城軌供電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告——廣州地鐵5號(hào)線(xiàn)地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)

1、城市軌道交通供電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告城市軌道交通供電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)平時(shí)（30）報(bào)告（30）總成績(jī)修改（40）專(zhuān) 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 電氣09X 姓 名： water 學(xué) 號(hào)： 200909* 指導(dǎo)教師： 王思華 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院2012 年 7月 20日- 12 -1 設(shè)計(jì)原始資料1.1 具體題目廣州鐵五號(hào)線(xiàn)呈東西走向，全線(xiàn)共設(shè)24座車(chē)站，如圖1.1所示。正線(xiàn)線(xiàn)路全長(zhǎng)約31.8km，其中29.59km為地下線(xiàn)路，2km為高架線(xiàn)路，0.21km為路基或路塹線(xiàn)路。車(chē)站及區(qū)間隧道采用了明挖法、明暗結(jié)合、礦山法、沉管法、盾構(gòu)法等多種施工方法。試結(jié)合所學(xué)知識(shí)，對(duì)該

2、地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖1.1 廣州地鐵五號(hào)線(xiàn)線(xiàn)路圖1.2 要完成的內(nèi)容廣州地鐵五號(hào)線(xiàn)雜散電流防護(hù)方案包括設(shè)置雜散電流排流網(wǎng)、新型智能排流裝置的雜散電流防護(hù)方法和集中式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2 分析要設(shè)計(jì)的課題內(nèi)容2.1 雜散電流腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)原則及技術(shù)條件雜散電流防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)按照“以堵為主，以排為輔，堵排結(jié)合，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)”的原則設(shè)計(jì)。當(dāng)雜散電流防護(hù)與安全接地發(fā)生矛盾時(shí)，優(yōu)先考慮安全接地。雜散電流防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)符合地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程。廣州地鐵五號(hào)線(xiàn)牽引供電系統(tǒng)采用直流1500V供電，正線(xiàn)的地下區(qū)段及高架線(xiàn)路全部采用三軌接觸網(wǎng)，車(chē)輛段采用柔性架空接觸網(wǎng)。由于運(yùn)營(yíng)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和其它方面因素的限制，走行軌

3、不可能完全絕緣于道床結(jié)構(gòu)，因此不可避免地由走形軌向道床、車(chē)站和隧道結(jié)構(gòu)泄漏電流，即雜散電流。雜散電流會(huì)對(duì)土建結(jié)構(gòu)鋼筋、鋼軌、設(shè)備金屬外殼和其他地下金屬管線(xiàn)產(chǎn)生電腐蝕。由于地鐵是百年大計(jì)，雜散電流防護(hù)專(zhuān)業(yè)應(yīng)根據(jù)五號(hào)線(xiàn)牽引供電和土建結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與相關(guān)的土建、軌道、供電、通信和信號(hào)等專(zhuān)業(yè)配合，設(shè)計(jì)可靠的防護(hù)方案，同時(shí)應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理，便于施工。雜散電流防護(hù)示意圖如附錄A。2.2 牽引回流系統(tǒng)牽引回流系統(tǒng)由鋼軌、負(fù)回流電纜、上下行均流電纜以及單向?qū)ㄑb置等組成。正線(xiàn)采用60kg/m的鋼軌，車(chē)輛段除車(chē)場(chǎng)線(xiàn)采用50kg/m鋼軌外其余均采用60kg/m的鋼軌。連接牽引變電所負(fù)母線(xiàn)至上下行鋼軌的負(fù)回流電纜采用400m

4、m2截面銅電纜。各牽引變電所的負(fù)回流電纜回?cái)?shù)和每回負(fù)回流電纜根數(shù)如表2.1所示。表2.1 牽引變電所的負(fù)回流電纜回?cái)?shù)及根數(shù)表牽引變電所滘口大坦沙南東風(fēng)西路廣州火車(chē)站花園酒店楊箕獵德員村黃洲魚(yú)珠港灣路文園截面(mm2)20003000200030003000300030002000200020002000在正線(xiàn)各車(chē)站兩端上下行鋼軌間設(shè)置均流電纜，但在有負(fù)回流電纜的一端，上下行鋼軌間不再設(shè)均流電纜；另外，若上下行隧道有區(qū)間逃生通道，則利用該通道設(shè)置上下行均流電纜；在高架區(qū)段，區(qū)間均流電纜間隔控制在200300m左右。均流電纜選擇2根150mm2截面的DC1500V銅電纜。3 雜散電流腐蝕防護(hù)方案3

5、.1 一般防護(hù)方案(1) 限制雜散電流產(chǎn)生根源的措施 通過(guò)均流電纜的恰當(dāng)設(shè)置和對(duì)回流電纜、回流鋼軌提出一定的要求，保證通暢的回流通路。 通過(guò)對(duì)鋼軌采取絕緣法安裝及其他附加措施，增大鋼軌泄漏電阻，鋼軌泄漏電阻應(yīng)不小于15/km。(2) 雜散電流收集網(wǎng)設(shè)置方案 將整體道床和浮制板道床按一定要求焊接，作為主要雜散電流收集網(wǎng)。主收集網(wǎng)應(yīng)滿(mǎn)足一定截面要求。計(jì)算雜散電流主收集網(wǎng)截面如附錄表B2所示，再選擇整體道床收集網(wǎng)截面，為了增強(qiáng)珠江隧道的防雜散電流能力，在大坦沙南東風(fēng)西路區(qū)段收集網(wǎng)截面選取為3000mm2，可使過(guò)江段隧道結(jié)構(gòu)鋼筋的極化電位限制在0.3V以下，隧道結(jié)構(gòu)鋼筋處于被絕對(duì)保護(hù)的狀態(tài)，達(dá)到了保護(hù)

6、珠江隧道的目的，其結(jié)果如表3.1所示。 將隧道結(jié)構(gòu)鋼筋按一定要求焊接，作為隧道輔助雜散電流收集網(wǎng)。表3.1 整體道床收集網(wǎng)截面選擇結(jié)果表牽引變電所滘口大坦沙南東風(fēng)西路廣州火車(chē)站花園酒店楊箕獵德員村黃洲魚(yú)珠港灣路文園截面(mm2)232333322222 將高架橋梁每個(gè)結(jié)構(gòu)段的上層鋼筋按一定要求焊接，作為高架橋內(nèi)輔助雜散電流收集網(wǎng)。 在牽引變電所附近設(shè)置道床及隧道結(jié)構(gòu)鋼筋的排流端子，以便將雜散電流收集網(wǎng)連接至牽引變電所內(nèi)排流柜。(3) 牽引變電所設(shè)置排流柜方案排流柜在地鐵運(yùn)營(yíng)初期并不投入運(yùn)行，而是在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)雜散電流腐蝕狀況的監(jiān)測(cè)結(jié)果判斷是否投入運(yùn)行。3.2特殊區(qū)段防護(hù)方案(1)

7、 盾構(gòu)區(qū)段防護(hù)方案盾構(gòu)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)鋼筋采用隔離法進(jìn)行防護(hù)。隔離法充分利用了盾構(gòu)管片的結(jié)構(gòu)及安裝特點(diǎn)。由于盾構(gòu)隧道是由縱向1m多長(zhǎng)的管片構(gòu)成，盾構(gòu)管片間存在用于防水的橡膠墊圈，且盾構(gòu)管片內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋同管片之間的連接螺栓通過(guò)素混凝土隔離，這樣客觀(guān)上隔斷了盾構(gòu)管片的相互連接，使得1m多長(zhǎng)的管片內(nèi)鋼筋所收集的雜散電流數(shù)量非常小，從而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)管片內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋的鈍化腐蝕狀態(tài)，達(dá)到防護(hù)目的。(2) 過(guò)江隧道防護(hù)方案 對(duì)于過(guò)江隧道區(qū)段，由于其采用了沉管的施工方法，在管道預(yù)制時(shí)應(yīng)對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋進(jìn)行焊接，焊接要求詳見(jiàn)第3.5.3節(jié)。 在過(guò)江隧道江底區(qū)間，將道床收集網(wǎng)截面適當(dāng)加大，即對(duì)過(guò)江區(qū)間道床鋼筋留有一定的設(shè)

8、計(jì)裕度。(3) 車(chē)輛段雜散電流防護(hù)方法 車(chē)輛段通過(guò)恰當(dāng)設(shè)置回流點(diǎn)和均流電纜來(lái)降低鋼軌電位以減少雜散電流的泄漏。 車(chē)輛段內(nèi)線(xiàn)路與正線(xiàn)之間、車(chē)輛段各種電化庫(kù)內(nèi)線(xiàn)路與庫(kù)外線(xiàn)路之間設(shè)置鋼軌絕緣結(jié)并裝設(shè)單向?qū)ㄑb置8，如圖3.1所示。 車(chē)輛段內(nèi)電化股道和非電化股道之間、電化股道盡頭線(xiàn)與車(chē)檔設(shè)備之間設(shè)置鋼軌絕緣結(jié)。圖3.1 車(chē)輛段單向?qū)ê弯撥壗^緣結(jié)布置圖3.3 相關(guān)設(shè)備及管線(xiàn)的防護(hù)方法(1) 沿車(chē)站站臺(tái)設(shè)2m寬絕緣層，其絕緣等級(jí)為AC1000V，1min。屏蔽門(mén)安裝在絕緣層之上。屏蔽門(mén)與結(jié)構(gòu)鋼筋不應(yīng)有電氣連接。(2) 其它金屬管線(xiàn)安裝時(shí)應(yīng)與結(jié)構(gòu)鋼筋電氣隔離。3.4 雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置完備的雜散電流監(jiān)測(cè)

9、系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)結(jié)構(gòu)鋼筋、整體道床鋼筋以及鋼軌電位。通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)接器與變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)接口傳送至主控網(wǎng)絡(luò)，在車(chē)輛段主控設(shè)備房利用數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)將監(jiān)測(cè)信息由交換機(jī)傳送至微機(jī)管理系統(tǒng)，使運(yùn)營(yíng)人員可在辦公室內(nèi)直接查詢(xún)各種統(tǒng)計(jì)信息，并可打印各種管理報(bào)表。運(yùn)營(yíng)人員可根據(jù)以上結(jié)果，及時(shí)對(duì)相關(guān)區(qū)段進(jìn)行清掃和相應(yīng)的維護(hù)管理。3.4.1雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成方案廣州地鐵地鐵五號(hào)線(xiàn)雜散電流的防護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)選用雜散電流集中式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖如附錄C所示。雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由參考電極、道床收集網(wǎng)測(cè)試端子、隧道輔助收集網(wǎng)測(cè)試端子、傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器、通信電纜及雜散電流綜合測(cè)試裝置組成，具體構(gòu)成方式如下：在每個(gè)

10、測(cè)試點(diǎn)，將參考電極端子和測(cè)試端子接至傳感器，將該車(chē)站區(qū)段內(nèi)的上下行傳感器通過(guò)通信電纜分別連接到位于各車(chē)站的上下行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器。傳感器采集數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器通過(guò)通信電纜傳輸至變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，經(jīng)主控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)到車(chē)輛段控制室的微機(jī)管理系統(tǒng)。3.4.2 測(cè)試端子設(shè)置原則(1) 在地下車(chē)站范圍內(nèi)，車(chē)站站臺(tái)的兩端進(jìn)出站附近的道床和隧道壁上分別設(shè)置1個(gè)測(cè)試端子。(2) 隧道區(qū)間范圍內(nèi)，靠近車(chē)站250m的道床和隧道壁上分別設(shè)置1個(gè)測(cè)試端子。(3) 高架區(qū)段，在車(chē)站站臺(tái)的兩端進(jìn)出站附近的道床上設(shè)置1個(gè)測(cè)試端子。(4) 高架區(qū)段，在靠近站臺(tái)250m的道床上設(shè)置1個(gè)測(cè)試端子。(5) 在盾構(gòu)區(qū)間隧道內(nèi)，只在道床上設(shè)

11、置測(cè)試端子。(6) 上下行線(xiàn)路分別按照上述原則設(shè)置測(cè)試端子。3.4.3 參考電極設(shè)置原則(1) 參考電極采用技術(shù)性能較好的氧化鉬或硫酸銅參考電極。(2) 對(duì)應(yīng)每個(gè)測(cè)試端子，在相距不超過(guò)1m的范圍內(nèi)，設(shè)置1個(gè)參考電極。3.4.4 雜散電流防護(hù)系統(tǒng)的日常維護(hù)措施線(xiàn)路正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后，利用綜合測(cè)試裝置記錄高峰小時(shí)整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋和車(chē)站隧道結(jié)構(gòu)鋼筋相對(duì)周?chē)炷两橘|(zhì)電位，以此電位作為判斷有無(wú)雜散電流對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕的依據(jù)，如測(cè)試到某段結(jié)構(gòu)鋼筋電位超過(guò)0.5V的標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)對(duì)鋼軌回路及鋼軌泄漏電阻進(jìn)行測(cè)試檢查，針對(duì)測(cè)試結(jié)果，檢查引起雜散電流超標(biāo)的原因：若是鋼軌回流系統(tǒng)出現(xiàn)電氣導(dǎo)通“斷點(diǎn)”所引起，則應(yīng)及時(shí)將“斷

12、點(diǎn)”處連接至符合設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)；若是某處鋼軌泄漏電阻太小，則應(yīng)檢查鋼軌是否為積水、灰塵污染或鋼軌安裝絕緣設(shè)備損壞引起，并及時(shí)清掃或?qū)^緣設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。在線(xiàn)路正式投入運(yùn)營(yíng)后，每月應(yīng)定期對(duì)全線(xiàn)軌道線(xiàn)路清掃，保持線(xiàn)路清潔干燥。如果全線(xiàn)鋼軌泄漏電阻普遍降低，簡(jiǎn)單清掃或維護(hù)不能解決問(wèn)題，則應(yīng)將牽引變電所的排流柜投入運(yùn)行，使雜散電流收集網(wǎng)與整流機(jī)組負(fù)極柜單向連通，保護(hù)結(jié)構(gòu)鋼筋免受雜散電流腐蝕9。4 結(jié)論直流牽引供電系統(tǒng)中由走行軌回流產(chǎn)生的雜散電流達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)將對(duì)地鐵主體結(jié)構(gòu)鋼筋或埋地金屬產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，在工程設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)中均應(yīng)得到足夠重視。為有效地降低雜散電流不利影響，需要在方案設(shè)計(jì)階段對(duì)整個(gè)系統(tǒng)

13、的雜散電流分布進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合工程特點(diǎn)，采取切實(shí)可行的防護(hù)措施，保證地鐵具有長(zhǎng)期良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)總體效益。本文的主要結(jié)論如下：(1) 雜散電流大小主要由走行軌道相對(duì)大地電位差和走行軌道相對(duì)大地絕緣電阻決定，這兩者缺一不可；影響地鐵雜散電流分布的主要因素：牽引負(fù)荷電流、列車(chē)取流點(diǎn)到牽變所的間距、軌道絕緣電阻及走行軌道內(nèi)部電阻。(2) 要減小雜散電流的泄露，最根本的措施就是增大走行軌過(guò)渡電阻；其次應(yīng)該減小走行軌縱向電阻、減小機(jī)車(chē)取流電流并縮短變電所間距；而排流網(wǎng)縱向電阻、大地縱向電阻以及埋地金屬縱向電阻帶來(lái)的影響則很小。(3) 選擇排流法成本低且工作可靠，但應(yīng)精確控制其排流量。(4) 本論文提出廣州地

14、鐵五號(hào)線(xiàn)雜散電流防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案還不夠完善，需要更進(jìn)一步通過(guò)對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析該方案的有效性。參考文獻(xiàn)1 高敬宇,易凡.地鐵及輕軌雜散電流的防護(hù)措施J.天津理工學(xué)院學(xué)報(bào),1996,12(1):32-36.2 吳祥祖,張慶賀,高衛(wèi)平.地鐵雜散電流產(chǎn)生機(jī)理及其防護(hù)措施J.建筑安全,2003,(5):28-30.3 李威.地鐵雜散電流腐蝕監(jiān)測(cè)及防護(hù)技術(shù)M.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2004:59-60.4 何宗華,汪松滋,何其光.城市軌道交通供電系統(tǒng)運(yùn)行于維修M.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005:341-349.5 于松偉,楊興山,韓連祥等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用M.成都:西南交通大

15、學(xué)出版社,2008:8-154.6 呂偉杰.地鐵雜散電流的防護(hù)方案研究與設(shè)計(jì)D.成都:西南交通大學(xué),2007:14-16.7 譚冬華.地鐵雜散電流的危害與防護(hù)J.都市快軌交通,2007,20(1):86-89. 8 吳廷軍.廣州地鐵五號(hào)線(xiàn)車(chē)輛段雜散電流防護(hù)系統(tǒng)J.教育教學(xué),2010,10(1):183-184.9 吳廷軍.深圳地鐵的雜散電流防護(hù)措施分析J.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛,2001,5(1):32-34.附錄A 雜散電流防護(hù)示意圖附錄B 收集網(wǎng)截面計(jì)算雜散電流收集網(wǎng)大小規(guī)格確定的原則，就是要保證鋼筋的極化電位降小于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。按此要求得出雜散電流收集網(wǎng)的縱向電阻，再計(jì)算出收集網(wǎng)總的橫向截面積。雜

16、散電流收集網(wǎng)的縱向最大壓降計(jì)算公式如下：(B.1)其中，為供電區(qū)間長(zhǎng)度(km)；為走形軌對(duì)地過(guò)渡電阻(/km)；為每公里鋼軌電阻(/km)；為每公里收集網(wǎng)電阻(/km)；為列車(chē)高峰小時(shí)最大取流電流。由方程(B.2)利用牛頓迭代法求解，假設(shè)：(B.3)令，根據(jù)牛頓迭代法公式有：(B.4)給定初始值與偏差，根據(jù)迭代公式編程計(jì)算得到x，即可得知雜散電流收集網(wǎng)縱向電阻。另外，在工程上可以使用經(jīng)驗(yàn)公式，使用的前提是容許10%的誤差，并且滿(mǎn)足條件：則(B.5)使用式B.5計(jì)算可以直接采用解析得到。已知雜散電流收集網(wǎng)縱向電阻：(B.6)其中，為雜散電流收集網(wǎng)鋼筋的電阻率(·mm2/km)；為雜散電流收集網(wǎng)總截面面積長(zhǎng)度(mm2)?？梢缘贸觯?B.7)一個(gè)地鐵區(qū)間有若干個(gè)供電區(qū)間，每個(gè)供電區(qū)間計(jì)算所得都不一樣，N個(gè)供電區(qū)間，計(jì)算出各個(gè)取其中最大值。由表B1的數(shù)據(jù)，取UTmax=0.5V，對(duì)應(yīng)供電區(qū)間的和值。代入式B.5求出各供電區(qū)間收集網(wǎng)縱向電阻。表B1 遠(yuǎn)期高峰小時(shí)各區(qū)間軌回流平均電流表牽引變電所滘口大坦沙南東風(fēng)西路廣州火車(chē)站花園酒店楊箕獵德員村黃洲魚(yú)珠港灣路文園牽引所間距(m)164029892434