交流供电制式对地铁隧道接地系统感应电压电流的影响研究

摘要

截至2019年底，我国累计40个城市投入运用城市轨道交通达6730.27公里，新增运营线路共计968.77公里，创历史新高，这表明城市轨道交通正处在蓬勃发展的阶段。随着城市范围的扩展与城际地铁的发展，直流牵引供电地铁由于运行速度较慢而越来越无法满足现在与未来的需求。为了解决直流牵引供电地铁面临的诸如杂散电流等一系列问题，采用工频单相交流供电的新型交流牵引供电地铁应运而生。虽然交流电对埋地管线的电化学腐蚀作用较少，但其隧道结构钢筋交流感应过电压将对埋地弱电电缆的绝缘层造成损坏，并且会通过水、油、气管道侵入居民生活设施，对设备及人身安全造成危害。因此，在考虑结构钢筋感应电流电压的影响因素下对交流牵引供电地铁接地系统的研究是很有必要的。　　本文首先利用CDEGS软件对地铁钢轨模型进行搭建。在矿山法隧道基础上对交流和直流牵引供电进行对比仿真，分析两种情况下钢轨电压电流、结构钢筋感应电流电压的分布情况。研究发现交流牵引供电下的结构钢筋电流远远大于直流牵引供电下的结构钢筋电流。这是由于交流供电制式下，牵引电流可以通过空间电磁耦合传入周边隧道结构钢筋中，在结构钢筋中产生感应电流。因此针对交流牵引供电下的地铁接地分析中，结构钢筋中的感应电流电压是不可忽视的问题。　　接着本文对牵引回流系统中增加贯通地线对钢轨电压电流及结构钢筋的影响进行研究，分析在直接供电方式、带回流线的直供方式及在带回流线的直供方式下增加贯通地线三种供电制式下的牵引回流分布规律，对比结构钢筋感应电流电压的变化。研究发现交流牵引供电下的地铁回流系统中，带回流线的直供方式能有效降低钢轨电位，而增设贯通地线对降低钢轨电压电流和结构钢筋的感应电压和感应电流的作用非常有限。　　然后本文根据盾构区间盾构管片中结构钢筋的特点，研究结构钢筋电气连接与否对其感应电流的影响。这一部分首先根据地铁隧道内接触线、钢轨和回流线的空间位置关系，计算结构钢筋的互感及互感电动势。在计算结构钢筋自感与电阻后利用Simulink仿真软件计算出结构钢筋的感应电流。研究发现结构钢筋不进行电气贯通时其感应电流更小。接着利用CDEGS仿真软件研究结构钢筋电气贯通长度不同时钢轨电流电压和结构钢筋电流电压的变化趋势。研究发现结构钢筋不进行电气贯通时，其电流是不连续的，并且小于全线贯通时的电流，据此可推荐盾构管片分段隔离，即对盾构区间不做处理。　　最后本文根据所有的研究内容，提出了一种适用于交流牵引供电下地铁的接地方案，可对地铁的设计施工提供帮助。

目录

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目 录

第1 章绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国家铁路与城市轨道交通接地系统研究现状

1.2.2 交流制供电下城市轨道交通研究现状

1.3 本课题研究内容

1 矿山法下隧道感应电压电流的影响研究

2 盾构法隧道感应电压电流的研究

3 接地方案分析

第2 章交流牵引供电下的地铁概述及建模

2.1 交流牵引供电下的地铁概述

2.1.1 国家铁路

2.1.2 城市轨道交通

2.1.3 交流制供电下城市轨道交通

2.1.4 交流牵引供电地铁与国家干线铁路的区别

2.2 地铁隧道建模

2.2.1 CDEGS软件简介

2.2.2 轨道等效模型研究

2.2.3 隧道等效模型的研究

2.3 本章小结

第3 章 矿山法下隧道感应电压电流研究

3.1 矿山法隧道简介

3.2 交流与直流分别供电时的回流分布研究

3.2.1 电流仿真分析

3.2.2 电压仿真分析

3.3 交流制下不同供电制式仿真研究

3.3.1 不同供电制式下牵引回流分布研究

3.3.2 结构钢筋感应电流电压的分布规律

3.4 回流分布影响因素研究

3.4.1 供电电流的影响

3.4.2 土壤电阻率的影响

3.4.3 机车位置的影响

3.5 结构钢筋接地方式研究

3.6 本章小结

第4 章 盾构法隧道感应电压电流的研究

4.1 地铁施工盾构法简介

4.2 盾构法下隧道模型及参数

4.2.1盾构法隧道模型

4.2.2 隧道模型简化

4.3 互感及感应电动势、感应电流的计算

4.3.1 互感公式及计算方法

4.3.2 结构钢筋有效焊接时互感及电动势的计算

4.3.3 结构钢筋不进行有效焊接时互感及电动势的计算

4.4 感应电流计算

4.4.1 钢筋自感的计算

4.4.2 感应电流计算

4.5 盾构区间结构钢筋电气连接方案研究

4.6 本章小结

第5 章接地方案分析

5.1 贯通地线的论证分析

5.1.1 钢轨对信号系统的影响分析

5.1.2贯通地线接地效果分析

5.1.3贯通地线回流效果分析

5.1.4 贯通地线的接地功能分析

5.1.5 贯通地线的迷流危害

5.1.6 取消贯通地线

5.2 接地方式的研究

5.2.1 接地方式对结构钢筋感应电压和感应电流的影响规律

5.2.2 结构钢筋与钢轨相连时电位与电流分布规律

5.2.3 结构钢筋分段对其电位与电流分布的影响

5.3 接地方式的确定

5.4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

一、发表的论文

二、参与的科研项目