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首页城市轨道交通杂散电流腐蚀防护深度研究:数学模型与MATLAB仿真
城市轨道交通杂散电流腐蚀及防护的研究是一篇针对城市轨道交通系统中重要问题的硕士毕业论文。随着城市化进程的加快,地铁等城市轨道交通因其高效、环保的特点,在城市综合交通体系中扮演着关键角色。然而,这些系统在运行过程中产生的杂散电流却带来了一系列潜在问题,对系统的稳定性和人们的生活安全构成威胁。 论文首先概述了城市轨道交通牵引供电回流系统的结构和工作原理,它主要负责将电力系统中的无用电流返回大地,以保持系统的电气平衡。杂散电流的产生源于轨道与大地、轨道与地下金属设施之间的电磁感应,尤其是在单边供电模式下,如“轨道-大地”、“轨道-埋地金属-大地”和“轨道-排流网-埋地金属-大地”等结构中,这种电流的不平衡可能导致轨道电位升高,引发腐蚀风险。 为了深入理解这个问题,作者构建了针对不同供电方式的数学模型,运用MATLAB软件进行数值分析和仿真。通过仿真模拟,研究了在不安装排流网和安装排流网两种情况下,轨道返回电流、杂散电流和轨道电位等电气参数的分布变化,揭示了这些参数受电气参数影响的规律。此外,论文还探讨了这些电气量分布对轨道结构和材料耐久性的影响,以及如何通过优化排流网设计来有效减少杂散电流,从而保护城市轨道交通免受腐蚀。 论文的关键字包括城市轨道交通、牵引供电回流系统、杂散电流、数学模型以及MATLAB仿真实验,明确了研究的实用性和理论价值。作为应用研究类型的论文,它不仅提供了理论依据,也为实际工程中的杂散电流防护策略提供了科学指导,对于提升城市轨道交通系统的安全性具有重要意义。
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兰州交通大学硕士学位论文
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图 2.1 城市轨道交通牵引供电回流系统的结构
图中,1 为发电厂、2 为升压变压器、3 为电力网、4 为主变电所、5 为直流牵引变
电所、
6
为馈电线、
7
为接触网、
8
为轨道回路、
9
为回流线。
2.2.1 牵引变电所
城市轨道交通供电系统中主要的用电负荷是电客车,为运行的电客车提供牵引供电
也是城市轨道交通牵引供电系统主要的目的。正线的牵引变电所一般都与地铁车站合建
一起,很少有牵引变电所设置在区间或者车站外部,车辆段、停车场的变电所位置一般
设置在出入段线的咽喉区位置,并且多数采用将车站降压变电所与牵引变电所组合为牵
引降压混合变电所,同时具备两者的功能。牵引变电所的分布应尽量做到布置均匀合理,
简单的减少牵引变电所的数量,使得供电分区的长度变大,易造成牵引供电电压损失加
大、杂散电流腐蚀加剧等一些问题。
牵引变电所的主接线主要有整流机组、直流开关设备、交流开关设备等部分设备组
成,为保证主接线可靠性要求,采用可靠性高的电气设备,达到简化接线的目的,保证
在设备开关检修、母线故障处理等情况下对电客车正常运行的影响降到最低。同时,主
接线因满足调度灵活和检修方便的要求,在故障运行、检修运行及特殊情况运行条件下,
实现调度灵活,检修方便的目的。在城市轨道交通供电系统中常见主接线方式有单母线
分段接线、双母线接线等形式,北京地铁早起几条线路采用双母线接线方式,其余大多
数多采用单母线带分段的接线方式
[10]
。
为保证城市轨道交通供电系统的持续可靠供电,牵引变电所通常由两个来自不同区
域的变电所(或专用主变电所)或同一区域变电所(或专用主变电所)的两个独立电源
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城市轨道交通杂散电流腐蚀及防护的研究
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进行供电,当其中一个电源发生故障而引起供电中断时,另一个电源随通过自动转换装
置自动投入运行。直流牵引变电所通常情况下引入两个独立的中压交流电源,其主要作
用是将主变
35kV
交流电经过通过变压整流机组进行变压和整流,变换为
1500kV
或
750kV 的直流电源,经开关设备输送至接触网,实现向地铁电客车提供牵引供电。在直
流牵引变电所中,通常将变压器与整流器结合为变压整流机组,实现电压等级和电流形
式的变换,其中的整流器作为直流牵引变电所的关键设备,将变压器输出的一定电压等
级的交流电整流变换为特定电压等级的直流电。
在世界范围内的城市轨道交通供电系统中,直流牵引系统的供电电压通常介于
DC600~1500V
之间,但由于不同国家和地区的城市轨道交通系统发展状况不同,直流
牵引系统的供电电压存在着很多的等级。国际电工委员会(IEC)规定了 600V、750V
和
1500V
三种电压标准,而我国的行业标准《地铁直流牵引供电系统》拟定了
750V
和
1500V
两种电压等级。
2.2.2 牵引网系统
牵引网系统是在城市轨道交通系统中沿城市轨道交通路线为列车负荷提供电能的
整个系统,是城市轨道交通牵引供电回流系统的核心组成部分。目前,世界上轨道交通
牵引供电回流系统的轨道回流方式有两种,分别是:走行轨回流方式和专用回流轨回流
方式两种,本文所研究的城市轨道交通回流系统是前一种,即走行轨回流方式的情况。
走行轨回流方式对应的牵引网系统是由馈电线、接触网、电分段、轨道回路、电气
连接件和回流线等部分组成的供电网络系统。
馈电线是位于直流牵引变电所和接触网之间起连接作用的导线,在城市轨道交通回
流系统中将经直流牵引变电所进行变压和整流变换后的直流牵引电能馈送给接触网。
接触网是利用电动列车上的受电器,向电动列车负荷输送电能的特殊形式的输电线
路,包括接触轨和架空接触网两种方式。其中的接触轨又称第三轨,是沿城市轨道交通
系统的固定轨道布置的平行于两条走行轨的附加轨道;而架空接触网是在两条走行轨上
方沿城市轨道交通系统的固定轨道架设为“之”字形,由供受电弓取流的输电线路,因
而适合于电压等级较高的电力牵引制式。一般情况下,在城市轨道交通回流系统中,采
用 1500V 直流牵引供电系统,在车辆段、停车场主要采用架空柔性接触网受电方式,而
在区间通常为接触网刚性受电方式,
750V
直流牵引供电系统通常采用接触轨受电方式。
电分段是为了保证牵引供电的可靠性和便于回流系统的停电检修,设置于两个直流
牵引变电所之间的接触网上的电气设备,通常采用专用的绝缘装置—分段绝缘器来实现,
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兰州交通大学硕士学位论文
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电分段发挥的主要作用是保证供电的灵活性,通过将接触网用分段绝缘器分割成若干个
相互隔离的区段,实现分段停送电和缩小供电故障对列车的影响范围的目的。直流牵引
变电所向接触网的供电方式分为单边供电方式、双边供电方式以及一路供电故障情况下
的大双边供电三种方式,当通过电分段一个供电臂范围内只有一个直流牵引变电所供电
时,称之为单边供电方式,而当电分段由两个及两个以上的直流牵引变电所供电时,则
称之为多边供电方式。
回流线是串联在吸流变压器的二次侧,用来将城市轨道交通回流系统中的牵引电流
吸收,并将部分电流返回到牵引变电所负极的一种专用导线。
轨道回路,即城市轨道交通系统中的走行轨,是城市轨道交通回流系统的主要组成
部分,在城市轨道交通回流系统中用作直流牵引电流的回流电路。
2.3 城市轨道交通牵引供电回流系统的原理
城市轨道交通牵引供电回流系统是由走行轨、扼流变压器、负极回流线、单向导通
装置以及均流电缆等组成,列车通过受电弓从接触网取流,由牵引电动机将电能转换为
机械能驱动列车运行,列车电流流入走行轨通过负极回流线流至牵引变电所负极母线,
构成完整的回流通路
[11]
。
在回流系统中钢轨不仅是回流系统的重要组成部分,也是轨道电流的一部分,对于
列车位置在线监测和实时控制均需轨道电路实现,因此若将回流电缆直接与钢轨连接便
会破坏轨道电路的正常工作,为了避免相互影响,防止不同电路之间的相互干扰,对于
用于信号轨道电路部分采用特殊的电流制和频率,以确保回流系统的畅通。目前关于牵
引回流系统的回流方式有三种,最为常用的方式便是将牵引回流点和轨道电路分开,以
减少牵引电流不平衡给轨道电路耦合磁单元饱和的情况发生,进一步降低干扰、提高供
电可靠性,保证列车安全运行。
2.4 本章小结
本章首先从整体上对城市轨道交通牵引供电系统进行了简要介绍,就牵引供电系统
中的主要构成和每一部分在供电系统中功能作用发挥情况做了说明,同时重点对当前供
电系统中包括分散供电方式、集中供电方式和分散与集中相结合的混合供电方式三种主
要供电方式进行了功能对比分析,比较不同环境或条件下,应采用何种供电方式更为合
理的评价标准。其中,供电系统主要有由外部电源、主变电所、牵引供电系统、动力照
明供电系统、SCADA 系统、杂散电流防护系统、防雷设施和接地系统等部分构成。接
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城市轨道交通杂散电流腐蚀及防护的研究
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下来主要介绍了城市轨道交通牵引供电回流系统,为了方便理解加深对回流系统的认识,
通过简单地系统结构图对牵引供电回流系统的各组成部分进行了明确,主要包括了主变
电所、电力网等
9
个主要组成部分。
城市轨道交通供电系统主要作用是为运营的列车和其他相关设施设备提供高质充
足的电能,城市轨道交通牵引供电回流系统是城市轨道交通供电系统的重要组成部分,
主要由牵引变电所和牵引网系统两个部分构成。其中,牵引变电所的主要作用是实现电
压等级和电流形式的变换,而牵引网系统是由馈电线、接触网、电分段、轨道回路等组
成的供电网络系统。
城市轨道交通牵引回流系统是列车通过受电弓从接触网取流,由牵引电动机将电能
转换为机械能驱动列车运行,并由走行轨通过负极回流线流至牵引变电所负极母线实现
回流的供电过程。
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