重载电气化铁路钢轨电位监测系统

-.z重载电气化铁路钢轨电位监测系统重载高速电气化铁路区段由于牵引电流大和钢轨对地漏泄电阻高，导致的钢轨电位偏高对人身和设备平安造成威胁。本文阐述了钢轨电位的产生机理，分析了其根本特性，并用实测波形和仿真数据验证了钢轨电位偏高情况频繁发生。提出了研究钢轨电位监测系统的必要性，从监测系统中的采集系统、GPS授时同步系统、抗干扰技术进展了详细分析，最后从技术可行性和经济可行性上分析得到，建立高速重载电气化铁路钢轨电位监测系统可行。关键字：高速重栽电气化铁路钢轨电位监测系统1前言众所周知，电气化铁道的钢轨除了作为机车车辆的走行轨之外，还兼作牵引供电网络的回流导体[1，2]。直接铺设在道床上的钢轨与间并没有良好的绝缘，局部牵引回流可在机车取流点附近通过轨一地间的横向过渡电阻泄人，并在机车和回流点附近钢轨中产生明显的钢轨对地电位[3]，理想情况下是离钢轨距离无限远的电压值，实际上一般测量选离钢轨5O米左右处为电位零点以测得钢轨电位值。特别对于电气化铁道重载区段因机车功率高，钢轨电位过高现象非常明显。钢轨电位升高对人员生命平安、沿线设备、轨道信号电路、钢轨与枕木之间的绝缘等产生一系列不良影响[4]。因此近年来国外专家对钢轨电位的研究也进一步深入，侧重点主要在如何降低钢轨电位和采取什么技术手段，但是对钢轨电位监测方面的研究少之又少。钢轨电位问题的研究虽然有着很长的时间，也是电气化铁道牵引供电系统中面临的难点课题之一[5]。我国对交流电气化铁道钢轨电位问题也开展了一些研究工作[6，7]，近几年，我国开场大力修建高速重载电气化铁道专线，由于牵引电流和钢轨对地漏泄电阻都较大，钢轨漏泄电阻是电气化铁道牵引供电的一个重要参数，其电气参数指的是两根钢轨并联起来对的绝缘电阻，为防止混淆，把它称为钢轨对的漏泄电阻。其大小直接影响牵引供电系统回流网络的电流分布和钢轨电位幅值。在钢轨阻抗和牵引负荷电流一定的情况下，假设钢轨漏泄电阻过小就会产生较大的钢轨对地的漏泄电流;假设钢轨漏泄电阻过大又会产生较大的钢轨电位。对于高速电气化铁道的钢轨电位偏高问题，国外已有一些实用措施和研究资料[8]，但不同国家解决问题的思路和所采取的技术措施并不一致，而且国外对钢轨电位监测评估系统并没有任何的研究和实施。如何评价这些技术措施，相关的设计参数如何确定，国外还需要进展深入的研究。同样地，在我国牵引供电系统中严重缺乏现场测试的数据，很多设计数据都还是参考国外的。为了能够同步采集牵引供电系统的各电气参数，就要采用工程中经常用到的数据采集方法即异地同步采集，集中分析处理的方法。但是两地相距较远的情况，如果利用网络，一是设备使用复杂、繁重，二是不能保证准确同步，因为通过网络校准采集设备的时间会存在由于网络传输延时所导致的误差。但是GPS传递的时间能全球围保持高精度同步，这为数据采集系统提供高精度时间基准，使异地同步数据采集成为可能[9，10]。因此，在GPS同步技术的支持下，基于GPS的同步数据采集钢轨电位就变得很有价值和意义了。本文就重载高速电气化区段钢轨电位监测系统做了系统分析，首先阐述了钢轨电位的产生机理，分析了其根本特性，并曾对大高速重载高速铁路钢轨电位进展了现场测试，电位超过标准情况频繁发生，用MATLAB/SIMULINKE模块对AT供电方式下的重载区段钢轨电位在正常运行情况下和短路情况下做了定量仿真分析验证。最后提出研究钢轨电位监测系统的必要性，对监测系统中的采集系统、授时同步系统、抗干扰情况进展了详细分析，提出此套监测系统的可行性和必要性。2钢轨电位监测2.1钢轨电位的产生钢轨是牵引回流网络的重要组成局部，由于钢轨同道床间的接触是电气上的不良绝缘接触，存在一个钢轨-地漏泄电阻(取值围宽达0.5～500Ω)，当电流沿钢轨流通时，必然会有电流从钢轨漏泄至，并产生钢轨电位。在牵引变电所或回流点附近重新进入钢轨，返回电源的接地端，从而形成杂散电流。如图1所示，I1和I2分别为一个供电区间两个牵引变电所向机车提供的牵引电流I3和I4分别为通过走行轨向两个牵引变电所回流的电流,I5和I6分别为泄漏到地下的杂散电流。杂散电流流经漏泄电阻，产生钢轨电位。并在机车和回流点附近钢轨中产生明显的钢轨对地电位。作者曾对大重载高速货运铁路的钢轨电位进展过测试，该线路负荷电流大，机车运行密度高，可导致钢轨电位幅值到达100V以上，而根据EN501122-1标准，钢轨电位不超过60V。图2为现场采集到的*点钢轨电位波形，该电压波形畸变严重，谐波含量大。利用MATLAB/SIMULINK模块对整个牵引系统进展建立模型如图3，在目前常规铁路的接触网回流线(或PW线)和地线的设计中，回流线(或线)是起到回流兼地线的作用，接触网的回流线(或线)除了在两端与牵引变电所或AT所的地网相连外，在区间是通过吸上线接到信号轨道电路的完全横向连接的空心线圈中点或扼流变压器的中点，而信号完全等电位线所连接的空心线圈中点或扼流变压器是与信号贯穿地线相连的。仿真时采用以下条件，电源选用普通的三相电源。牵引变电所的接线方式是选用scott接线方式，变压器的容量为30MVA，原边线电压的有效值是110kV，系统容量为600MVA，次边电压有效值在AT供电方式下为55kV。牵引网选用的是单线链形悬挂形式。由于仿真时不需要关心谐波对其的影响，故为了简便把机车等效成电流有效值为282A的交流电流源。图4为无综合地线并且机车正常运行时钢轨电位，图5为有综合地线并且发生T-R短路故障时钢轨电位。2.2现场电位监测通过以上对钢轨电位的理论分析，现场实测接线图如图6，实测数据和仿真分析，可以得到在重载高速铁路区段钢轨电位偏高情况是频繁发生的。日本的山阳新干线开通初期，实测正常运行时的最高钢轨电位到达760V。如此高的钢轨电位，可能造成沿线维护作业人员的触电事故，容易引起同轨道相连的信号设备的功能不良或故障，并且会加速钢轨与轨枕间绝缘垫片的老化。故对钢轨电位的监测系统的研究势在必行。对钢轨电位的研究主要着重是解决对人身平安和设备平安问题，如果利用实时钢轨电位监测系统，可以直观方便地对该条线路进展防治。建立高速和重载电气化铁路钢轨电位监测及综合接地效果评价系统，提高电气化铁路运行可靠性，防止由于钢轨电位过高或接地方案不合理等因素造成的重大事故发生，图7为监测系统中监测点的分布图。钢轨电位还能反映该线路的钢轨.地漏泄阻抗的大小，一般无渣轨道和有渣轨道的道床绝缘阻抗也不一样。另外还可对降低钢轨电位的实际措施提供一定的依据，对分析恶劣环境下发生短路故障也提供依据。可以对利用了降低钢轨电位措施之后的效果进展验证分析。3钢轨电位采集系统设计仪器由各独立的采集模块和一部计算机系统相连组成，每一个模块均含有一个时基控制器和多个采集通道和通道独立的程控放大器，程控放大器对输入模拟信号进展放大和滤波，放大器增益通过继电器和软件进展程控量程切换，以便适应不同的信号幅值围。A/D对放大后的模拟信号数字化并把结果存人存储器中。模块间以时钟、触发总线来同步，可保证各通道同时触发和同时记录;各模块也可以异步采集，相互独立。CPU通过统一的系统总线来存取指定的通道数据，并控制各采集模块的参数和状态。另外由于每个通道自带A/D和存储器，故扩展采集模块、增加通道变得很容易，而且不会影响整个系统的最高采样速率和每通道的采集长度，在并行采集时，通道间相差小到可以忽略。连接好了采集系统等设备后，必须要有软件的支持，该软件应该有优良的图形界面，自动存盘和存储的配置和功能，波形回放。多种数据处理功能，具有FFT频谱，功率谱，微积分，数字滤波等算法，并且有立即特征值计算，快速浏览数据特性，微分算法时带有滤波特性，抑制高噪声和量化噪声。支持各种打印机，打印效果所见即所得。现在适用于数据采集和分析的控制分析处理软件已经广泛应用。4同步性为了使得相邻一个或者几个AT所的数据能够同步分析，应该使得采集时间精度高，以保证数据测量的准确性，采集前对每个采集系统定位同步时钟。对于全球卫星同步时钟的原理图和时间传递原理如图9和10。该时钟一般可以采用GPS(全球定位系统)发送的秒同步时间，完全可以为采集装置提供准确的同步时间信号。这样输出的秒脉冲精度可以到达微秒的级别，稳定性好，接收容易，GPS采用扩频和伪码技术，并且抗干扰性很强。5抗干扰性设计电气化铁路采用的是50Hz/27.5kV的工频单相交流制式，由于牵引供电回路的电压和电流直接产生的电磁感应作用会使电气化铁道附近的金属导体间或金属导体与间产生感应电压或感应电流。在钢轨电位的测量、传输与处理过程中，不可防止地存在着各种干扰因素，主要包括：空间辐射干扰、信号通道干扰、电源干扰、数字电路引起的干扰。所以系统在使用时，根据实际情况，对干扰进展抑制和消除。消除系统干扰的措施可从硬件和软件两方面来进展考虑。首先从硬件方面来进展考虑，在监测系统中，接地是抑制干扰的主要方法，在设计和安装过程中，把接地和屏蔽正确地结合起来，可以抑制大局部的干扰。从软件方面进展考虑.由于干扰不仅会降低监测系统的测量精度，而且会造成程序进入死循环或死机状态，使系统无常工作。软件抗干扰的典型方法是数字滤波。软件抗干扰对检测系统是非常重要的，采用软件方法抗干扰不仅效果好，而且大大降低了本钱。在本系统的软件抗干扰处理中，采用了数字滤波的方法。由于检测系统的信号和干扰是随机的，其特性往往只能从统计的意义上来描述。此时，经典的滤波方法就不可能把有用的信号从测量结果中别离出来。而数字滤波具有较强的自适应性。可以得到既能满足测量精度要求，又不影响测量效率的最正确效果。采用光缆作为长途传输的主要媒介，由于光纤对电磁有抗干扰性，从根本上去除通信线路的电磁干扰影响;其次，采用数字化通信技术，利用数字信号的可再生性，可以很好地抑制电磁干扰，提高传输质量。如钢轨电位监测系统大面积使用光缆和数字化通信技术，可以极高地保证监测系统的平安可靠性和数据的真实稳定性。6可行性从技术可行性上分析，钢轨电位监测系统就是对钢轨电位的采集、存储和分析。此技术已经趋于成熟。目前的采集系统各个模块设计精度高，可扩展性强，完全可以到达准确测量和实时存储的结果。对于GPS同步授时系统，在钢轨电位采集系统中并不是要求很严格，但是在GPS同步技术的支持下，以及电气化铁道电气参数异地同步采集的需要，基于GPS的同步数据采集装置就变得很有价值和意义了。对于抗干扰性，无论从硬件和软件上，在充分研究了电气化铁道干扰源后，从采集系统和数据传输系统都可以进展抗干扰设计和改良。从经济可行性上分析，钢轨电位监测系统仪器设备使用量少，投资少，故障维修简单，对于没有必要监测的电气化区段路线，可以撤除设备，撤销监测点，重点监测易受钢轨电位及其地表电位影响的铁路设备区段。7结论重载高速牵引供电系统中钢轨电位偏高问题突出，针对这一现实提出的重载高速铁路区段钢轨电位监测系统，即可实时监测钢轨电位的变化情况，以及时排除由于钢轨电位过高导致的设备和人员平安隐患和提出应对钢轨电位过高的技术措施。从技术可行性和经济可行性上分析，建立重载高速区段电气化铁道钢轨电位监测系统是可行的。参考文献[1]建猷.电气化铁道供电系统.[M].：中国铁道，1983.[2]袁则富.何其光.电气化铁道供电[M].：西南交通大学,1989.[3]群湛.牵引供电系统分析.：西南交通大学，2007.[4]渡边宽.钢轨电位的抑制对策.铁道技术研究报告，1978.[5]RiordanJ.Currentpropagationinelectricrailwaypropulsionsystems[J].AIEETrans.1932，51：101I-1019.[6]辛成山.钢轨漏泄电阻对AT供电系统电气特性指标的影响.铁道科学研究院研究报告，1988.[7]吴命利，黄足平，辛成山.降低电气化铁道钢轨电位技术措施的研究.中国电气化铁路两万公里学术会议.[c].Beijing，2005.30-38.[8]AMariscotti，PPozzobon，MVanti.DistributionofthetractionreturncurrentinATelectricrailwaysystem[J].IEEETram.onPowerDelivery，2005，20(3)：2119-2128.[9]兰荪.高速数据采集系统的原理与应用.：人民邮电，1995.[10]炜，王彪，黄.基于GPS授时的异地同步数据采集系统[J].测控技术[J]，2006，25(3)：40-4