重载电气化铁路钢轨电位监测系统

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1、.....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安全造成威胁。本文阐述了钢轨电位的产生机理，分析了其基本特性，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、抗干扰技术进行了详细分析，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[

2、1，2]。直接铺设在道床上的钢轨与大地间并没有良好的绝缘，部分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大地，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安全、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]。因此近年来国内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

3、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，我国开始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大地的绝缘电阻，为避免混淆，把它称为钢轨对大地的漏泄电阻。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，若钢轨漏泄电阻过小就会产生较大的钢轨对地的漏泄电流;若钢轨漏泄电阻过大又会产生较大的钢轨电

4、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，而且国内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，国内外还需要进行深入的研究。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，集中分析处理的办法。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，二是不能保证精确同步，因为通过网络校准采集设备的时间会存在

5、由于网络传输延时所导致的误差。但是GPS传递的时间能全球范围内保持高精度同步，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，分析了其基本特性，并曾对大秦高速重载高速铁路钢轨电位进行了现场测试，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

6、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、抗干扰情况进行了详细分析，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部分，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(取值范围宽达0.5～500Ω)，当电流沿钢轨流通时，必然会有电流从钢轨漏泄至大地，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,I

7、5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。　　作者曾对大秦重载高速货运铁路的钢轨电位进行过测试，该线路负荷电流大，机车运行密度高，可导致钢轨电位幅值达到100V以上，而根据EN501122-1标准，钢轨电位不超过60V。图2为现场采集到的某点钢轨电位波形，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行建立模型如图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