钢轨电位限制装置控制器设计

摘要在我国，城市轨道交通发展迅速，多个城市都开始建设轨道交通，而因轨道交通所产生的问题也非常多，以人为本的建设理念也就因此产生，其中因为钢轨电位很容易危害到乘客和工作人员的人身安全，所以对于钢轨电位限制装置控制器的研究就必不可少了。本文先简要的介绍城市轨道交通的直流牵引供电系统，像机车受电、回流系统和方式也进行了一定程度的描述，还介绍了关于钢轨电位限制装置控制器的国内外研究现状，以更好的表现出钢轨电位限制装置控制器在城市轨道交通安全中的重要性。此外，本文对于钢轨电位产生的原因、分布规律以及特点也进行了一部分的研究，对于钢轨电位的分布进行了模型建立，并简要分析了影响钢轨电位的几个因素。最后又对钢轨电位限制装置控制器进行了相应的设计，并对控制器进行了选型。关键词：钢轨电位；限制；控制器；PLC；晶匣管ABSTRACTAtpresent,withtherapiddevelopmentofurbanrailtransit,morecitiesarebuildingurbanrailtransitinChina.Duetothissituation,itproductssomanyproblemsandsomethingrelatedtoithavereceivedwidespreadattention,includingrailpotentialwhicheffectspersonalsafetyofpassengers.Sotheresearchaboutover-voltageprotectiondevicecontrollerisverynecessary.Atfirst,thispaperintroducestheDCtractionpowersupplysystemsinurbanrailtransit,discusseslocomotivepowered,therefluxsystemandthewayofcurrentreturning.Andshowsresearchesonrailpotentialthathavebeendonebothdomesticandaboard,thatcandemonstratetheimportantofover-voltageprotectiondevicecontrollerinthesafetyofurbanrailtransit.Inaddition,thispaperanalyzedthedistributionrulesandthemainfactorsinfluencingtherail-to-groundpotentialbybuildingthemathematicalmodeloftherail-to-groundpotential.Finally,designingtheover-voltageprotectiondevicecontroller,andselectedthemaindevicesanddesignedthehardwarecircuit.Keywords:Railpotential;Restrict;controller;PLC;Thyristor目录1绪论11.1城市轨道的发展及研究本课题的意义11.2国内外研究现状21.3论文的主要内容32轨道交通直流牵引供电系统42.1直流牵引供电系统的重要性42.2直流牵引供电系统42.3直流牵引供电系统的保护研究52.4牵引供电系统电气参数采集的研究53钢轨电位的理论分析73.1钢轨电位73.1.1钢轨电压的产生73.1.2钢轨过电压的产生原因与钢轨电位升高的危害73.2钢轨电位分布模型的建立83.2.1系统直接接地模型83.2.2系统悬浮接地模型103.3钢轨电位的分布规律和特点总结113.3.1直接接地模型113.3.2系统悬浮接地模型133.4小结144控制器硬件选型及设计164.1控制单元结构设计164.2数据采集模块174.2.1霍尔传感器的工作原理174.2.2霍尔电流传感器184.2.3霍尔电压传感器194.3CPU模块的选择214.3.1PLC与单片机的比较214.3.2PLCCPU224XP芯片224.4I/O扩展模块EM231244.5电源扩展模块254.6脉冲变压器254.6.1脉冲变压器与一般变压器的比较264.7短路装置模块的介绍及选型264.7.1中间继电器264.7.2接触器274.7.3晶闸管285控制单元的软件设计325.1S7-200编程软件介绍325.1.1编程软件和运行环境325.1.2自诊断功能325.3程序结构分析和设计335.3.1主控制回路的设计335.3.2三段式保护程序345.4钢轨电位限制装置可靠性及抗干扰设计36结论38参考文献39附录设计代码41翻译部分47英文原文47中文译文53致谢641绪论1.1城市轨道的发展及研究本课题的意义自从进入21世纪以来，在我国各大城市中因为车辆过多而引发的交通秩序混乱和汽车的尾气排放污染严重、道路狭窄而引发的汽车堵塞等问题已经严重影响了城市居民的正常出行和身体健康，汽车这种交通工具已经不足以满足城市居民的日常需求，据北京交通局最新的研究表明，等到2015年为止，机动车的保有量约为七百万左右，而这时汽车在马路上的行驶速度将低于15公里/小时，再加上汽车尾气的大量排放，这已经严重影响了城市居民的日常出行和身体健康，所以城市轨道交通的发展已经不可阻挡了。现今在我国，北京、天津、上海、南京等各大城市也大都建有地铁，为了解决城市居民的日常工作和出行问题，也由于地铁具有运量大，能耗少、快捷、准时、无污染、不占地面资源等优点，凭借这些独特性，地铁已成为了目前城市轨道交通中的主要运输方式。地铁具有十分优良的运输能力，根据北京市地铁数据显示表明，在城市居民上下班高峰期，地铁的双向运输能力可达到612万人/小时，远远高于地面公共交通运输的68万人/小时，而且其平均行驶速度为3060km/h也明显高于地面交通。现在，一个城市的轨道交通发展已经成为了显示这个城市现代化的重要凭据，截至20世纪末，世界上约有114168个城市建有轨道交通。在中国，截至2010年底，已有北京、天津、上海、广州、深圳、南京、香港、台北、佛山等22个建有地铁，现在的城市轨道的建设在全国各大城市已经成为了优先项目，也成为一个城市现代化发展的表现了。为了满足城市发展的需要，有必要建立一个大型的、现代化的城市立体交通网络，而城市轨道系统的发展在这个立体交通运输网络大整体里是一个非常重要的部分，它甚至决定了城市的发展规模。可以这么说，城市轨道交通的发展程度取决于城市的现代化发展程度，而同时城市轨道交通的发展又可以促进城市的可持续发展，解决道路拥挤和尾气污染等问题。目前，世界上已建城市轨道交通的国家、地区有42个，城市143个，路网总长13000多千米。根据调查表明：大力发展城市轨道交通，也就是地铁、轻轨和磁悬浮列车等的发展是解决很多大城市因车辆过多而引发交通拥挤堵塞、市民的日常出行困难、汽车的尾气排放污染环境等严重问题的有效交通方式。目前我国的一些大城市随着经济方面的迅速发展，城市居民拥有车辆的也越来越多，在这之后出现的道路拥挤、汽车尾气排放引发的环境污染严重、市民乘车麻烦和居民出行困难等道路交通问题也越来越多，这些问题都在催促着城市发展轨道交通。随着我国的国民经济日后发展的愈加迅速，城市轨道交通的发展必将解决因道路交通而带来的各种问题，而它也一定会迎来轨道交通的稳定发展期。人民生活越来越好，因而买车的人也越来越多，道路交通拥挤在各大城市中已经见怪不怪了，因此我国各大城市为了解决交通问题，地铁就成了一种必备的交通工具了，各大城市的轨道交通建设已然处于一个快速发展期，多个城市的建设速度和规模在国内外都属史无前例，但随着城市轨道交通建设和运营逐步网络化，城市轨道交通在解决城市交通问题的同时，因轨道交通所产生的安全问题也随之产生，以人为本的建设理念也就因此产生，对于人身防护问题也越来越重视，其中因为钢轨电位很容易危害到乘客和工作人员的人身安全，就显得在合适的时候限制钢轨电位的研究十分重要，所以对于钢轨电位限制装置控制器的研究就必不可少了。1.2国内外研究现状由于钢轨电位限制装置控制对于我国城市轨道交通有这重大意义，不仅要保证人员安全，还要提高在实际中的效率问题，因此钢轨电位理论研究、现场检测和防护问题就一直备受关注，所以关于它的相关研究非常多，并且很多研究成果已经在国内外城市轨道交通中得到应用。要对钢轨电位限制装置控制器进行研究，就要对钢轨的分布进行了解分析，然而目前想要建立跟实际相符合的钢轨电位分布模型并对其进行研究是相当困难的，只能对于已知条件进行取舍和简化，尽可能的建立相对于实际情况来说相对符合的钢轨电位分布数学模型，这样就可以对于钢轨的电位分布进行定位研究，并从中提出较好的钢轨电位限制装置的控制方法，这对于以后的研究是十分有利的。现在国际上相当重视对钢轨电位的研究，在美国，基本每年都会举办一个对于城市轨道交通方面的学术交流会。张孝雨等通过直流牵引系统的离散数学模型的搭建进而对钢轨电位的分布进行理论分析，同时提出了在模型中影响钢轨电位变化的几个参数；相对于KinhD.Pham,P.E建立关于直流牵引回流系统的数学模型并采用了球形电极的相关理论，其给出了测量大地上任意两点之间电位差的方法，并同时分析了当机车处于不同供电区间位置、取不同的钢轨纵向电阻值时钢轨对地电位的变化曲线；田胜利根据城市轨道交通牵引供电直流系统的特点，阐述框架保护、钢轨电位限制装置等设备的作用和工作原理，分析了牵引供电直流系统正常和故障情况下各设备之间的动作时间和相互配合关系；繆耀珊分析了钢轨电位产生机理，并提出了降低钢轨电位的可能措施及一些相关建议；王凯建、韩连祥等对城市轨道交通钢轨电位限制器应用中存在的问题进行分析，如频繁通断及闭锁会导致杂散电流泄漏增大、运营维护工作量增加等。结合钢轨电位限制器的功能及动作原理，提出引入列车进/出站信号作为保护判据的新型控制方式，以减少钢轨电位限制器的误动作；张耀分析了电气化铁路牵引供电区段钢轨电位的产生机理及钢轨电位升高后产生的危害，在阐述钢轨电位表征参数的基础上，推到了AT（AutoTransformer.自耦变压器）供电区段钢轨电位及电流的分布规律。通过分析AT供电方式的基本原理，利用Matlab/simulink软件搭建了AT供电方式下牵引回流系统的仿真模型，根据模型分别仿真分析了不同牵引供电方式、线路单复线、列车追踪时间及钢轨对地泄漏电阻对钢轨电位的影响效果。通过对比国内外的研究现状，发现我国对于城市轨道交通的研究跟国外的研究还是存在很大的差距的，我国研究主要在仿真研究上，对于现场实际情况的研究有一定程度上的欠缺，而国外就恰恰对现场情况数据研究较为深刻；而且研究内容较为分散，对于城市轨道交通没有一个系统的分析，对于很多问题都是通过老经验进行判断，没有一个确切的定论，很多相关的标准主要也是借鉴国外的，我国一直没有一个属于我们的标准。1.3论文的主要内容在城市轨道交通的建设过程中，大多数情况都是直接将钢轨铺设在道床上面，但由于钢轨与大地之间并没有良好的绝缘体，使回流点与机车附近的钢轨都产生了十分明显的钢轨对地电位，很可能对轨道线路维护人员以及旅客的生命造成伤害。因此，需要对于钢轨对地电位的轨道直流牵引供电系统的工作原理、钢轨对地电位的影响因素以及钢轨电位的分布规律和特点进行进一步研究。在城市电网中，DC1500V的架空接触网一般情况下都是给城市轨道交通牵引供电系统供电,用走行轨作为回流通路。为了减少杂散电流对钢轨电位产生影响并且对地铁隧道里的钢筋结构、钢轨及其它地下金属管线产生一定程度上的破坏,城市轨道交通建设中都采用了较完善的防护杂散电流的措施，也就是通过在钢轨和大地之间铺设上绝缘垫，使其两者之间绝缘，并且在建设过程中，使直流牵引供电系统尽量不接地,以减少泄漏的杂散电流。我们在了解直流牵引供电系统工作原理和钢轨电位分布规律的基础上，要求设计一种钢轨电位限制装置控制器。具体要求如下：1、了解钢轨电位的分布规律和特点；2、简要分析钢轨电位的影响因素；3、设计相应的钢轨电位限制装置控制器，具备数据采集、控制、保护、通信、显示、数据存储等功能；4、翻译近5年相关英文参考文献一篇，字数不少于3000字。结合上述任务和本论文要求的研究内容得出：本文还是以设计控制器为主的。近几年来设备的控制单元都是一般采用单片机或PLC再加上必不可少的外围设备；收集上升电压的任务能通过霍尔电压传感器或是电压互感器来完成；外部单元可以用接触器，一般还需要用继电器来做一定程度上的动作辅助。在设计中还是有可能会碰到一些细节问题，但根据现在国家对控制电子方面的技术都可以解决，所以想要完成设计内容和任务还是可行的。2轨道交通直流牵引供电系统2.1直流牵引供电系统的重要性从总体方面来说，轨道交通牵引供电的工作核心就是牵引供电系统，轨道交通中各种电力设备就是主要由它提供电能的。简单来说，将牵引变电所和其相匹配的接触网组成在一起，它们所构成的就是牵引供电系统，如2-1图所示：图2-1轨道交通牵引供电系统示意图牵引变电所需的独立两路35KV交流电源是从城市供电中引入，而给电力机车与轨道交通相关直流设备的直流电能是通过整流转换后才能提供的。牵引变电所利用直流快速断路器使上、下行接触网不仅可以切换，并且可以任意采取单机组运行或者双机组运行，还保证了机车运行的安全可靠。2.2直流牵引供电系统城市公共电网提供的电源是城市轨道直流牵引供电系统的电源的主要来源，主要的电源获取方式为：（1）分散式。由城市电网直接提供10KV高压电源给直流牵引供电系统，再由供电系统直接提供给牵引变电所。（2）集中式。将由城市电网产生的35KV或者是110KV的电源经过变压器将其降为适合城市轨道系统中所使用的10KV电源，并将其提供给牵引变电所。（3）混合式。就是将分散式的方法和集中式的方法结合在一起给供电系统供电并使用。因城市轨道交通的用电量大，所承受的负荷级数高，在工作高峰期，所用的功率较高，一般在60000到100000KW之间，对于其供电方式不可使用分散式，因为分散式是直接提供10KV电源，这样就一定会占据城市中其他用户的电力使用资源，不仅如此，分散式提供的电能还难以满足城市轨道交通的电力需求，所以在各大城市中，还是以集中式的供电方式为主。现我国，随着城市轨道交通的发展越来越完善，几个大规模城市已经开始建设城市轨道所需要的主变电站。图2-2为集中式供电的系统组成：图2-2集中式供电系统示意图在高压供电系统中，其核心部分为主变电站和进线，目前进线的电压等级普遍应用的是110KV，对于35KV的电压来说，一般不予推荐使用，因为使用35KV的电压虽然可以减少成本，但是因在直流牵引系统下，其负荷较大，35KV的电压等级送点容量最高为20MVA，所以就算是使用35KV电压满足了所在轨道的线路要求，在以后的建设中拓展的余地也不算很大了，除此之外，因为直流牵引系统中的整流器产生出来的谐波电流对35KV级的电压产生的影响也将超标。2.3直流牵引供电系统的保护研究田胜利先生在轨道交通直流框架保护与钢轨电位限制装置关系分析中有提到近几年来牵引直流供电系统所主要保护的种类：（1）电流脱扣保护，让牵引变电所出口端附近的短路保护得以实现；（2）为了使中远距离短路保护更好的起到它应有的作用，所以需要对流增量、电I流上升率进行保护；itd（3）对直流框架进行保护，这也是为了让直流设备泄漏故障保护也得以实现；（4）钢轨电位限制装置，主要是对线路上人员更加安全；（5）为了保护地铁建筑内的钢筋，所以需要在系统中添加排流柜。我相信当城市轨道交通发展的日益完善，随着电气业的发展越来越好时，那时候一定会出现越来越多的、更好的直流牵引供电系统的保护装置，使地铁系统可以更加安全、高效、可靠的工作。2.4牵引供电系统电气参数采集的研究在我国，因为城市轨道交通的发展并不是特别广泛，所以严重缺乏轨道牵引供电系统中测试现场的数据，很大一部分的设计数据都还只能是参考国外的。为了能够使采集牵引供电系统的各电气参数同步，就只能采用工程中常用的数据采集方法，也就是异地同步采集，集中处理分析的办法。但是当两地距离差的较远的情况，如果在可以利用网络的情况下：一、设备的使用方法较为繁重复杂；二、当轨道交通的设备使用时，由于通过网络校准采集设备数据的时候需要网络传输，而网络传输数据时一般会产生延时等问题就会让其采集数据时间存在一定误差，无法保证设备之间的数据能够准确准时同步，但是如果在数据采集系统中使用GPS进行数据传递的话，会让时间基准方面具有高精度数据，GPS进行数据传递也会使异地同步数据的采集成为可能。所以使用基于GPS同步传递数据来为采集钢轨电位数据服务就变得十分具有高效性和应用价值了。在我国，因为城市轨道交通的发展并不是特别广泛，所以使得城市轨道交通的钢轨电位方面的研究成果较少，缺乏理论指导，最主要的是缺乏实用经验。要是能够对关于轨道电位分布机理进行全面分析，结合实际钢轨电位数据，理论数据和实际数据两两印证，从而找出是什么因素影响了轨道电位并对其具体指标进行评价；然后对钢轨电位升高的原因和过程进行系统有效的分析，为研究限制钢轨电位过高提供钢轨电位的安全指标和指导，将关于限制过高轨道电位出现、过高和监测轨道电位系统等方面的先进技术理论引入到研究中，并对钢轨电位监测系统和限制设备进行设计，结合数据和先进技术理论，可提高其可行性和实际效率，这将对因城市轨道交通的发展和降低因城市轨道交通而带来的各方面的负面影响都将产生相当积极的影响。3钢轨电位的理论分析3.1钢轨电位3.1.1钢轨电压的产生我国城市轨道交通牵引供电系统一般采用DC1500V或者是DC750V的电源，架空的接触网上（输出的整流电源为正极）供电，当列车受电，并且输入电流进入其主回路、辅助回路时，电流返回负极需经回流导体返回。通常回流导体所用方式可用以下方法进行：接触轨（可称为第三轨）、回流电缆或走行轨。在我国建设好的城市轨道交通中，走行轨、列车车厢金属件、车轮这三种方式是大部分都应用的回流导体形式。在牵引回流网络中，钢轨是其重要的组成部分，因为钢轨在同道床间的接触上是不良绝缘，所以这之间必定会存在钢轨-地漏泄电阻（其范围在0.5500之间），流通电流沿钢轨进行时，一定会产生从钢轨漏泄至大地的电流，当电流流向打的士，在钢轨和大地之间一定会产生钢轨对地电位。如下图所示，I1和I2正在为同一个供电区间中的两个牵引变电所提供机车所需要被提供的牵引电流，也就是I3和I4，当其产生回流电流，回流电流需分别经由走行轨返回两个牵引变电所，其过程由下图可知，在其回流过程中，电流经过上文所提的钢轨-地漏泄电阻，进而产生了钢轨电位，钢轨电位在回流点、机车附近十分明显。机车变电所变电所I1I2I3I4钢轨电位钢轨电位图3-1钢轨电位及杂散电流分布3.1.2钢轨过电压的产生原因与钢轨电位升高的危害轨道直流牵引供电设备是采用绝缘方式进行安装的，其目的是为了解决杂散电流腐蚀轨道中的一些线路及设备问题，尽量增加大地和走行轨之间的电阻，使钢轨对大地之间的初期过渡电阻不小于15欧姆/KM，用这个初期的过度电阻来防止回流漏泄，以此来保证轨道直流牵引供电系统形成独立的系统。虽然用过渡电阻解决了因为杂散电流腐蚀设备而带来的问题，但却因此产生了轨道之中过电压问题。轨道之中地铁行驶的时候因故障电流、回流电流有可能会让轨道跟大地之间产生危及人身的过电压，无论是地铁的乘客或者是其中的工作人员都可能因为碰到这个过电压而使身体受伤。直流设备的外部框架和大地之间都进行了绝缘，而其设备在出现问题的情况下，电位差就会在框架和回流电路之间就会产生，不仅如此，还会在保护地带之间出现泄漏电流，这就需要在直流设备（牵引变电所中）安装框架故障保护，用以保护人员的安全，并保护设备不出现问题。为了限制地铁轨道对车站地面的过电压，防止乘客和工作员工受到伤害，一般每个车站都要求安装24台轨道过电压保护装置。3.2钢轨电位分布模型的建立在整个城市轨道交通系统中，必然存在多个供电区间，也就意味着有多个牵引变电所，不同地段的机车负荷也在变化，在这之中也要考虑到隧道在不同地带的土壤不同、钢轨与道床之间的直接绝缘体不同，所以它们之间的轨道过度电阻也不相同。在城市轨道交通里，隧道的现场环境（包括土壤、温度、湿度等原因）复杂、多变且各不相同，想要进行现实意义上的钢轨电位分布的公式推导就会存在一定的困难，就算进行了严格的计算，但因为上述因素的影响，仍不能保证计算结果的精确度。为了简化问题和减少不必要的计算误差，我们把环境设置在理想状态下，对钢轨的电位分布进行分析，再利用固定变量法来判断各种变量参数对分布数据的影响，以便于以后的操作，对钢轨电位的检测的研究提供基础。想要对城市轨道交通的钢轨电位分布进行研究，关键就在于仿真分析，而仿真的关键就在于对应模式的模型搭建，确定下各种数据后就可以将模型整体划分为多个小单元，而每个小单元包括了各种参数，之后再利用电路理论对每个小单元进行电流、电压分析，最后将这些划分的小单元整合到一起，用来表示回流系统。考虑到直流牵引供电系统大多数采用的是单边供电，因为有多个供电区间，为了简化后面的研究过程，所以我们只取一个供电区间进行研究。本章节将采用叠加定理对模型的若干等效线性电路进行公式计算推导。3.2.1系统直接接地模型直流负母线在牵引变电所内是通过在隧道中的金属导体进行和供电系统接地网或者是结构钢筋相连，所以在牵引变电所里的直流负母线的电位基本为零，以此来保证安全，正是因为接地网和结构钢筋相连，在牵引系统中的回流电流会在回流过程中通过钢轨从而使钢轨和大地之间产生大量杂散电流，杂散电流又会对钢筋结构、金属线路和管道进行杂散电流的腐蚀，所以这种方法在其他区域基本不使用，都是在车辆行驶段使用。在城市轨道交通系统中，直接接地模型和悬浮接地模型基本相同。只是悬浮接地在接地线中间加了一个电阻，而直接接地会让系统轨道直接接地，使其与大地之间的电阻为零。所以直接接地模型可以在悬浮接地模型的基础参数上进行修改，从而进行模型仿真。图3-2直接接地的电阻分布网络图为了方便分析和建立直接接地的数学模型，我们做以下假设：（1）在馈线电路上的电阻r我们忽略不计；（2）使在钢轨上的纵向电阻均匀分布；（3）钢轨和大地之间的过渡电阻也均匀分布；（4）在任何时刻的列车电流取量最后都会回到和列车相近的两个牵引变电所里。如图3-2所示，为直接接地的电阻分布网络图，我们认为此模型是由一级网络构成，I为列车的取用电流，单位为安培，A；gR是在钢轨与大地之间的过渡电阻，单位为欧姆每千米，km/；SR，D为走行轨和大地的纵向电阻，单位都为欧姆每千米，/；除了单位确认以外，轨道、大地电流在电路图中的电流流向是从左到右为正方向，而从轨道到大地的方向是泄漏电流的正方向。根据基尔霍夫电流定律（KCL)可得：IRIRIRIRIIIIRRRIISnnDgnSngnSngngSggDgSgSggDgS)().)()(1)()1()1()1(1()123434332323221111将公式做成矩形形式，在MATLAB中进行程序编写，将电阻和列车所取电流参数当作已知，能得到每个回路单元的编写程序，最终可以得到每个回路单元电流KI，k=1，2，3，4，5.n3.2.2系统悬浮接地模型根据直接接地模型，将接地线中加一个电阻。设在分布图中的各电阻分布均匀，默认在等效电路中回流电流为线性，根据叠加定理可以把多个变电所和复杂的系统等效为多个线性回流电路，然后在分析推导每一个供电区间在供电情况下的模型公式。图3-3悬浮接地的电阻分布网络图为了方便建立关于钢轨电位悬浮接地的数学模型，可做以下假设：（1）在馈线电路上的电阻r我们忽略不计；（2）使在钢轨上的纵向电阻均匀分布；（3）钢轨和大地之间的过渡电阻也均匀分布；（4）在任何时刻，列车的电流取流量最后都会回到与列车相近的两个牵引变电所里。如图3-2所示，为悬浮接地的电阻分布网络图，我们认为此模型是由一级网络构成，I为列车的取用电流，单位为安培，A；gR是在钢轨与大地之间的过渡电阻，单位为欧姆每千米，km/；SR，D为走行轨和大地的纵向电阻，单位都为欧姆每千米，/；除了单位确认以外，轨道、大地电流在电路图中的电流流向是从左到右为正方向，而从轨道到大地的方向是泄漏电流的正方向。根据基尔霍夫电流定律（KCL)可得：IRIRIRIRIIIRRISnngDgnSngnSnggSggDgSgSgggS)(.)()(1(1)()1()1()1()12343433232221111将公式做成矩形形式，在MATLAB中进行程序编写，将电阻和列车所取电流参数当作已知，能得到每个回路单元的编写程序，最终可以得到每个回路单元电流KI，k=1，2，3，4，5.n再根据欧姆定律，可得在城市轨道交通系统中地铁的杂散电流分布参数表达式：nkRIxuIngnkkkg.4,32)()()1(111（PS：为轨道电压）这样，根据上述表达式我们就可以通过仿真来得到我们想要的参数曲线了。3.3钢轨电位的分布规律和特点总结3.3.1直接接地模型3.3.1.1机车取电流对钢轨电位的影响假定模型变量参数如下：轨道纵向电阻Rs=0.03欧姆/千米轨地过渡电阻Rg=15欧姆千米大地纵向电阻Rgr=0.001欧姆/千米供电区间L=2km通过改变机车取流电流I，观察轨道电压u（x）变化规律。I分别取750A、1000A、1500A、2000A，得到轨道电压u（x）变化曲线。图3-4在机车取流电流不同时钢轨电位的变化分布3.3.1.2钢轨纵向电阻对钢轨电位的影响假定模型变量参数如下：机车电流I=1000A大地纵向电阻Rgr=0.001欧姆/千米轨地过渡电阻Rg=15欧姆千米供电区间L=2km通过改变轨道纵向电阻Rs，观察轨道电压u（x）变化规律。Rs分别取0.02欧姆/千米、0.03欧姆/千米、0.04欧姆/千米，得到轨道电压u（x）变化曲线。图3-5在不同的钢轨纵向电阻值钢轨电位的变化分布3.3.1.3轨地过渡电阻对钢轨电位的影响假定模型变量参数如下：机车电流I=1000A大地纵向电阻Rgr=0.001欧姆/千米轨道纵向电阻Rs=0.03欧姆/千米供电区间L=2km通过改变过渡电阻Rg，观察轨道电压u（x）变化规律。Rg分别取0.03欧姆/千米、0.1欧姆/千米、3欧姆/千米、100欧姆/千米时的轨道电压u（x）变化曲线。图3-6在不同的轨地过渡电阻值钢轨电位的变化分布3.3.2系统悬浮接地模型3.3.2.1机车取电流对钢轨电位的影响假定模型变量参数如下：轨道纵向电阻Rs=0.03欧姆/千米轨地过渡电阻Rg=15欧姆千米大地纵向电阻Rgr=0.001欧姆/千米供电区间L=2km通过改变机车取流电流I，观察轨道电压u（x）变化规律。I分别取750A、1000A、1500A、2000A，得到轨道电压u（x）变化曲线。图3-7在机车取流电流不同时钢轨电位的变化分布3.3.2.2钢轨纵向电阻对钢轨电位的影响假定模型变量参数如下：机车电流I=1000A大地纵向电阻Rgr=0.001欧姆/千米轨地过渡电阻Rg=15欧姆千米供电区间L=2km通过改变轨道纵向电阻Rs，观察轨道电压u（x）变化规律。Rs分别取0.02欧姆/千米、0.03欧姆/千米、0.04欧姆/千米，得到轨道电压u（x）变化曲线。图3-8在不同的钢轨纵向电阻值钢轨电位的变化分布3.3.2.3轨地过渡电阻对钢轨电位的影响假定模型变量参数如下：机车电流I=1000A大地纵向电阻Rgr=0.001欧姆/千米轨道纵向电阻Rs=0.03欧姆/千米供电区间L=2km通过改变过渡电阻Rg，观察轨道电压u（x）变化规律。Rg分别取0.03欧姆/千米、0.1欧姆/千米、3欧姆/千米、100欧姆/千米时的轨道电压u（x）变化曲线。图3-9在不同的轨地过渡电阻值钢轨电位的变化分布3.4小结考虑到整个城市轨道交通中机车从多个变电所取电，因此每个供电区间至少是双边供电；由于不同时间、不同区间列车的负荷是变化的；土壤电阻因为各处的地质条件不同其阻止还有差异，严格意义上说，很难推导得到符合现场实际情况的城市轨道交通钢轨电位的理论公式。本章为定性分析钢轨电位分布规律，对所研究的问题进行简化，采用理想条件分别搭建系统悬浮接地、系统直接接地的钢轨电位分布的数学仿真模型，推导了钢轨电位的数学计算公式，利用叠加原理对多个变电所以及多台机车的情况仿真模拟也可基于本文所列的模型。但当涉及多个变电所共同供电和多列机车同时运行时，变电所的接地条件需要分析考虑。通过对系统两种不同接地方式下的钢轨电位进行仿真分析，我们可以得出以下结论：（1)钢轨电压与机车的取流电流大小成正比例关系，即随着机车取流电流的增加，轨道电压也成比例来增加。（2)钢轨电压与轨道纵向电阻成正比例关系，即随着轨道纵向电阻的增加，钢轨电压也成比例增加。（3)轨地过渡电阻的变化对钢轨电位的影响很大，需要对轨地过渡电阻做出明确的判断。4控制器硬件选型及设计4.1控制单元结构设计对于控制器整体模块，因为控制器硬件方面需要具备数据采集、控制、保护、通信、显示、数据存储等功能，所以我打算将控制器整体模块分为几个方面进行设计：（1）数据采集模块当接触器短路时，钢轨电位限制装置将有一个短路电流值通过接触器，除了它以外，也有电压测量电路之间的电位、电流测量电路和测量轨道和大地之间的电位差差异。控制回路用来对短路装置的动作进行控制。（2）CPU模块控制单元的核心器件将采集到的数据分析处理后送给装置的短路部分控制装置并判断是否动作、哪个部分动作和做什么动作。根据近年来电力器件的发展状况可选PLC或单片机作为控制器的CPU（3）电源模块对于CPU工作时需要的电源一般都作为工作电源，用于给CPU各个模块的集成电路供电。与此同时，在特殊情况下，它还会作为工作电源为输入电路提供需要的电源。而电源的输入类型一般只有两种有：直流电源和交流电源。（4）短路装置短路装置一般可以承受70kA(200ms)的瞬时短路电流和1000A的连续电流。当钢轨与保护地之间的电压差将大于装置动作电压时，在0.1秒之内，短路装置将会对其进行短路，并在一定时间内恢复原状态。短路后到恢复开断前的时间间隔可通过时间继电器进行调整，调整范围为020秒。依据以上的要求设计出满足实际工作的控制器原理框图4-1。CPU模块扩展模块数据采集模块短路装置电源模块图4-1控制单元结构框图根据控制单元电气特性、装置对控制单元的要求以及现代电气化器件的发展，来选择具体的器件。4.2数据采集模块对于控制器的采集单元，为了方便、高效、安全的进行采集电压电流信号判断地铁系统中的钢轨过电压是否可能对人体有危险，我选择的是霍尔电压传感器和霍尔电流传感器。霍尔效应的发现是在1879年的时候由美国物理学家EdwimHerbertHall在做其毕业设计时发现的，后来又将其完善，于此之后，关于工业控制中的各个领域，有越来越多的人选择应用霍尔技术于工业控制领域。后来，由于电子元器件制造技术的成功并被用于电子行业，使霍尔电流传感器和霍尔电压传感器的先进性、高效性越来越强，技术含量大幅度提高，特别是闭环霍尔电流/电压传感器，使霍尔传感器在功能上有了巨大的提高，还大大扩展了该产品的应用领域。4.2.1霍尔传感器的工作原理霍尔效应是霍尔器件的理论基础。如图4-2所示：图4-2霍尔效应原理图当在磁场中放置一个通有小电流半导体薄片时，因为受洛伦磁力的作用，会使处于半导体内的载流子发生偏转，并在半导体的两侧产生一定的电势差，这个电势差就是霍尔电压，而该电压会与控制电流I、磁感应强度B成正比，经计算将会得到如下公HUh式：=（/d）BI式（4-1）HR在此公式中：为霍尔电压HUB为磁感应强度I为控制电流为霍尔系数Rd为半导体片的厚度而在式（4-1）中，在一定的工作条件下，假设使控制电流I不变，为计算出磁感应强度的大小，可以使用通过测量霍尔电压的方法，并通过这种方法可以建立磁场与电压信号之间的联系，以这个关系为依据，人们成功研制了半导体器件，通过它可以测量磁场，也就是我们常说的霍尔器件。4.2.2霍尔电流传感器在霍尔器件中，一般情况下其中枢都为霍尔电流传感器，它是一个模块化产品，其作用是为了将检测电流隔离开，工作原理运用的是霍尔零磁通式，根据电生磁的知识，我们都可以了解到当在导线中有电流流过时，在导线的周围就会产生磁场。在导线中，通过的电流越多，那么磁场也就会越大，而软磁材料可以将导线周围的磁场聚集起来，再通过霍尔器件进行检测聚集起来的磁场大小，由霍尔效应推导公式可知，导线周围磁场的变化和输出电压信号具有良好的线性关系，所以，我们可以通过检测磁场变化来确定霍尔器件中输出电压信号的具体变化。当然我们也可以测量输出电压信号来直接得到通过导线的电流大小，即IB式(4-2)HU在此公式中：B为导线通电流后产生的磁感应强度I为通过导线中的电流是在磁场中霍尔器件产生的霍尔电压H在合适的一定系数条件下，上述式（4-2）可以成为等式。人们设计了各种电路，只为了能够让霍尔输出电压更好的被接收、处理，而这些设计的电路都是为了霍尔电流HU传感器，在这之中大体可以归成两大类：开环式也可以称为直测式，就是直接放大霍尔元器件上的输出电压，以此来得到需要的信号电压，再通过得到的信号电压来标记所测电流的大小。它具有电路简单，成本低的优点，但响应时间慢，精度流动较大，温度飘逸较大。在20世纪80年代末期，科学家为了克服它的缺点，才继而发明了闭环霍尔电流传感器，也就是零磁通式霍尔电流传感器，闭环霍尔电流传感器的运作原理是用一个副边线圈电流（）磁场来补偿原边电流（）磁场，以此来保持霍尔器件能够一直保MINI持零磁通，也就是说无论是原发或继发侧的磁场在磁心中保持平衡，那么式（4-3）就会成立N=n式(4-3)NIM在此公式中：原边电流N：原边线圈的匝：副边补偿电流MIN：副边线圈的匝数通过式(4-3)可以看出来，在传感器原边和副边线圈匝数已知的条件下，可以通过测量副边补偿电（）的大小来计算原边的电流（）值，以此来实现能够通过隔离测量来得MINI知原边电流大小。图4-3霍尔电流传感器接线图霍尔传感器可以分为交流（AC)两线型、直流(DC)两线型和交流（AC)多线型、直流(DC)多线型：交流两线型：直接接在控制回路一根接电源一根接负载；交流多线型：四根两两接电源和负载，根据线路常开、常闭的实际情况，将两根电源线和两根控制线分别接在长开和长闭的位置；直流两线型：根据正常的接线规律，黑接负极，红接负载；直流三线型：有PNP型和NPN型两种，黑色接负极，红色接正极，黄色接负载，还有的是一长开一长闭的PNP反馈正极，NPN反馈负极；常用的就有以下几种接法：1脚：负电源（-15V）正极电源输入2脚：电源地（OV）接地线3脚：正电源（+15V）负极电源输入4脚：输出（Output）测量信号输出5、7脚：初级电流输入被测物的输入电流6、8脚：次初级电流输出被测物的输出电流值得注意的是传感器的电源只能够使用直流，不可使用交流电源，而且它可以测交流电源和直流电流，接线方式就如直流的方式相同，仅仅是在测交流时5、6脚输入的是交流电流。该控制器选用的霍尔电流传感器为：CHK-1000Y3电源1215V,输出4V,响应时间10V）;可控硅故障：发脉冲，有电压（10V），断路;发脉冲，无电流（电流0.1A）;同时“故障”指示器亮起。若直流接触器KM因故障而一直断开，在电压大于600V时，此功能由晶闸管元件执行（无晶闸管元件的钢轨电位限制装置无此功能）。若晶闸管发生故障，则会变得低阻抗。本钢轨电位限制装置的控制回路采用闭环原理，保证一旦控制电源发生故障，装置会自动将钢轨与大地有效短接。这样，在控制电源发生故障时，人员及设施安全得到了保障。接触器主触头为常闭接点5.3程序结构分析和设计5.3.1主控制回路的设计KP1MIu1SCIu2SCUu1SVu2S2走行轨道002图5-1控制回路一次接线图主程序模块如下：在本设计中，控制器开机初始化，进行自检，排除出现故障的可能性。接着采集轨道电压和控制器电流。当钢轨电位限制装置通过电压变送器检测到的钢轨与保护地之间的电压差小于电压元件的整定动作值时，钢轨电位限制装置处于断开状态。当钢轨电位限制装置检测到钢轨与保护地之间的电压差大于装置一段动作电压时，经过一段可调整的延时后，接触器合闸将钢轨与大地有效短接。当钢轨电位限制装置检测到钢轨与保护地之间的电压差大于150V（二段动作电压、动作值可调）时，接触器将无延时地永久合闸，不再恢复开断。接触器的合闸时间不大于200毫秒。当钢轨电位限制装置检测到钢轨与保护地之间的电压差大于600V（三段动作电压、动作值可调）时，复合开关将通过晶闸管元件加速合闸，晶闸管回路首先在1ms内导通，使钢轨与地连接，直流接触器也将无延时合闸。晶闸管电路在直流接触器合闸后将被复位。如图5-2所示。开始初始化自检A/D转换钢轨对地电压高于整定值40150150600启动保护回路、晶闸管、接触器收到报警信号累计故障次数、显示故障显示钢轨对地电压指示保护动作参数设定调参数设定并存储参数延时1s动作延时0.2s动作NYYYNNYN600持续10s持续10s图5-2主程序流程图5.3.2三段式保护程序模块三段式保护进行的过程有：测得的电压值大于或等于U1的阈值检测轨道电压延时1s将回流回路短接电压保持许可范围装置闭锁测得的电压值大于或等于U2的阈值钢轨与大地被无延时短接10秒钟之后，直流接触器KM再次自动断开电压保持许可范围装置闭锁电压超过U3的阈值晶闸管元件KP开通以抵消直流接触器KM的机械延时直流接触器KM被激活闭锁状态继续保持YYYYYNN10秒钟之后，直流接触器KM再次自动断开图5-3三段式保护流程图I段电压保护：测得的电压值大于或等于U1的阈值，经过一段设定的延时后（0.1120秒可设，默认值1秒），该装置将回流回路有效短接。10秒钟（199秒可设，默认值10秒）之后，直流接触器KM再次自动断开。此过程一直持续到电压又保持在许可范围内，或短路次数达到预定数字（时间为连续，时间范围可设，默认值35秒，次数19次可设，默认值3次）。一旦达到预设值，短路装置即会闭锁。当闭锁时，需按复位按钮将其手动复归。自动复位功能投退：闭锁后，当在连续时间范围内（值可设，1999秒，默认值999秒），检测总电流小于I1(I)（值可设，0.199A,默认值5A），则自动复位（自动复位功能设定为投）。II段电压保护：测得的电压值大于或等于U2的阈值，钢轨与大地被无延时短接。10秒钟（199秒可设，默认值10秒）之后，直流接触器KM再次自动断开。如果当时的电压值小于U2的阈值，则钢轨电位限制装置经过一段可跳闸的延时后再进入正常状态。如果电压值又变得很高，将再次发生短路。此过程一直持续到电压又保持在许可范围内，或短路次数达到预定数字（时间为连续，时间范围可设，默认值35秒，次数19次可设，默认值3次）。一旦达到预设值，短路装置即会闭锁。当闭锁时，需按复位按钮将其手动复归。发出合闸指令后，设定时间范围内（0.011s可设）没有检测到合闸位置，后加速合闸，即导通可控硅。自动复位功能投退：闭锁后，当在连续时间范围内（值可设，1999秒，默认值999秒），检测总电流小于I1(I)（值可设，0.199A,默认值5A），则自动复位（自动复位功能设定为投）。III段电压保护：如果电压超过U3的阈值，则晶闸管元件KP（在使用时）开通以抵消直流接触器KM的机械延时，同时直流接触器KM被激活，而闭锁状态继续保持。闭锁状态需按复位按钮将其手动复归。自动复位功能投退：闭锁后，当在连续时间范围内（值可设，1999秒，默认值999秒），检测总电流小于I1(I)（值可设，0.199A,默认值5A），则自动复位（自动复位功能设定为投）。5.4钢轨电位限制装置可靠性及抗干扰设计PLC是专为工业生产环境而设计的