城市轨道交通过渡电阻在线监测研究

城市轨道交通供电区间过渡电阻在线监测研究汇报人：杜贵府研究方向：直流牵引供电导师：王崇林教授中国矿业大学2013年全国博士生学术论坛主要内容研究背景目前过渡电阻测试过渡电阻在线监测原理过渡电阻在线监测方案总结与后续研究1、研究背景直流牵引供电系统的结构和特征1、研究背景由于钢轨很难做到完全对地绝缘，从而形成杂散电流。直流牵引回流系统产生的杂散电流会对地铁附近钢筋混凝土结构、埋地管线，地铁自身钢轨及其附件等造成严重腐蚀。钢轨扣件处腐蚀情况金属管道腐蚀情况1、研究背景研究表明，城市轨道交通运营中，轨地过渡电阻降低是产生杂散电流的主要原因，保持轨地过渡电阻值是防治杂散电流的有效方法。地铁回流系统大，回流轨道全线焊接，并且存在接缝，扣件等不连续点，实现轨地绝缘电阻在线监测与故障类型、位置定位难度大，但有意义。目前过渡电阻测试方法主要有：

（1）CJJ49-92规定的测试方法

（2）IEC62128-2规定的测试方法

（3）牛顿迭代法的过渡电阻在线测试

（4）基于钢轨电位分布及排流电流的在线测试2、目前过渡电阻测试方法—CJJ49-92规定的测试方法

CJJ49-92附录二地铁杂散电流腐蚀与防护的试验测量和使用仪表中第三条规定:

走行轨和主体结构之间的过渡电阻值，可利用电压、电流表法或ZC－8型接地电阻测量仪测量。测量工作应在停电以后进行,并应断开本闭塞区段与相邻区段之间的电气连接。实测得走行轨对主体结构的过渡电阻值，相当于1km长度走行轨的等值过渡电阻值ω（欧姆•公里，Ω•km）为：

将被测区间所含的各闭塞区段的测量结果按并联方式计算其等值电阻值，即可求出本区间的等值过渡电阻。特点优点：实质是利用伏安法测量电阻，测试简单，便于操作。缺点：（1）不能针对局部区段进行测试。回流系统为了减小自身电阻，对全线钢轨进行了无缝焊接，使轨道成为了一体。因此使用此方法对过渡电阻测量时，只能测量全线的过渡电阻。（2）测量数据不准确。目前国内地铁或轻轨一条线约有几十公里，以轨地过渡电阻计算，总的轨地电阻值在用本方法测试时只有几百毫欧；假设某处发生轨地间短路情况时，由于测量仪表本身的误差以及接线的接触电阻，使得测量总电阻也可能达到几百毫欧。这样，即使发生故障，也不能通过该方法体现出来。（3）无法利用回流系统流过的牵引电流进行在线测试，不能反映系统的真实参数。2、目前过渡电阻测试方法—CJJ49-92规定的测试方法测试原理在IEC62128-2附录A2.3走行轨与隧道间单位电导测量中给出了轨地电导的测量方法。2、目前过渡电阻测试方法—IEC62128-2测试方法特点优点：可以实现轨地电导的分区间测量，便于查找局部绝缘损坏或失效。缺点：（1）对测试电源容量和仪表精度要求较高。需要测量A端和B端共四处10m轨道电压降，轨道直流电阻很小，假设电源能够提供200A的电流，在测试区域轨地绝缘正常的情况下，每个轨道电压降测量点的电压小于15mV，此时对测试仪表的精度要求较高。2、目前过渡电阻测试方法—IEC62128-2测试方法（2）测试时间长，工作量大。应用该方法进行测试，测试需要的电源以10kVA为例，重量近200kg，需要多人配合才能移动，并且测试时至少需要3人同时读取测试数据，现场工作不易开展。（3）无法利用回流系统流过的牵引电流进行在线测试，不能反映系统的真实参数。测试原理假设全线一辆机车运行，牵引电流完全由邻近牵引变电所提供情况下，推导了被测区域轨地电压和轨道电流的数学表达式如下所述：其中2、目前过渡电阻测试方法—牛顿迭代法由于轨道电流I难以直接测量，在该方法中以在测量点测量轨道1m电压降后获得。轨道电流与1m轨道电压降的关系如下：结合以上表达式可得：在X点进行检测，X点的轨地电压u（x）、1m电压降u1(x)都可以测量，I、L也可以检测，因此利用这些参数可以解出α和β，进而利用牛顿迭代法解出和。2、目前过渡电阻测试方法—牛顿迭代法特点优点：实现了地铁正常运营时在线测量轨地过渡电阻及钢轨电阻。缺点：（1）该方法假设的边界条件是只有临近变电所给机车供电，但在实际运行中，由于全线牵引变电所均为并联运行，均会向机车提供牵引电流，此时的轨电位变化情况复杂，难以用解析解表达。（2）轨道电阻和过渡电阻相差两个数量级，α和β值均很小，使用牛顿迭代法进行求解时精度难以保证。（3）回流系统上下行线路间多处设有均流电缆，此时轨道上流过的总牵引电流难以精确测量。2、目前过渡电阻测试方法—牛顿迭代法测试原理实际系统采用双电源供电，原理图如下：列方程求解，最终解得整个供电区间轨道对地过渡电阻值为：2、目前过渡电阻测试方法—利用排流电流及轨电位在线自动测量

在线自动测量时，根据1号牵引所，排流柜的排流电压V1

，排流电流I1

；2号牵引所，排流柜的排流电压V2，排流电流I2

以及中间站走行轨与隧洞结构钢筋间的点位差△V这五个参数，便可计算出该供电区间走行轨与隧洞结构钢筋间的过渡电阻值。2、目前过渡电阻测试方法—利用排流电流及轨电位仅适用单区间情况。实际系统为多区间并联运行，测试结果不能有效反应实际情况。3、轨地过渡电阻在线监测原理为了研究轨地过渡电阻在线测量方法，将系统离散为分布电路模型。根据分布电路模型，分析机车运行时被测区段L长度的平均过渡电阻值。机车不在被测区段范围内时，图中I1为流入被测区段钢轨的电流值，U1为该位置轨道对地的电压，I2为流出被测区段钢轨的电流值，U2为该位置轨道对地电压。3、轨地过渡电阻在线监测原理取被测区段进行分析，将被测区段L离散为n段等效电网络:钢轨对地电位为线性分布，那么:3、轨地过渡电阻在线监测原理

被测区段总体泄露电流为：则：3、轨地过渡电阻在线监测原理

由离散模型可知，n越大越接近实际系统。n取无穷大时：利用上式作为过渡电阻在线监测的理论依据。4、过渡电阻在线监测方案

为实现全线过渡电阻在线监测，设计过渡电阻分布式监测方案。所谓分布式监测是指以每个供电区间为相对独立的一段，每段以一台监测装置为核心，组成一个监测网络子系统。不同的监测子系统通过变电所综合自动化（SCADA）的通信通道，汇集到地铁的指挥中心电力监控的主机，再形成对全线过渡电阻的监测。4、过渡电阻在线监测方案

过渡电阻在线监测系统的组成4、过渡电阻在线监测方案

该监测系统主要由传感器、监测装置和监测控制中心组成，借助了变电所综合自动化系统的通信通道，降低建设费用，形成分布式监测系统，使得通信距离不受限制并且便于扩展延伸。智能传感器

传感器是具有独立计算能力的节点,能够按照预设的模式工作。采用高精度A/D器件取样,进行理论模型转化为相应的电压值,把数据处理过的数据保存在系统中,等待系统通过通信接口取数据。4、过渡电阻在线监测方案

智能传感器4、过渡电阻在线监测方案

监测装置

监测装置输入端与信号转接器通信电缆连接，输出端与SCADA进行通信。

该装置共分以下五个主要功能：1）控制该站点所属各监测点的运行；2）定期采集各监测点的测量数据；3）定期向监测控制中心发送测量数据处理结果；4）根据中心的请求指令发送测量数据结果；5）在监控中心可通过软件控制通信转接器的运行状态。

采用ADAM6501以太网控制器,它是一款用于工业自动化和控制领域的全功能以太网控制器,用户可以将RS-232/485设备数据转换到以太网/Internet上应用,也可通过专业软件远程设置通信转接器的各种参数,控制其运行状态。4、过渡电阻在线监测方案

监测装置

4、过渡电阻在线监测方案

监测装置显示界面绿色：传感器工作正常白色：表明上位机和监测装置之间通信中断黄色：传感器和监测装置之间通信故障或者传感器损坏或者传感器没有供电,需要人工排查红色：监测数据超过限值报警左键单击任何一个传感器可以查看其属性。报告网络中断的监测分站

5、在线监测方法验证

为验证在线监测方法的有效性，在线记录了某地铁线路正常运行时钢轨中的电流曲线，得到实际电流数据。

钢轨中电流曲线5、在线监测方法验证

搭建牵引回流系统模型，对过渡电阻在线监测方法进行验证。钢轨纵向电阻Rs=26.6×10-3Ω/km。轨地过渡电阻值分别设为3Ω*km、6.5217Ω*km、15Ω*km，

5、在线监测方法验证

泄露电流占总电流的比例为2.56%过渡电阻为3Ω*km时被测区间泄露电流波形及监测值5、在线监测方法验证

泄露电流占总电流的比例为1.37%5、