重載電氣化鐵路鋼軌電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

-.z重載電氣化鐵路鋼軌電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重載高速電氣化鐵路區(qū)段由于牽引電流大和鋼軌對(duì)地漏泄電阻高，導(dǎo)致的鋼軌電位偏高對(duì)人身和設(shè)備平安造成威脅。本文闡述了鋼軌電位的產(chǎn)生機(jī)理，分析了其根本特性，并用實(shí)測(cè)波形和仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證了鋼軌電位偏高情況頻繁發(fā)生。提出了研究鋼軌電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性，從監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的采集系統(tǒng)、GPS授時(shí)同步系統(tǒng)、抗干擾技術(shù)進(jìn)展了詳細(xì)分析，最后從技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性上分析得到，建立高速重載電氣化鐵路鋼軌電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可行。關(guān)鍵字：高速重栽電氣化鐵路鋼軌電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1前言眾所周知，電氣化鐵道的鋼軌除了作為機(jī)車(chē)車(chē)輛的走行軌之外，還兼作牽引供電網(wǎng)絡(luò)的回流導(dǎo)體[1，2]。直接鋪設(shè)在道床上的鋼軌與間并沒(méi)有良好的絕緣，局部牽引回流可在機(jī)車(chē)取流點(diǎn)附近通過(guò)軌一地間的橫向過(guò)渡電阻泄人，并在機(jī)車(chē)和回流點(diǎn)附近鋼軌中產(chǎn)生明顯的鋼軌對(duì)地電位[3]，理想情況下是離鋼軌距離無(wú)限遠(yuǎn)的電壓值，實(shí)際上一般測(cè)量選離鋼軌5O米左右處為電位零點(diǎn)以測(cè)得鋼軌電位值。特別對(duì)于電氣化鐵道重載區(qū)段因機(jī)車(chē)功率高，鋼軌電位過(guò)高現(xiàn)象非常明顯。鋼軌電位升高對(duì)人員生命平安、沿線設(shè)備、軌道信號(hào)電路、鋼軌與枕木之間的絕緣等產(chǎn)生一系列不良影響[4]。因此近年來(lái)國(guó)外專(zhuān)家對(duì)鋼軌電位的研究也進(jìn)一步深入，側(cè)重點(diǎn)主要在如何降低鋼軌電位和采取什么技術(shù)手段，但是對(duì)鋼軌電位監(jiān)測(cè)方面的研究少之又少。鋼軌電位問(wèn)題的研究雖然有著很長(zhǎng)的時(shí)間，也是電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)中面臨的難點(diǎn)課題之一[5]。我國(guó)對(duì)交流電氣化鐵道鋼軌電位問(wèn)題也開(kāi)展了一些研究工作[6，7]，近幾年，我國(guó)開(kāi)場(chǎng)大力修建高速重載電氣化鐵道專(zhuān)線，由于牽引電流和鋼軌對(duì)地漏泄電阻都較大，鋼軌漏泄電阻是電氣化鐵道牽引供電的一個(gè)重要參數(shù)，其電氣參數(shù)指的是兩根鋼軌并聯(lián)起來(lái)對(duì)的絕緣電阻，為防止混淆，把它稱(chēng)為鋼軌對(duì)的漏泄電阻。其大小直接影響牽引供電系統(tǒng)回流網(wǎng)絡(luò)的電流分布和鋼軌電位幅值。在鋼軌阻抗和牽引負(fù)荷電流一定的情況下，假設(shè)鋼軌漏泄電阻過(guò)小就會(huì)產(chǎn)生較大的鋼軌對(duì)地的漏泄電流;假設(shè)鋼軌漏泄電阻過(guò)大又會(huì)產(chǎn)生較大的鋼軌電位。對(duì)于高速電氣化鐵道的鋼軌電位偏高問(wèn)題，國(guó)外已有一些實(shí)用措施和研究資料[8]，但不同國(guó)家解決問(wèn)題的思路和所采取的技術(shù)措施并不一致，而且國(guó)外對(duì)鋼軌電位監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)并沒(méi)有任何的研究和實(shí)施。如何評(píng)價(jià)這些技術(shù)措施，相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)如何確定，國(guó)外還需要進(jìn)展深入的研究。同樣地，在我國(guó)牽引供電系統(tǒng)中嚴(yán)重缺乏現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)，很多設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)都還是參考國(guó)外的。為了能夠同步采集牽引供電系統(tǒng)的各電氣參數(shù)，就要采用工程中經(jīng)常用到的數(shù)據(jù)采集方法即異地同步采集，集中分析處理的方法。但是兩地相距較遠(yuǎn)的情況，如果利用網(wǎng)絡(luò)，一是設(shè)備使用復(fù)雜、繁重，二是不能保證準(zhǔn)確同步，因?yàn)橥ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)采集設(shè)備的時(shí)間會(huì)存在由于網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)所導(dǎo)致的誤差。但是GPS傳遞的時(shí)間能全球圍保持高精度同步，這為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供高精度時(shí)間基準(zhǔn)，使異地同步數(shù)據(jù)采集成為可能[9，10]。因此，在GPS同步技術(shù)的支持下，基于GPS的同步數(shù)據(jù)采集鋼軌電位就變得很有價(jià)值和意義了。本文就重載高速電氣化區(qū)段鋼軌電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做了系統(tǒng)分析，首先闡述了鋼軌電位的產(chǎn)生機(jī)理，分析了其根本特性，并曾對(duì)大高速重載高速鐵路鋼軌電位進(jìn)展了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，電位超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)情況頻繁發(fā)生，用MATLAB/SIMULINKE模塊對(duì)AT供電方式下的重載區(qū)段鋼軌電位在正常運(yùn)行情況下和短路情況下做了定量仿真分析驗(yàn)證。最后提出研究鋼軌電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的采集系統(tǒng)、授時(shí)同步系統(tǒng)、抗干擾情況進(jìn)展了詳細(xì)分析，提出此套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性和必要性。2鋼軌電位監(jiān)測(cè)2.1鋼軌電位的產(chǎn)生鋼軌是牽引回流網(wǎng)絡(luò)的重要組成局部，由于鋼軌同道床間的接觸是電氣上的不良絕緣接觸，存在一個(gè)鋼軌-地漏泄電阻(取值圍寬達(dá)0.5～500Ω)，當(dāng)電流沿鋼軌流通時(shí)，必然會(huì)有電流從鋼軌漏泄至，并產(chǎn)生鋼軌電位。在牽引變電所或回流點(diǎn)附近重新進(jìn)入鋼軌，返回電源的接地端，從而形成雜散電流。如圖1所示，I1和I2分別為一個(gè)供電區(qū)間兩個(gè)牽引變電所向機(jī)車(chē)提供的牽引電流I3和I4分別為通過(guò)走行軌向兩個(gè)牽引變電所回流的電流,I5和I6分別為泄漏到地下的雜散電流。雜散電流流經(jīng)漏泄電阻，產(chǎn)生鋼軌電位。并在機(jī)車(chē)和回流點(diǎn)附近鋼軌中產(chǎn)生明顯的鋼軌對(duì)地電位。作者曾對(duì)大重載高速貨運(yùn)鐵路的鋼軌電位進(jìn)展過(guò)測(cè)試，該線路負(fù)荷電流大，機(jī)車(chē)運(yùn)行密度高，可導(dǎo)致鋼軌電位幅值到達(dá)100V以上，而根據(jù)EN501122-1標(biāo)準(zhǔn)，鋼軌電位不超過(guò)60V。圖2為現(xiàn)場(chǎng)采集到的*點(diǎn)鋼軌電位波形，該電壓波形畸變嚴(yán)重，諧波含量大。利用MATLAB/SIMULINK模塊對(duì)整個(gè)牽引系統(tǒng)進(jìn)展建立模型如圖3，在目前常規(guī)鐵路的接觸網(wǎng)回流線(或PW線)和地線的設(shè)計(jì)中，回流線(或線)是起到回流兼地線的作用，接觸網(wǎng)的回流線(或線)除了在兩端與牽引變電所或AT所的地網(wǎng)相連外，在區(qū)間是通過(guò)吸上線接到信號(hào)軌道電路的完全橫向連接的空心線圈中點(diǎn)或扼流變壓器的中點(diǎn)，而信號(hào)完全等電位線所連接的空心線圈中點(diǎn)或扼流變壓器是與信號(hào)貫穿地線相連的。仿真時(shí)采用以下條件，電源選用普通的三相電源。牽引變電所的接線方式是選用scott接線方式，變壓器的容量為30MVA，原邊線電壓的有效值是110kV，系統(tǒng)容量為600MVA，次邊電壓有效值在AT供電方式下為55kV。牽引網(wǎng)選用的是單線鏈形懸掛形式。由于仿真時(shí)不需要關(guān)心諧波對(duì)其的影響，故為了簡(jiǎn)便把機(jī)車(chē)等效成電流有效值為282A的交流電流源。圖4為無(wú)綜合地線并且機(jī)車(chē)正常運(yùn)行時(shí)鋼軌電位，圖5為有綜合地線并且發(fā)生T-R短路故障時(shí)鋼軌電位。2.2現(xiàn)場(chǎng)電位監(jiān)測(cè)通過(guò)以上對(duì)鋼軌電位的理論分析，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)接線圖如圖6，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真分析，可以得到在重載高速鐵路區(qū)段鋼軌電位偏高情況是頻繁發(fā)生的。日本的山陽(yáng)新干線開(kāi)通初期，實(shí)測(cè)正常運(yùn)行時(shí)的最高鋼軌電位到達(dá)760V。如此高的鋼軌電位，可能造成沿線維護(hù)作業(yè)人員的觸電事故，容易引起同軌道相連的信號(hào)設(shè)備的功能不良或故障，并且會(huì)加速鋼軌與軌枕間絕緣墊片的老化。故對(duì)鋼軌電位的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究勢(shì)在必行。對(duì)鋼軌電位的研究主要著重是解決對(duì)人身平安和設(shè)備平安問(wèn)題，如果利用實(shí)時(shí)鋼軌電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以直觀方便地對(duì)該條線路進(jìn)展防治。建立高速和重載電氣化鐵路鋼軌電位監(jiān)測(cè)及綜合接地效果評(píng)價(jià)系統(tǒng)，提高電氣化鐵路運(yùn)行可靠性，防止由于鋼軌電位過(guò)高或接地方案不合理等因素造成的重大事故發(fā)生，圖7為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布圖。鋼軌電位還能反映該線路的鋼軌.地漏泄阻抗的大小，一般無(wú)渣軌道和有渣軌道的道床絕緣阻抗也不一樣。另外還可對(duì)降低鋼軌電位的實(shí)際措施提供一定的依據(jù)，對(duì)分析惡劣環(huán)境下發(fā)生短路故障也提供依據(jù)?？梢詫?duì)利用了降低鋼軌電位措施之后的效果進(jìn)展驗(yàn)證分析。3鋼軌電位采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)儀器由各獨(dú)立的采集模塊和一部計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連組成，每一個(gè)模塊均含有一個(gè)時(shí)基控制器和多個(gè)采集通道和通道獨(dú)立的程控放大器，程控放大器對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)展放大和濾波，放大器增益通過(guò)繼電器和軟件進(jìn)展程控量程切換，以便適應(yīng)不同的信號(hào)幅值圍。A/D對(duì)放大后的模擬信號(hào)數(shù)字化并把結(jié)果存人存儲(chǔ)器中。模塊間以時(shí)鐘、觸發(fā)總線來(lái)同步，可保證各通道同時(shí)觸發(fā)和同時(shí)記錄;各模塊也可以異步采集，相互獨(dú)立。CPU通過(guò)統(tǒng)一的系統(tǒng)總線來(lái)存取指定的通道數(shù)據(jù)，并控制各采集模塊的參數(shù)和狀態(tài)。另外由于每個(gè)通道自帶A/D和存儲(chǔ)器，故擴(kuò)展采集模塊、增加通道變得很容易，而且不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的最高采樣速率和每通道的采集長(zhǎng)度，在并行采集時(shí)，通道間相差小到可以忽略。連接好了采集系統(tǒng)等設(shè)備后，必須要有軟件的支持，該軟件應(yīng)該有優(yōu)良的圖形界面，自動(dòng)存盤(pán)和存儲(chǔ)的配置和功能，波形回放。多種數(shù)據(jù)處理功能，具有FFT頻譜，功率譜，微積分，數(shù)字濾波等算法，并且有立即特征值計(jì)算，快速瀏覽數(shù)據(jù)特性，微分算法時(shí)帶有濾波特性，抑制高噪聲和量化噪聲。支持各種打印機(jī)，打印效果所見(jiàn)即所得?，F(xiàn)在適用于數(shù)據(jù)采集和分析的控制分析處理軟件已經(jīng)廣泛應(yīng)用。4同步性為了使得相鄰一個(gè)或者幾個(gè)AT所的數(shù)據(jù)能夠同步分析，應(yīng)該使得采集時(shí)間精度高，以保證數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，采集前對(duì)每個(gè)采集系統(tǒng)定位同步時(shí)鐘。對(duì)于全球衛(wèi)星同步時(shí)鐘的原理圖和時(shí)間傳遞原理如圖9和10。該時(shí)鐘一般可以采用GPS(全球定位系統(tǒng))發(fā)送的秒同步時(shí)間，完全可以為采集裝置提供準(zhǔn)確的同步時(shí)間信號(hào)。這樣輸出的秒脈沖精度可以到達(dá)微秒的級(jí)別，穩(wěn)定性好，接收容易，GPS采用擴(kuò)頻和偽碼技術(shù)，并且抗干擾性很強(qiáng)。5抗干擾性設(shè)計(jì)電氣化鐵路采用的是50Hz/27.5kV的工頻單相交流制式，由于牽引供電回路的電壓和電流直接產(chǎn)生的電磁感應(yīng)作用會(huì)使電氣化鐵道附近的金屬導(dǎo)體間或金屬導(dǎo)體與間產(chǎn)生感應(yīng)電壓或感應(yīng)電流。在鋼軌電位的測(cè)量、傳輸與處理過(guò)程中，不可防止地存在著各種干擾因素，主要包括：空間輻射干擾、信號(hào)通道干擾、電源干擾、數(shù)字電路引起的干擾。所以系統(tǒng)在使用時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)干擾進(jìn)展抑制和消除。消除系統(tǒng)干擾的措施可從硬件和軟件兩方面來(lái)進(jìn)展考慮。首先從硬件方面來(lái)進(jìn)展考慮，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，接地是抑制干擾的主要方法，在設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中，把接地和屏蔽正確地結(jié)合起來(lái)，可以抑制大局部的干擾。從軟件方面進(jìn)展考慮.由于干擾不僅會(huì)降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度，而且會(huì)造成程序進(jìn)入死循環(huán)或死機(jī)狀態(tài)，使系統(tǒng)無(wú)常工作。軟件抗干擾的典型方法是數(shù)字濾波。軟件抗干擾對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)是非常重要的，采用軟件方法抗干擾不僅效果好，而且大大降低了本錢(qián)。在本系統(tǒng)的軟件抗干擾處理中，采用了數(shù)字濾波的方法。由于檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)和干擾是隨機(jī)的，其特性往往只能從統(tǒng)計(jì)的意義上來(lái)描述。此時(shí)，經(jīng)典的濾波方法就不可能把有用的信號(hào)從測(cè)量結(jié)果中別離出來(lái)。而數(shù)字濾波具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性?？梢缘玫郊饶軡M足測(cè)量精度要求，又不影響測(cè)量效率的最正確效果。采用光纜作為長(zhǎng)途傳輸?shù)闹饕浇?，由于光纖對(duì)電磁有抗干擾性，從根本上去除通信線路的電磁干擾影響;其次，采用數(shù)字化通信技術(shù)，利用數(shù)字信號(hào)的可再生性，可以很好地抑制電磁干擾，提高傳輸質(zhì)量。如鋼軌電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大面積使用光纜和數(shù)字化通信技術(shù)，可以極高地保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的平安可靠性和數(shù)據(jù)的真實(shí)穩(wěn)定性。6可行性從技術(shù)可行性上分析，鋼軌電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是對(duì)鋼軌電位的采集、存儲(chǔ)和分析。此技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。目前的采集系統(tǒng)各個(gè)模塊設(shè)計(jì)精度高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，完全可以到達(dá)準(zhǔn)確測(cè)量和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的結(jié)果。對(duì)于GPS同步授時(shí)系統(tǒng)，在鋼軌電位采集系統(tǒng)中并不是要求很?chē)?yán)格，但是在GPS同步技術(shù)的支持下，以及電氣化鐵道電氣參數(shù)異地同步采集的需要，基于GPS的同步數(shù)據(jù)采集裝置就變得很有價(jià)值和意義了。對(duì)于抗干擾性，無(wú)論從硬件和軟件上，在充分研究了電氣化鐵道干擾源后，從采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)都可以進(jìn)展抗干擾設(shè)計(jì)和改良。從經(jīng)濟(jì)可行性上分析，鋼軌電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)儀器設(shè)備使用量少，投資少，故障維修簡(jiǎn)單，對(duì)于沒(méi)有必要監(jiān)測(cè)的電氣化區(qū)段路線，可以撤除設(shè)備，撤銷(xiāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)易受鋼軌電位及其地表電位影響的鐵路設(shè)備區(qū)段。7結(jié)論重載高速牽引供電系統(tǒng)中鋼軌電位偏高問(wèn)題突出，針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)提出的重載高速鐵路區(qū)段鋼軌電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼軌電位的變化情況，以及時(shí)排除由于鋼軌電位過(guò)高導(dǎo)致的設(shè)備和人員平安隱患和提出應(yīng)對(duì)鋼軌電位過(guò)高的技術(shù)措施。從技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性上分析，建立重載高速區(qū)段電氣化鐵道鋼軌電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是可行的。參考文獻(xiàn)[1]建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng).[M].：中國(guó)鐵道，1983.[2]袁則富.何其光.電氣化鐵道供電[M].：西南交通大學(xué),1989.[3]群湛.牽引供電系統(tǒng)分析.：西南交通大學(xué)，2007.[4]渡邊寬.鋼軌電位的抑制對(duì)策.鐵道技術(shù)研究報(bào)告，1978.[5]RiordanJ.Currentpropagationinelectricrailwaypropulsionsystems[J].AIEETrans.1932，51：101I-1019.[6]辛成山.鋼軌漏泄電阻對(duì)AT供電系統(tǒng)電氣特性指標(biāo)的影響.鐵道科學(xué)研究院研究報(bào)告，1988.[7]吳命利，黃足平，辛成山.降低電氣化鐵道鋼軌電位技術(shù)措施的研究.中國(guó)電氣化鐵路兩萬(wàn)公里學(xué)術(shù)會(huì)議.[c].Beijing，2005.30-38.[8]AMariscotti，PPozzobon，MVanti.DistributionofthetractionreturncurrentinATelectricrailwaysystem[J].IEEETram.onPowerDelivery，2005，20(3)：2119-2128.[9]蘭蓀.高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與應(yīng)用.：人民郵電，1995.[10]煒，王彪，黃.基于GPS授時(shí)的異地同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].測(cè)控技術(shù)[J]，2006，25(3)：40-4