课设

兰州交通大学毕业设计（外文参考文献译文）-1-摘要钢轨电位是当牵引电流流过钢轨或故障时，产生的钢轨对地的电位差。高速铁路的主要特点是机车功率大、取流大。它可能使钢轨电位超出限制值，并危机人身安全。所以，研究如何使钢轨电位在预期条件下降低到临界值以下是很重要的。本文中，基于Matlab/Simulink工具建立了高速铁路牵引供电回流系统(TPSS)模型，得出仿真结果，并对仿真结果进行比较和分析，指出影响钢轨电位的几个明显因素，如钢轨对地泄漏电导，提出了降低钢轨电位的比较合理的措施。通过仿真表明，这些措施可以确保人身安全。兰州交通大学毕业设计（外文参考文献译文）-2-1引言钢轨是牵引供电回流系统的重要组成部分。钢轨既作为机车的走行轨又作为回流导线。牵引电流通过机车向钢轨注入电流，其中大部分牵引电流通过作为回流导线的钢轨流回牵引变电所，在机车注入点和牵引变电所的位置，钢轨电位达到最大值，在过度区域几乎降到负值。钢轨电位收到一些因素的影响，例如，钢轨对地泄漏电导、气候、地理位置等因素。钢轨电位在各种情况下是很复杂的。为避免危及人身安全，钢轨电位应不超过相关标准规定的安全值。EN50122-1标准规定，在交流牵引供电回流系统中钢轨电位不应超过60V(rms)。其他研究所发表了关于地电位的相关文件。目前，关于地电位和人身安全问题是研究的焦点。但是，关于高速铁路钢轨电位的研究却很少。与普通铁路相比，高速铁路上运行的机车功率大、取流大，因此可能使钢轨电位过高并危机人身安全。而且，高速铁路采用的是整体式道床，钢轨对泄漏电导与普通铁路有很大的差别，对钢轨电位影响很大。所以，高速铁路的钢轨电位应在整个设计过程中进行严格的估算和检测，如果钢轨电位超过安全值，必须采取措施降低钢轨电位以确保人身安全。本文基于Matlab/Simulink中SimPowerSystems工具建立牵引供电系统、接触网子系统(OCS)、回流系统模型。根据对设置不同钢轨对地泄漏电导时钢轨电位的计算和对各种因素对钢轨电位影响进行比较，提出合理的措施，确保人身安全。兰州交通大学毕业设计（外文参考文献译文）-3-2高速铁路的牵引供电系统由于高速列车的功率大、取流大，所以需要的牵引电流大。目前，中国传统的电气化铁路主要采用1×25kV的带回流线的直接供电方式。如果高速铁路采用这种供电方式，必须采用加回流导线，因为接触网子系统的供电能力是有限的。这个供电方式另一个缺点，不能满足牵引供电系统、信号设通信设备、电力机车的电磁环境。此外，同时这种类型的供电方式还有其他缺点，如牵引变电所之间距离短，接触网中性部分太长，使得行车速度低，投资大。相比于1×25kV带回流线的直供系统，2×25kV的AT供电方式的优点是电压损耗小、供电能力强、对通信设备干扰小，技术经济综合效益明显。所以在一些国家高速铁路上AT供电方式已经被广泛使用。AT供电系统的结构图如图1所示。自耦变压器并联在牵引供电电路中，将供电电压提高了一倍。因此在相同电力机车条件下牵引变所电流减半，只有50%的机车电流在接触网和正馈线中流通，则牵引网和正馈线中的电压损失将降低25%。与带回流线的直接供电方式相比，AT供电方式可以将牵引变电所之间的距离增大自己2~4倍。在忽略自耦变压器阻抗的理想情况下，正馈线中流过的电流与牵引网中流过的电流大小相等、方向相反，抵消了接触网电流对通信线路产生的影响。所以AT供电方式能更好的保护通信设备的性能。下面详细介绍图1所示的牵引供电系统的仿真模型。I/2I/2TPFR55kv27.5kV27.5kVI图1AT牵引供电系统图兰州交通大学毕业设计（外文参考文献译文）-4-3AT牵引供电系统仿真模型由于列车的发展，高速铁路必须采用双轨道铁路。所以本文研究的对象是双轨道AT供电系统，如图2所示。牵引变压器的连接线是单相的。上下行线的钢轨、正馈线、接触网通过匹配变压器相连接。该线路的时速是350km/h。的这两部分之间的距离总长为24km。考虑到最小运行间隔为3分钟，两机车的距离为17.5km。牵引变电所一次最多给6辆列车供电。6辆机车的位置如图2所示，而且本例是运行情况最严重的。根据信号设备在高速铁路沿线的设置，阻抗连接器沿轨道每隔1.5~2km设置一个。上下行相应的阻抗连接器中点进行连接，即回流系统中上下行轨道相连接。在仿真模型中，阻抗连接器每隔2km设置一个。目前许多国家有能力生产高速列车，各高速列车最大牵引功率如表1所示。如表1所示每一类型高速列车的时速都可达到300km/h，为了使结果具有广泛的代表性，本文选择功率适中的TGV-K类型的机车。55kVTIRF3km14.5km20.5km16.5km18.5km1kmTTTRRRFFFIIIII图2高速铁路双轨道AT牵引供电系统表1各国家高速铁路机车功率参数国家日本法国德国西班牙意大利瑞典中国机车类型功率(kW)500系列18240TGV-K13200ICEI9600AVE8800ETR5008800X20003260DJ24800利用Matlab/Simulink中的SimPowerSystems工具箱搭建AT供电系统原理图，对钢轨电位进行仿真分析，仿真模型如图3所示。兰州交通大学毕业设计（外文参考文献译文）-5-8Fout27Rout26PWout25Tout24PWin23Fin22Rin21Tin212Z1812Z1712Z1612Z1512Z1412Z13TinFin1Rout1ToutFinRoutTin1Tout1PWinPWin1RinRin1Fout1PWoutFoutPWout112km-LineSybSystema)b)图3高速铁路AT供电方式系统仿真模型如图3a)所示牵引供电系统模型。T表示接触网、R表示钢轨、F表示正馈线、PW表示保护线。Z1到Z6分别表示接触网与钢轨间、接触网与正馈线间、接触网与保护线间、正馈线与保护线间、钢轨与保护线间、钢轨与正馈线间的互感系数。图b)所示是12km双轨道模型，包括图a)的基本结构。下面将分析每个条下的仿真结果。兰州交通大学毕业设计（外文参考文献译文）-6-4钢轨电位的计算结果在设计过程中，应在正常运行状态下和短路状态下计算和检测钢轨电位。正常运行状态下牵引供电系统如图2所示。短路状态分为接触网之间短路和正馈线与钢轨之间短路两种，短路时接触网与钢轨中存在很大的短路电流。EN50122-1规定指出，钢轨电位与接触电压是不同的两个概念。钢轨电位正常运行条件下牵引电流流过钢轨或故障条件下产生的钢轨对地的电位差。接触电压是正常运行条件下可以被人接触到的钢轨电位，一般传导电路有两个，一个是两手之间，另一个是从手经过身体到脚之间。由钢轨电位引起的交叉线间的电势，如表2所示。图4钢轨电位与可接触电压的关系指示图表2钢轨电位与可接触电压的关系a(m)125102050100URP/URE(%)205070809095100根据EN50122-1，只有一部分过高的钢轨电位可以被人接触，一个人接触的最大距离假设不超过1m。在1m的距离内，地表电压比钢轨电位大50%。由于这个原因，如果钢轨电位持续升高，测量和检测值不超过允许接触电压的2倍，是满足要求的。钢轨电位受到一些因素的影响，这些因素有钢轨对地泄漏电阻、牵引电流、负荷点与牵引变电所之间的距离。钢轨对地泄漏电阻对钢轨电位的影响将在下面进行讨论。4.1一般运行工况4.1.1钢轨泄漏电导对钢轨电位的影响钢轨泄漏电导是影响钢轨电位的直接因素之一。目前各国采用的钢轨对地泄漏电导范围差别较大：德国各种轨道的泄漏电导为0.02-50S/km；日本有渣轨道为0.01-0.1S/km,板式轨道泄漏电导为0.0001-0.2S/km。与有渣轨道相比，板式轨道泄漏电导的范围更大。兰州交通大学毕业设计（外文参考文献译文）-7-在干燥的条件下，这个电导非常小，但在潮湿的条件下可以达到8S/km。考虑到上面提到的电导的范围，选择其公共部分，本文仿真模型采用0.05-1S/km的范围。如图5所示，没有任何限制措施的条件下，不同泄漏电导的钢轨电位计算结果。图5不同泄漏电导的钢轨电位如表3所示，设置不同泄漏电导时钢轨电位的最大值。表3不同泄漏电导时钢轨电位的最大值电导(S/km)0.050.10.20.331钢轨电位最大值(V)23620417114587如图5和表3所示，钢轨泄漏电导对钢轨电位的影响较大，钢轨电位随着钢轨泄漏电导的增大而减小。钢轨泄漏电导为1S/km时钢轨电位87V比0.05S/km时钢轨电位236V降低149V。在泄漏电导为1S/km情况下可接触电压为钢轨电位87V的一半，即44V，低于EN50122所规定的安全电压60V。因此可以看出通过改善钢轨泄漏电导可以达到降低钢轨电位的目的。此外，还可以采用增设CPW线、CB线和PW接地线等方法来降低钢轨电位。下面对这几种方法的效果进行讨论。4.1.2CPW线对钢轨电位的影响为了降低钢轨电位，可以在AT中段对保护线和钢轨做辅助连接，即CPW线。一般CPW线的位置根据其数目来确定，基本原则是CPW线之间的距离相等，即CPW线将AT段均分。CPW线对降低钢轨电位能够起到一定作用，如图6所示。由于钢轨泄漏电导对铁路信号也存在较大影响，因此铁路信号对轨道泄漏电导也有一定的要求。根据信号专业目前经验，轨道泄漏电导的范围为0.2-0.5S/km。本文将轨道泄漏电导取为0.2S/km。兰州交通大学毕业设计（外文参考文献译文）-8-图6CPW线对钢轨电位的影响表4所示不同数目CPW线时钢轨电位最大值如表5所示。表4不同数量CPW线时钢轨电位最大值CPW线数量0135钢轨电位(V)171156134132很明显，当增设1条或3条CPW时钢轨电位(156V,134V)比相应没有设CPW线时钢轨电位(171V)分别减小9%、22%。但在增设5条CPW线时钢轨电位(132V)只比相应没有CPW线时钢轨电位(171V)减小23%。所以，增设1条或3条CPW线对减小钢轨电位的效果很明显，但增设5条或以上没有同样明显的效果。所以建议设置3条CPW线，以下计算均按此条件。4.1.3CB线对钢轨电位的影响CB线是指电气化铁道复线区段的上下行保护线之间的横向连接线。设置CB线同样是为了降低钢轨电位。对于设置1处CPW线的情况，由于AT段中点处上下行钢轨已经通过扼流变压器中点连接在一起。所以，设置1CPW+1CB时的钢轨电位与设置1条CPW线是等效的，设有CB线和设置3处CPW线时钢轨电位的情况如图7所示。从图7可以看出，没有设置CB线时的最大钢轨电位与设置3处CB线时相同，约为134V。这是因为每隔2km，上下行扼流变压器的中点连接一次，在附近存在CPW线的情况下，扼流变压器之间的连接线即起到CB线的作用，因此另外增加CB线的作用不明显。图7CB线对钢轨电位的影响兰州交通大学毕业设计（外文参考文献译文）-9-4.1.４PW接地对钢轨电位的影响为了进一步降低钢轨电位，可以进一步采取的措施是将PW线地，每隔一定的距离将PW线与信号综合地线相连，信号用综合地线接地电阻约为1。如图8所示，给出了设置3处和5处PW接地时钢轨电位的情况。从图8可以看出设置3处PW接地时最高钢轨电位(114V)比不设PW接地时(134V)降低15%，而设置5处PW接地与设置3处PW接地时最高刚钢轨电位相差不多，降低钢轨电位效果不明显。而且设置3处PW接地时最大可接触电压为57V，已经低于EN50-122规定的安全电压60V。由于计算条件中负荷已经达到最大密度，因此可以认为这种情况下采取上述降低钢轨电位的措施可以满足EN50122的要求。图8PW线接地对钢轨电位的影响4.2特殊运行工况随着高速铁路技术的飞速发展，高速列车运行速度及功率不断增加。根据一些国家高速列车的运行速度和功率，并结合我国可能条件旅客运输；高速列车功率高达21000kW，最小行车间隔3分钟。新高速铁路主要采用整体道床，泄漏电导也会减小。在这种情况下采用上节中提出的措施可能已经不能将钢轨电位限制在安全范围以内，在机车功