高速电气化铁路牵引回流及钢轨电位特性研究

论文摘要

随着时代的发展和我国国民经济的持续增长,客运、货运运量严重饱和,运能与运量矛盾非常突出。发展高速铁路是解决客运供需矛盾的重要手段之一。与普速铁路相比,电气化铁路高速区段因牵引负荷大、列车负载率高,牵引回流大,使得钢轨电位过高现象非常明显。钢轨电位升高必将对沿线设备和人员生命安全造成威胁,容易引起同轨道相连的信号设备的功能不良或故障,加速钢轨与轨枕间绝缘垫板的老化,造成牵引回流异常等情况。因此,对于高速区段必须采取适当的技术措施,设法降低钢轨电位,以避免由于钢轨电位过高而引起的经济损失和重大事故。本文对高速铁路牵引回流钢轨电位进行了系统研究。首先以实测数据为基础,从钢轨电流角度入手,揭示了钢轨电位形成机理。推导了钢轨电流、钢轨电位数学模型、利用无限长圆棒形电极模型,推导了钢轨附近地表电位数学模型；提出了钢轨电位、电流表征参数,通过实测数据对比验证理论分析的正确性。在MATLAB/SIMULINK环境下,搭建了牵引供电接地回流系统仿真模型。从牵引变压器接线方式、牵引网供电方式、电力机车类型、钢轨漏泄阻抗等方面研究了钢轨电位影响因素,并给出了相关影响因素对钢轨电位的影响程度。从跨步电压、钢轨雷击过电压等方面,分析了钢轨电位对人身安全和设备正常运行的影响；推导出了跨步电压数学模型、计算了接触网雷击过电压使得钢轨电位升高的概率。结合理论分析及现场实测数据提出了钢轨电位抑制措施,评估了相关措施对钢轨电位的抑制效果。最后基于VB平台,开发了一套钢轨电位、电流综合分析系统。可以对不同供电制式、不同工况下钢轨电位、电流分布进行评估。本文的研究有助于提高电气化铁路系统运营的可靠性、安全性；为线路的设计与施工提供一定的理论基础和参数依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 高速铁路发展
• 1.1.2 牵引回流及钢轨电位
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 钢轨电位形成机理
• 2.1 钢轨电流分布
• 2.1.1 钢轨感应电流分布
• 2.1.2 钢轨传导电流分布
• 2.1.3 钢轨全电流分布
• 2.2 钢轨电位分布
• 2.2.1 钢轨电位分布定性分析
• 2.2.2 钢轨电位分布理论分析
• 2.3 钢轨电位电流表征参数
• 2.3.1 衰减常数
• 2.3.2 半衰长度
• 2.4 钢轨附近地表电位分布
• 2.5 现场试验与理论分析
• 2.5.1 不同位置钢轨电位分布对比
• 2.5.2 钢轨电位与地表电位分布对比
• 2.5.3 钢轨电流的测量值与理论值对比
• 2.5.4 衰减常数的测试
• 第三章 钢轨电位影响因素
• 3.1 牵引变压器接线方式对钢轨电位影响
• 3.2 牵引网供电方式对钢轨电位影响
• 3.2.1 直供方式
• 3.2.2 带回流线的直供方式
• 3.2.3 AT供电方式
• 3.3 电力机车类型对钢轨电位影响
• 3.3.1 交-直型电力机车对钢轨电位影响
• 3.3.2 交-直-交型电力机车对钢轨电位影响
• 3.4 钢轨漏泄阻抗对钢轨电位影响
• 3.5 衰减常数对钢轨电位的影响
• 3.6 机车与牵引变电所距离对钢轨电位的影响
• 3.7 单复线对钢轨电位的影响
• 第四章 钢轨电位对人身安全和设备正常运行的影响
• 4.1 跨步电压
• 4.1.1 跨步电压产生原理
• 4.1.2 抑制跨步电压措施
• 4.2 钢轨雷击过电压
• 4.2.1 雷直击接触网
• 4.2.2 雷击接触网支柱
• 4.2.3 雷击接触网附近地面
• 4.3 钢轨电位牵引回流对设备可靠性运行的影响
• 4.3.1 对设备绝缘的影响
• 4.3.2 对信号干扰的影响
• 第五章 降低钢轨电位措施
• 5.1 采用AT供电方式
• 5.2 牵引网加装回流线
• 5.3 上下行钢轨横向连接
• 5.4 增设CPW线
• 5.5 采用支柱接地
• 5.5.1 混凝土电阻率和钢筋允许温度
• 5.5.2 钢筋之间的连接
• 5.5.3 支柱钢筋混凝土基础接地电阻计算
• 5.6 改善局部地区高土壤电阻率
• 5.6.1 敷设降阻剂
• 5.6.2 换土法
• 5.6.3 深埋接地体于低电阻率土壤法
• 5.7 特设综合地线
• 5.7.1 综合地线材质
• 5.7.2 综合接地规格
• 第六章 钢轨电位综合分析系统
• 6.1 系统主要功能介绍
• 6.2 系统的主体框架
• 6.3 软件主界面图以及各功能界面介绍
• 6.4 进一步的开发计划
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果
• 攻读硕士学位期间参与的科研实践