415.2单向导通装置的安装形式415.3 单向导通装置主回路构成425.4 单向导通装置的保护435.4.1电流传感器在保护单元中的应用435.4.2单向导通装置中的短路保护445.4.3单向导通装置中的过电压保护445.5防凝露措施455.6直流隔离开关455.7 单向导通装置设计中的自动消弧装置475.8本章小结486 总结与展望496.1总结496.2展望49参考文献50翻译部分551 英文资料552 中文翻译63致 谢69中国矿业大学2009届本科生毕业设计 第 68 页1 绪 论1.1 引言随着科学技术和城市化的发展，大运量的轨道交通在现代化大城市中起着越来越重要的作用。城市轨道交通对改善现代城市交通、优化城市总体布局、促进国民经济发展等所发挥的作用是不容置疑的客观事实。随着经济的的蓬勃发展，在我国大、中型城市也掀起了兴建地铁的浪潮。我国目前已经批准深圳、南京、武汉、重庆、长春、青岛、大连以及哈尔滨等城市启动各自的地铁与轻轨工程项目。可以预见，在相当长的一段时期内，我国轨道交通将处于快速发展阶段。目前地铁和轻轨的牵引方式采用电力牵引，且大多数为直流供电。列车所需电流由牵引变电所提供，通过接触网（架空线或接触轨）向列车送电，并通过走行轨作为牵引电流回路，返回牵引变电所，由于钢轨对地不可能完全绝缘，有大部分电流泄露到大地，称之为杂散电流。杂散电流会导致埋地金属结构尤其是钢轨和钢轨紧固件严重的杂散电流腐蚀。此外，车场以及正线的特殊地段，如隧道口等，由于轨道对地过渡电阻降低，会导致杂散电流泄漏的增加。在我国地铁设计中，常采用在正线和车场，正线和特殊地段之间设置绝缘结，并在绝缘结两端连接单向导通装置，来防止杂散电流腐蚀。可见，单向导通装置对于地铁的安全运营起着关键性作用。1.2 单向导通装置概述单向导通装置的主要器件为整流二极管，作用是使钢轨中电流只流向一个方向，而在另一个方向截止。当整流管发生反向击穿流过反向电流时，串接在该支路上的电流传感器可以检测到该电流，经监测单元处理后，报上位控制系统。图51为单向导通装置原理及与轨道绝缘结的安装示意图。图11单向导通装置原理及与轨道绝缘结安装示意图1.3 单向导通装置国内研究现状在地铁（轻轨）走行轨系统中，轨道的某些特殊地段设置单独的绝缘接头，其目的是尽量缩小杂散电流的存在与作用范围，从而减少杂散电流腐蚀。而在采用绝缘接头的钢轨部位，为保证回流电流的正常流动，必须采用单向导通装置，用于连接绝缘接头两端钢轨，使钢轨中电流只流通一个方向，而在另一个方向截止。 单向导通装置分为普通型单向导通装置和带消弧功能的单向导通装置。在车辆段处可以使用普通型单向导通装置，而在地铁供电线路正线上使用绝缘结和单向导通装置，可能在绝缘结处产生电弧而烧损轨道，所以必须使用带消弧功能的单向导通装置。带消弧功能的智能单向导通装置既可以起到回流电流的单向导通作用，又具有消弧作用，克服了轨道打火的现象。(a)YGN2Q单向导通装置该装置用于地铁（轻轨）轨道系统。在地铁（轻轨）轨道系统中，车场、车辆段、隧道、高架桥等特殊地段的轨道上需要设置绝缘接头，其目的是为了尽量减少杂散电流并缩小杂散电流影响的范围，从而减少杂散电流对结构钢筋的腐蚀。而在采用绝缘接头的钢轨部位，有机车运行时，为保证回流电流的正常流动，必须采用单向导通装置，并接于地铁轨道设置的绝缘结处，用于连接绝缘接头两端的钢轨，使钢轨中电流只流向一个方向，而在另一个方向截止。(b) 单向导通装置（山西永济电机修厂）装置内设置有隔离开关，用于在单向导通装置出现故障时连接绝缘结两端钢轨，使列车能够正常运行。柜内设置的数据采集控制及远程通信系统可实时检测主回路的运行状态，并具有远端通信接口，可连接到控制信号盘的通讯网络上，在监测系统的主控机上实时观测单向导通装置的运行情况，以便在发生故障时及时处理。(a)YGN2Q单向导通装置 (b)单向导通装置（山西永济电机修厂）图12 单向导通装置实例（c）DXHO-1型带消弧设施单向导通装置主要技术特点：普通单向导通装置的主要电路由大功率二极管组成。在列车通过绝缘结二极管的瞬间，可能造成电流突变而产生过电压，满足了电弧产生的条件，从而产生电弧。由于列车运行所需的电流很大，使得电弧能量非常大，因此会严重地烧损轨道。带消弧功能的单向导通装置设计有单独的消弧电路，保证在列车通过绝缘结时，在单向导通装置的二极管反向电压超过产生电弧的电压之前，在电气上短路二极管，起到了消弧作用。消弧装置在智能控制仪表的控制下进行工作。同时智能控制仪表还可以实时检测主回路的运行情况，并可以通过远端通信接口连接到远程控制器或杂散电流自动监测系统的通讯网络上，在监测系统的微机系统上实时观测单向导通装置的运行情况，以便发生故障时及时处理。应用情况： DXHO-1型带消弧功能的单向导通装置在广州地铁一号线、广州地铁二号线、大连快轨三号线以及武汉轻轨使用，运行情况良好。1.4 目前存在问题（1）地铁主体结构钢筋、电气设备、地铁四周的埋地管线经常遭受地铁杂散电流的电化学腐蚀。这种杂散电流腐蚀减少埋地管线使用寿命，降低地铁主体结构的耐久性和强度，有时甚至造成灾难性的事故；同时造成一定的经济损失。（2）通过对安装有单向导通装置的绝缘结处进行实际观察，发现一般都是列车车轮离开绝缘结时，产生强烈的电弧而烧损轨道。1.5 本论文的主要内容和工作由于地铁在设计和运行过程中存在两个主要问题，分别为地铁杂散电流和列车车轮经过绝缘结时产生的电弧，所以本文的主要内容和工作为：（1）绝缘结设置的位置及其作用；（2）关于杂散电流的问题分析；（3）列车通过绝缘结时的几种状态及产生电弧的分析；（4）轨道参数分析与计算；（5）MATLAB仿真；（6）带有灭弧功能的单向导通装置整体设计。2 杂散电流的危害及防护2.1杂散电流的产生及危害2.1.1杂散电流的概念 地铁具有运量大、安全舒适、运输成本低等优点,且与地面的交通工具互不干涉,因此成为解决城市交通拥挤紧张状态的有效途径。目前地铁列车牵引动力一般用直流电,由设置在沿线的牵引变电所通过架空线或第三轨向列车馈送电量,并利用走形轨作为回流线路。直流供电的地铁系统的走形轨本身具有电阻且走形轨对地做不到完全绝缘,所以有一部分电流从走形轨泄漏到大地。这部分从走形轨漏出的电流被称为杂散电流又叫迷流。2.1.2杂散电流的产生及危害城市的地铁牵引供电系统是直流架空接触网供电制式，以钢轨作为牵引回流的通道，在地铁系统中，钢轨直接安装在整体道床上，通过防震绝缘垫和道床结构钢筋隔离。在地铁长期的运营过程中，灰尘、污水、道渣、金属粉末等吸附在防震绝缘垫上，减小了钢轨和整体道床之间的泄漏阻抗，钢轨中的电流通过这些污染物流入到整体道床中，从而产生杂散电流。地铁整体道床、隧道、高架桥内的结构钢筋为杂散电流的通路。地铁杂散电流产生示意图21。图21 地铁杂散电流产生示意图杂散电流从走形轨漏出后，经过地铁的道床流入大地，然后从大地流回钢轨回流点。若地铁四周有导电性能较好的埋地金属管线(如自来水管、煤气管道、电缆等)，则有一部分杂散电流选择电阻率较低的埋地金属管线作为流通路径，在变电所四周从金属管线中流出流回变电所。对于走形轨杂散电流是在远离变电所的地方流出，对于埋地金属管线杂散电流是从变电所四周的部位流出，由于土壤或其它介质的作用，金属体有电流流出的部位发生电解，使金属体遭受电化学腐蚀。这种电化学反应易腐蚀地铁钢轨、地铁主体结构钢筋、地铁线路四周的埋地金属管线，减少埋地管线使用寿命，降低地铁主体结构的耐久性和强度，有时甚至造成灾难性的事故。钢轨埋设在地表面，易于发现损坏状况，且便于更换，所以杂散电流腐蚀对其的危害不是很大;但由于地铁主体结构钢筋和埋地金属管线埋设在地下，其腐蚀情况不易察觉，所以杂散电流腐蚀对地铁主体结构钢筋和埋地金属管线的腐蚀危害是很大的。 例如从20世纪70年代开始运行的北京地铁一期工程的主体机构中的钢筋已发现有严重的杂散电流腐蚀；北京、天津地铁都有水管被侵蚀穿孔的情况；香港也曾因杂散电流腐蚀煤气管道引起煤气泄漏;在一些地铁运行历史较长的发达国家，杂散电流腐蚀同样严重，如英国曾发生过因为杂散电流腐蚀而发生的钢筋混泥土塌方事故。可见，寻求减少杂散电流腐蚀危害的方法是非常重要的。目前又是我国建设地铁的高潮时期，因此全面考虑杂散电腐蚀问题，设计合理的杂散电流防护方案具有一定的现实意义。2.1.3杂散电流腐蚀机理 地铁迷流对埋地金属管线和混凝土主体结构中钢筋的腐蚀在本质上是电化学腐蚀,属于局部腐蚀,其原理与钢铁在大气条件下或在水溶液及土壤电解质中发生的自然腐蚀一样,都是具有阳极过程和阴极过程的氧化还原反应。即电极电位较低的金属铁失去电子被氧化而变成金属离子,同时金属周围介质中电极电位较高的去极化剂,如金属离子或非金属离子得到电子被还原。地铁直流牵引供电方式形成的迷流及其腐蚀部位如图22所示。图中,为牵引电流,、分别为走行轨回流和泄漏的迷流。图22 地铁直流牵引供电方式形成的迷流及其腐蚀部位由图22可得地铁迷流所经过的路径可概括为两个串联的腐蚀电池,即电池:钢轨(阳极区)+道床、土壤+金属管线(阴极区);电池:金属管线(阳极区)+土壤、道床+钢轨(阴极区)。当地铁迷流由图21中、(阳极区)的钢轨和金属管线部位流出时,该部位的金属铁便与其周围电解质发生阳极过程的电解作用,此处的金属随即遭到腐蚀。概括起来可将发生腐蚀的氧化还原反应分为两种:当金属铁周围的介质是酸性电解质,即平面段轨道长度，故并联后可仅以平面段轨道长度计算相关轨道电路参数。以上数值带入图37的电路模型中，可得如图33。(0 1 2 4)图3-3（a） 回流轨IRJ的轨道电位差模拟结果图3-3（b） 回流轨IRJ的轨道电位差模拟结果局部放大图图3-3（c） 回流轨IRJ的跨接电流模拟结果图3-3（d） 回流轨IRJ的跨接电流模拟结果局部放大图图3-3 回流轨IRJ的轨道电位差及跨接电流模拟3.4.3机修厂边界与主线界接绝缘结的实际值模拟下列为推导的钢轨电阻、钢轨电感及实际量测所得之轨道对地泄露电阻，所组成的回流轨轨道参数。二极管正向电压：0.7V。平面段轨道长度：10km。机修厂回流轨轨道长度：2km。：0.035（/km/轨条；规范值）10（km）/4（主线4轨并联）=87.5（m）：1.051（mH/km/轨道；推导值）10（km）/2（主线2轨道并联）=5.255（mH）。：214.45（/轨道；量测值）/10(km)/2（主线2轨道并联）=1.445（）。：0.035（/km/轨条；规范值）2（km）/80（机修厂80轨并联）=875（）。：1.051（mH/km/轨道；推倒值）2（km）/40（机修厂40轨道并联）=52.55（H）。：0.137（；量测值）。上列数值代入图3-2之电路模型中，可得如图3-5。图3-5（a） 回流轨IRJ的轨道电位差模拟结果图3-5（b） 回流轨IRJ的轨道电位差模拟结果局部放大图图3-5(c) 回流轨IRJ的跨接电流模拟结果图3-5(d) 回流轨IRJ的跨接电流模拟结果局部放大图图3-5 以实际测量的轨道对地泄漏电阻模拟回流轨IRJ的轨道电位差及跨接电流模拟结果下列为推导的钢轨电阻、钢轨电感及实际量测所得的轨道对地泄露电阻，所组成的导电轨轨道参数，在主线并不区分导电轨或回流轨，故导电轨于主线的轨道参数同回流轨相关参数。二极管正向电压：0.7V。平面段轨道长度：10km。机修厂导电轨轨道长度：2km。：0.035（/km/轨条；规范值）10（km）/4（主线4轨并联）=87.5（m）：1.051（mH/km/轨道；推导值）10（km）/2（主线2轨道并联）=5.255（mH）。：214.45（/轨道；量测值）/10(km)/2（主线2轨道并联）=1.445（）。：0.035（/km/轨条；规范值）0.2（km）=7（m）。：1.051（mH/km/轨道；推倒值）0.2（km）=210.2（H）。：215（/轨道；规范值）/0.2(km)=150()。上列数值代入图3-2之电路模型中，可得如图3-6。图3-6（a） 导电轨IRJ的轨道电位差模拟结果图3-6（b） 导电轨IRJ的轨道电位差模拟结果局部放大图图3-6（c） 导电轨IRJ的跨接电流模拟结果图3-6（d） 导电轨IRJ的跨接电流模拟结果电流局部放大图图3-6以实际测量的轨道对地泄漏电阻模拟导电轨IRJ的轨道电位差及跨接电流模拟结果3.5轨道电位差及跨接电流模拟分析结论由模拟回流轨IRJ跨接电流的结果（图3-3）可知，当断路器投入瞬间，模拟所得的跨接电流的上升时间约为100ms，实际测量时间约为500ms。在此模拟结果中，当断路器投入后，回流轨IRJ跨接电流仅约280A，而实际测量结果约为600800A。当模拟断路器打开瞬间，回流轨轨道突波电压约为700V，且呈现出电感性电路断流的突波电压反应，现场量测量的轨道突波电压约为8001000V。在以上两个模拟量测试中，我们可获得约同于现场的实际波形，但在轨道突波电压、IRJ跨接电流及其上升时间与实际测量结果有些不同，我们的推论应为现场的轨道对地泄漏电阻与先前推导所得之理论值差距所导致。接着我们以实际所测量的轨道对地泄漏电阻来模拟，以证明我们的推论。我们可由图3-5得知，当以实际量测之轨道对地泄漏电阻代入此模型时，当断路器投入后，回流轨IRJ跨接电流约630A，与实际量测结果（600800A）较为近似。当模拟断路器打开瞬间，