外文翻译-轨道交通中不同接地方式对轨电位和杂散电流影响的分析

英文原文中文译文轨道交通中不同接地方式对轨电位和杂散电流影响的分析摘要本文研究了台北轨道交通系统的不同的接地方式，包括不接地，接地，和二极管接地，对杂散电流和钢轨电位的影响。台北的轨道交通系统采用直流牵引供电，走行轨被用来当作牵引电流的返回通路。这种系统的优点是无需专设回流通路，缺点是易受钢轨电位和杂散电流的影响。因此，接地方式的分析是非常重要和必要的。红线标出的是Tamshui站和Chuwei站之间的仿真结果。关键词二极管接地，直接接地，钢轨电位，杂散电流，不接地1引言电气化运输系统在全球被广泛使用。这种方式减轻了公路运输的压力，提供了有效的大运量交通。由于台湾省的陆地和自然资源的限制，人口居住非常密集，所以，城市的电气化轨道交通的发展是重要和必要的。因此，1991年，台北市政府同一家国外公司合作设计的台北轨道交通系统如图1所示。图1是台北地区已完成的和计划的轨道交通图。到2003年底，如图实线所示，包括两个互相交叉的两轨系统5条线路，总长度为91.4千米。图1中用虚线表示的是规划中的其他线路。台湾省的轨道交通系统是一个直流电力牵引系统，通过第三轨系统供电(两条走行轨作为直流的负极，第三轨道作为直流的正极)。由于走行轨电阻和轨-地电阻，走行轨会产生泄漏电流，被称作杂散电流，如图2所示。它可能导致钢轨电位升高(影响人身安全)与电化学腐蚀(影响设备寿命)。现代杂散电流控制可分为两部分:1)改进轨道交通系统，2)改进周边地区的地下结构。如1-7示。这两种方法是通过下面的一个或多个来实现的：1)减小钢轨回路的电阻；2)增加轨-地电阻；3)增加埋地金属结构的表面阻抗；4)增加埋地金属结构的阻抗。上述第1项和第2项与轨道交通系统的改进有关，而第3项和4项与地下结构的改进有关。我们将讨论第2项。轨-地电阻的增加对减少杂散电流泄漏有很大的影响。通过增加轨-地电阻，杂散电流的路径不如运行的钢轨回路中的杂散电流明显。四种方法可用来增加泄漏途径阻抗，分别是增加轨-地电阻，采用不接地、直接接地、或经过二极管接地方式，正线与车辆段隔离，轨道按区间隔离。我们仅仅论述第2种方法，因为其他方法已经超出本文范围。图.1.台北轨道交通系统中已完成和规划中的网络概图图.2.杂散电流对埋地结构的影响图.3.台北轨道交通的供电系统结构图2系统描述台北的轨道交通系统完全是一个自动化系统，除了图中棕色的线路以外，所有线路都采用大容量列车，通过车轮运行钢轨上。棕线采用的是中等容量的列车。大容量系统设有六个车厢，每列火车设有一位司机来处理突发事件。控制中心能够调度火车的运行和轨道的信号系统。棕线使用的是法国制造的MATRAval256型号的电车。这种四节车厢编组的列车装有隔音橡胶轮胎运行在加强钢筋混凝土表面。他们通过控制中心调度，完全自动运行，此方法方便灵活。供电系统是电气化铁路系统中最重要的设施，分为161千伏的高电压系统，22千伏的中压系统和750伏、380伏、110伏的低压系统。它提供了列车运行的必要的能量，满足车站和车辆段的电力需求。台北的轨道交通系统是由台湾供电公司提供161KV的馈线单元来实现的。连接台湾电力公司和大众电网的枢纽变电站把161KV的电压降压到22.8KV(标准电压是22KV)。然后将此电压输送给整流变电站(牵引变电站)，在输送到牵引变电站，最后到车站。每个枢纽变电站包含高压开关设备、四个高压变压器、两套中压开关设备。台北的轨道交通系统的供电系统框图如图3所示。图.4.一列火车系统的简化直流馈线图.5.一列火车系统的简单的不接地方式供电牵引电站给牵引系统和车辆段提供能量。两个牵引电站的平均距离是1.5公里。每个牵引电站由中压开关柜、整流变压器、整流器和直流开关柜。整流变压器进一步将22.8KV的电压降压到589V。整流变压器的二次电压被变换为750伏的直流牵引电压。车站变电所提供能源来操作辅助装置，如电梯、车间、照明等。每个车站和车辆段都有自己的供电系统，配备一台中型高压开关装置及电力变压器。他们直接从枢纽变电站中型高压开关单元得到电源，电力变压器把228千伏的电压降压到380v的低压开关。3数学模型接地系统的数学模型，包括不接地、直接接地、和本节介绍的二极管接地回路。为了了解杂散电流的特性，直流电牵引系统的接地被认为是一个均匀的电感。因此，每个接地方案的解析都是有用的，主要体现在对钢轨电位和杂散电流的论证上。A中性点不接地方案考虑一个简单的系统，轨道有限长度为L和一列火车只由两个附近的牵引变电所供电，如图4所示。为了抑制每个接地系统中的钢轨电位和杂散电流，两个牵引变电所改成两个电流源。例如，这种情况体现在台湾钢轨传输系统的tamshuui(r33)站和hongshulin(r32)站之间，如图5所示。P1和P3是固定点，而P2看成是火车的位置，图.6.两列火车的简化直流馈线系统图.7.两列火车的不接地的简单的直流馈线系统是一个动态点。电流的正方向定义为X轴的方向。假设轨道-接地电阻均匀，流过轨道导体的电流是i(x)和P1P2与P2P3之间的轨道电位是v(x)，它们满足基尔霍夫定律如下8-12所示：在P1P2段，)(xirxrxecec21(1)()(210rxrecRv(2)在P2P3段,)(xirxrxecec43(3)()(430rxrecRv(4)在此公式中，是传输常数，(m1);GR0是钢轨接地系统的阻抗特性(1)；RR是钢轨导体单位长度的电阻(.m1)；G是钢轨接地系统的漏电抗(S.m1)；C1,C2,C3,C4是依具体边界条件的常量类似于一列火车系统的情况，如图4所示，图6说明列车长度为固定值L的两列火车牵引系统，及其相应的不接地直流馈线铁路系统如图7所示。基于一列火车的模型，P1P2段和P2P3段的列车导体的电流和列车的电位与前面的分析是一样的。此外，在P3P4段和P4P5段的电流和电位与前面的分析也一样，其公式如下：图.8.两列火车的硬接地系统的简化结构在P3P4段，)(xirxrxecec65(5)()(650rxrecRv(6)在P4P5段，)(xirxrxecec87(7)()(870rxrecRv(8)用边界条件、利用基尔霍夫电压和电流的法律，可以得出下列方程:(9)1211Ick3ecrr(10)214211Irere(11)215232Icerr(12)126422Irere(13)27353Icrere(14)28363Irere(15)13827211Ickckrere(16)在上述公式中，K1=R0/R210和K2=R0/R221。因此，常数c1，c2，c8可以通过解(9)至(16)的方程得到。注意的是：R210和R221分别是r33变电站和r31变电站的输入接地阻抗。他们的单位都是欧姆。因此，P1P2，P2P3，P3P4和P4P5的钢轨电位和杂散电流可由式(1)-(8)中的参数来代替。B中性点直接接地方案除了每个变电站的负母线是直接接地外，直接接地系统的分析模型和不接地系统相似，如图8所式，我们已经选定一个虚拟电阻接近零，代表短路。因此，钢轨电位和杂散电流的推导与不接地牵引系统类似。钢轨电位和杂散电流的方程，在每一节都相同，除了常数C1,C2,C8。由代的边界条件，利用基尔霍夫电压和电流的定律，下列微分方程可以得出:1211Ickckgg(17)1311Ierr(18)214211Icrere(19)12543222Icekrregreg(20)12643222Ickreregreg(21)27353Icerr(22)28363Irere(23)13827211Ieckckrgreg(24)在上式公式中，k1和k2。因此，常数c1，c2，c8可以通过解(17)至(24)的方程得到。因此，P1P2，P2P3，P3P4和P4P5的钢轨电位和杂散电流可由式(1)(8)中的参数来代替。C中性点经二极管接地方案二极管接地系统是不接地和接地系统的一种折中方案。它们往往被用来消除来自直接接地系统的杂散电流腐蚀问题，而且还保持电位在一个安全的水平。二极管接地系统由金属导体通过半导体二极管连接整流器负母线。当达到某个门槛电压时二极管可使电流从地网流向负母线。门槛电压可以是低电平10V或高电平50V这要根据变电站的具体状况确定。这样，对地电压易于消除，不会达到危险水平。二极管接地系统也建议遵循了先前诸如维持高轨-地阻抗。不过，二极管接地系统仍可产生杂散电流，尤其是在铁轨和铁路紧固件中轨-地电阻低时。此外，由于半导体接地路径，当超出门槛电压时走行轨会产生周期放电。任何两个变电站的二极管接地系统的钢轨电位和杂散电流的分析模型列在图9，该钢轨电位和杂散电流的数学公式是接地系统和不接地系统折中的结果。在二极管导通和不导通时钢轨电位和杂散电流的数学公式方程都要用到。因此，我们并不需要再推导那些方程。4仿真结果及分析试验铁路线被用来仿真接地的钢轨电位和杂散电流的效果。它是一个双轨路线，路线长度为33公里和20个客运车站。为求简便，我们只展示R33和R31变电站之间的仿真钢轨电位图.9.两列火车的二极管直接接地的简单系统图.10.列车在三个变电所之间的供电电压曲线图.10显示一列车由R33走向R32，其他列车从R32走向R31。不管两个变电站之间的距离如何，曲线的恒量区域的长度可能会有所改变，但曲线加速和减速都是一样的。火车消耗功率加速过程，虽然它产生能量，但在急剧减速。为仿真每个接地系统，要用到以下参数:运行轨道之间tamshui(R33)和hongshulin(R32)车站长度为2.09万公里，长度运行轨道之间hongshulin(R32)和chuwei(R31)车站1.91公里，阻力每次跑铁是0.035/公里，两个运行轨道对地的电导是0.02s/公里。列车R33和R32之间的运行时间是120秒，同时列车r32和r31之间运行时间的是110秒。另外，TSS2和TSS3之间的都是公里。为了简化分析，我们假定电阻和特定阻抗相等。图.210R210R11-13分别显示了不接地系统，直接接地系统和二极管的接地系统中一火车从R33站离开及另一火车从R32站离开累计泄漏电流三种不同瞬时时间(即10，70，100s)。三种不同的时间分别显示了列车恒速，减速从R33运行到R32。从图.11可看出当火车匀速时累计漏电流接近零。相比之下，累计漏电流相当大时，火车是在加速度和减速。、图.11.不接地系统在T=10，70，100s时钢轨电位和累计泄漏电流之间的关系图.12.直接接地系统在T=10，70，100s时钢轨电位和累计泄漏电流之间的关系总泄漏电流的正值是指电流从运行轨道流向地面而负值是指电流从地面流向运行轨道，对比图11和12结果，在加速和减速区接地系统中的累计漏电流大约是不接地系统中累计漏电流的30倍以上。而不接地系统列车在恒定速度时泄漏电流几乎接近零，这是因为在这一地区牵引动力几乎为零。比较图13、图11和12结果，我们发现，在二极管接地系统中得到的泄漏电流比在直接接地系统中得到的结果小。因为二极管接地系统是直接接地系统和不接地系统的折中，特性介于两个接地系统之间。同样，图.14-16分别显示了不接地系统，直接接地系统和二极管接地系统在三个不同时刻(即10，70，100s)时的钢轨电位。图.13经二极管接地系统在T=10，70，100s时钢轨电位和泄漏电流之间的关系图.14接地系统在T=10，70，100s时钢轨位置和钢轨电位的关系经过一火车从R33离开和另一火车从R32离开。从图.14可看出，钢轨电位在恒速地区接近零，但有几个伏特的运行轨道在加速和减速区。钢轨电位，在变电所接地牵引的系统很可能高于或低于其参考电压。在这种情况下，在不接地牵引系统中的地面变电站的钢轨电位可能比参考电压高或低，由于此电压可能会损坏设备，并可能危害人类周围地区变电所13、14。因此，为了保障装备和避免意外发生，过压保护设备将安装在各变电站。从图.15钢轨接地电位在每一个变电站都几乎为零，不考虑驾驶地区的列车。不过，接地系统的缺点是将增加三个接地系统的累计漏电与它最大累积泄漏电流。比较图.16、图.14和15的结果，我们发现钢轨toground电位chuwei接近零的二极管牵引系统，因为忽视转向电压(1.5V)的图.15钢轨电位对列车位置10，70，100s的接地系统图.16钢轨电位对列车位置10，70，100s二极管接地系统二极管不考虑机车的驱动。因此，在接地系统中它是小于轨-地电压。不过，在10和第100秒时高于不接地系统，这可能是危险的，并可能损坏设备。注意到如图(1)和(3)所示，在10s(0.35公里)，100s(1.8公里)之间分配的漏电流。漏电流在0.35公里和180公里之间逐步变化，直到P2P3部分的钢轨电流比P1P2部分高，同样，根据(2)和(4)由于P2P3部分的钢轨电流比P1P2部分高，钢轨电位在有坡度地点较高。此外，R33的钢轨电位是2004年9月22日为二极管接地系统测量的，如图.17，当时一列火车是从R33驶向R32。从图.17可看出，两列火车模型比一个火车模型更接近实际测量值，钢轨电位可能不会等于零，当时两列火车模型中一列火车正匀速的行驶。图.17当列车从R33向R32运行时钢轨电位的变化5总结和结论计算机仿真模型已经开发，试验铁路线用于仿真不接地，直接接地，二极管接地等系统。不接地系统代表了另一种极端牵引供电系统的设计。一个不接地系统的缺点是平台和地之间必须有相当高的电位。所幸的是，正在研究过压保护设备及绝缘平台