CN112329211B - 一种基于cdegs的城市轨道导体段泄漏电流仿真测量方法 - Google Patents

一种基于cdegs的城市轨道导体段泄漏电流仿真测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CDEGS的城市轨道导体段泄漏电流仿真测量方法，所述方法包括:确定轨道的几何与供电参数；根据所述轨道的几何与供电参数，在CEDEGS中建立轨道模型；在SIMULINK里建立电阻分布网络模型；根据所述电阻分布网络模型进行仿真，得到不同停站位置情形下流向两端牵引变电所的牵引电流值；根据所述不同停站位置情形下的牵引电流值设置所述轨道模型，通过所述轨道模型模拟不同停站位置情形下对应的城市轨道导体段泄漏电流。采用本发明实施例，能有效解决现有技术中列车相对于两侧牵引变电所的阻值变化引起泄漏电流的错误评估问题。

Description

一种基于CDEGS的城市轨道导体段泄漏电流仿真测量方法
技术领域
本发明涉及城市轨道交通技术领域，更具体的说，是涉及一种基于CDEGS的城市轨道导体段泄漏电流仿真测量方法。
背景技术
城市轨道交通系统中运行的车辆大多靠电力驱动，如果不能保证电力供应的持续稳定，城轨系统也就无法正常工作。因此列车的牵引供电系统也是城市轨道交通系统的一个重要组成部分。其中牵引系统的主要功能便是将城市电网提供的电能转化为机械能，源源不断地供给列车，使列车受牵引而能在轨道中正常行进。供电系统则指电力系统经高压输电网、主变电所降压、配电网络和牵引变电所降压等环节，向城市轨道交通列车输送电力的全部供电系统。
地铁运行时车辆会同时从线路两侧的牵引变电所汲取电流，即采取双边供电的牵引供电方式，只有在一些特殊状况下才会进行单边供电。双边供电是地铁列车在大多数情形下的基础供电方式，而单边供电是临时、特殊情形下才会采用的供电方式，考虑到实际应用，仿真测量轨道导体段泄漏电流时应以双边供电的情形为主，但也不能就无视单边供电的情况。
但对于双边供电方式而言，如果列车的停站位置改变，不再处于轨道的中点，则由于相对于两侧牵引变电所的阻值均发生了变化，从两侧牵引变电所流出的电流大小不可能仍然相同。要分析泄漏电流的变化，并不能将走行轨视为简单的并联电路，大地电阻和其他金属结构的电阻的必然存在都会干扰电流的计算值。而现有的对轨道导体段泄漏电流仿真测量方式基本都是在单、双边其中一种供电方式下进行的，也缺乏列车相对于两侧牵引变电所的阻值变化的考虑，导致仿真测量结果与实际偏差过大，泄漏电流的错误评估会严重影响城市轨道的安全运行。
发明内容
本发明实施例提供一种基于CDEGS的城市轨道导体段泄漏电流仿真测量方法，能有效解决现有技术中列车相对于两侧牵引变电所的阻值变化引起泄漏电流的错误评估问题。
本发明一实施例提供一种基于CDEGS的城市轨道导体段泄漏电流仿真测量方法，包括：
确定轨道的几何与供电参数；
根据所述轨道的几何与供电参数，在CEDEGS中建立轨道模型；
在SIMULINK里建立电阻分布网络模型；
根据所述电阻分布网络模型进行仿真，得到不同停站位置情形下流向两端牵引变电所的牵引电流值；
根据所述不同停站位置情形下的牵引电流值设置所述轨道模型，通过所述轨道模型模拟不同停站位置情形下对应的城市轨道导体段泄漏电流。
作为上述方案的改进，所述轨道的几何与供电参数，具体包括：走行轨纵向电阻、轨对地过渡电阻、土壤电阻率、牵引电流与供电区间和观测点与观测线。
作为上述方案的改进，所述在SIMULINK里建立电阻分布网络模型，具体包括：
所述轨道的线路划分为均匀的N段并用N个电阻分别代表N段线路，其中，N大于或等于2；
轨对地过渡电阻用另外N个电阻来表示。
作为上述方案的改进，所述根据所述电阻分布网络模型进行仿真，得到不同停站位置情形下流向两端牵引变电所的牵引电流值，具体包括：
根据不同停站位置，依次改变所述电阻分布网络模型中注入牵引电流的直流电流源的位置，并读出流向两端牵引变电所的牵引电流值。
作为上述方案的改进，所述电阻分布网络模型包括单位长度的钢轨纵向体电阻、单位长度的钢轨对地泄漏电阻、直流电流源模块、电流测量传感器模块、求解器配制模块、仿真物理信号与数字转换器模块和显示器。
作为上述方案的改进，所述根据所述不同停站位置情形下的牵引电流值设置所述轨道模型，通过所述轨道模型模拟不同停站位置情形下对应的城市轨道导体段泄漏电流，具体包括：
通过CDEGS的MALZ模块的电流激励选项，设置在所述不同停站位置情形下所述轨道模型中牵引电流值；
通过所述轨道模型模拟不同停站位置情形下对应的城市轨道导体段泄漏电流。
相比于现有技术，本发明实施例提供的所述的基于CDEGS的城市轨道导体段泄漏电流仿真测量方法，通过在CEDEGS中建立轨道模型，读取在SIMULINK里电阻分布网络模型的牵引电流值仿真数据，根据牵引电流值仿真数据模拟不同停站位置情形下对应的城市轨道导体段泄漏电流。整个过程充分考虑了大地电阻和其他金属结构的电阻的干扰，逐级改变停站位置探究停站位置对泄露电流影响，进而能针对不同情况下完善对城市轨道交通设备的完善防护措施，保证城市轨道的安全运行。
附图说明
图1是一种地铁电气连接示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种基于CDEGS的城市轨道导体段泄漏电流仿真测量方法的流程示意图；
图3是本发明一实施例提供的一种电阻分布网络模型示意图；
图4是本发明一实施例中泄漏电流与列车停站位置的关系曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
分析牵引供电系统的回流系统，可以绘制出地铁电气连接方式的简图，如图1所示。图1中，电流由末端牵引变电所正极流出，通过接触网流至列车顶，再经列车而汇入回流轨，重新流回到牵引变电所负极，在回流过程里发生一定的损耗与泄漏。
参见图2，是本发明一实施例提供的一种基于CDEGS的城市轨道导体段泄漏电流仿真测量方法，所述仿真测量包括：
S10、确定轨道的几何与供电参数。
S11、根据所述轨道的几何与供电参数，在CEDEGS中建立轨道模型。
S12、在SIMULINK里建立电阻分布网络模型。
S13、根据所述电阻分布网络模型进行仿真，得到不同停站位置情形下流向两端牵引变电所的牵引电流值。
S14、根据所述不同停站位置情形下的牵引电流值设置所述轨道模型，通过所述轨道模型模拟不同停站位置情形下对应的城市轨道导体段泄漏电流。
列车的停站位置发生变化时，实际改变的是列车与牵引变电所之间的距离。不仅使供电区间本身的长度产生了变化，还因为对钢轨造成了影响，而改变了电流正常回流时通过的路径。因此，当列车的停站位置发生变化的时候，泄露电流的分布会因此而发生变化。
对于单边供电方式，牵引电流的大小不随列车停站位置的变化而变化，只需要移动列车进行仿真即可。对于双边供电方式，则需要根据电阻分布网络模型进行仿真的分析和计算，确定了每一组仿真参数(不同停站位置)所对应的牵引电流分配关系。
相比于现有技术，本发明实施例提供的所述的基于CDEGS的城市轨道导体段泄漏电流仿真测量方法，通过在CEDEGS中建立轨道模型，读取在SIMULINK里电阻分布网络模型的牵引电流值仿真数据，根据牵引电流值仿真数据模拟不同停站位置情形下对应的城市轨道导体段泄漏电流。整个过程充分考虑了大地电阻和其他金属结构的电阻的干扰，逐级改变停站位置探究停站位置对泄露电流影响，进而能针对不同情况下完善对城市轨道交通设备的完善防护措施，保证城市轨道的安全运行。
示例性地，S10中所述轨道的几何与供电参数，具体包括：走行轨纵向电阻、轨对地过渡电阻、土壤电阻率、牵引电流与供电区间和观测点与观测线。
(1)走行轨纵向电阻
示例性地，北京地铁6号线一期工程的正线、辅助线、试车线及停车场出入口采用60kg/m钢轨，材质为U71Mn普通钢轨及U71Mn热处理钢轨两种，只有在车辆段库内外线采用50kg/m钢轨；广州地铁2号线的轨道采用高碳微钒(PD3)60kg/m钢轨，标准轨长25m，等等。国内地铁绝大多数正线及辅线使用的轨道都是60kg/m钢轨，标准轨长有12.5m和25m两种。
模型中的走行轨数据以60kg/m钢轨，轨长25m为标准，查询资料可知60kg/m标准钢轨的断面面积为77.45cm2，等效为圆柱体截面时半径可以取为4.97cm，约等于0.05m。而轨道的纵向电阻不仅与钢轨材料、尺寸有关，与接缝数量和焊接工艺也都存在着一定的关系。60kg/m钢轨的直流电阻值为0.02911Ω/km，实际测量得到的电阻则会因为分段处的接缝和其他环境条件影响而略微偏大。取轨道纵向电阻为0.04Ω/km。即将单根走行轨模型等效为一条长度等于供电区间长度，半径为0.05m，纵向电阻为0.04Ω/km的圆柱型导体。
(2)轨-地过渡电阻
轨道除去自身具有的纵向电阻之外，与周围分布的土壤之间还存着一定的过渡电阻。
示例性地，CDEGS的MALZ模块并不提供直接添加过渡电阻的功能，但轨道与大地之间的过渡电阻也是影响杂散电流分布的重要因素。作为轨-地过渡电阻的代替，建模时给代表轨道的圆柱形导体添加了具有一固定电阻率的绝缘涂层。该涂层的电阻率可以通过公式与轨道的等效过渡电阻互相代换。
式中Rg为轨-地过渡电阻，ρ为绝缘层电阻率，r1和r2分别表示裸导体半径与含绝缘层的导体总半径，r是计量电位的点到圆柱截面圆心的距离。
《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程CJJ49-92》规定：兼用作回流的地铁走行轨与隧道主体结构(或大地)之间的过渡电阻值(按闭塞区间分段进行测量并换算为1km长度的电阻值)，对于新建线路不应小于15Ω·km，对于运行线路不应小于3Ω·km。
取标准过渡电阻为15Ω·km，以这个数值为例，当轨道半径取为0.05m，而绝缘层厚度为0.01m时，计算可得此时的绝缘层电阻率应取约500000Ω·m。
(3)土壤电阻率
MALZ模块中可供选择的土壤结构模型种类丰富，但这次仿真所要研究的重点并不是土地，对于简化单轨模型和含隧道的单轨模型，一律将土壤视为均匀导体，采用均匀土壤模型，标准土壤电阻率取为干燥环境中黄土的200Ω·m。对于地铁系统模型，在“任意不同土壤类型”栏目中创建四个六面体模块来模拟混凝土，混凝土电阻率取为干土中的上限值1300Ω·m，周围分布的土壤电阻率则仍保持200Ω·m不变。
(4)牵引电流与供电区间
列车正常运行时基本都为双边供电，但特殊情况下仍会采取单边供电，因此进行仿真时需要考虑两种供电方式下的不同情况。
根据若干城市地铁的施工图，选择常规的3km作为一个供电区间的长度，双边供电时以列车停靠在供电区间中点，即距首末端的牵引变电所均1.5km时的情况为标准，进行仿真测量。为保持区间长度不变，单边供电时以列车停靠在端尾，即距离首端牵引变电所3km时为标准情况。牵引电流的标准大小设置为3kA。单边供电时只由首端牵引变电所供电，列车停站点的注入电流与流入牵引变电所的电流大小一致。双边供电时流入两端牵引变电所电流之和等于列车停站点的注入电流，具体的分配状况随列车停站位置而变化。
(5)观测点与观测线
对于轨道模型和隧道模型，设置观测点与观测线的目的，主要是观察杂散电流在沿轨道方向，和垂直轨道方向的分布状况，并同时观察沿线的地表电位的变化情况。通过大量的仿真与数据处理，寻找其中的规律。因此测量的数据除导体段的泄漏电流之外，还有轨道正上方地表处，与轨道平行的直线上的电位分布，以及列车停站点位置正上方代表处，与轨道垂直的直线上的电位分布。
示例性地，S12具体包括：
所述轨道的线路划分为均匀的N段并用N个电阻分别代表N段线路，其中，N大于或等于2；
轨对地过渡电阻用另外N个电阻来表示。
在SIMULINK里建立如图3所示的电阻分布网络模型，用电阻将代表轨道的线路划分为均匀的十段，轨对地的过渡电阻同样用电阻元件来表示。其中，Resistor1、2、3、4、5、6、7、8、9、11是单位长度的钢轨纵向体电阻，轨道电阻取为0.04Ω/km。
Resistor10、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21是单位长度的钢轨对地泄漏电阻，轨-地过渡电阻取为15Ω·km。
DC Current Source是直流电流源模块，在仿真中给电路提供直流电流激励源。本处设为恒定3000A。
Electrical Reference是电气参考电位，用于提供仿真中的参考零电位。
Current sensor是电流测量传感器模块，用于测量通过支路的电流。
Solver configuration是求解器配制模块，用于配置仿真时的设置参数。
PS-Simulink converter是仿真物理信号与数字转换器模块，用于将测量的物理信号转变为数字结果给显示器显示
Display是显示器，用于显示测量电流的结果。
示例性地，S13具体包括：
根据不同停站位置，依次改变所述电阻分布网络模型中注入牵引电流的直流电流源的位置，并读出流向两端牵引变电所的牵引电流值。
逐级改变停站位置时，是将整条线路划分为均匀的十段来取值的，即分别对列车停靠在离首端牵引变电所的距离为线路全长的十分之一处，十分之二处，一直到十分之九处的情况进行仿真分析。因此，只需要知道这九种情形下流向两端牵引变电所的电流的分配状况即可。依次改变代表注入牵引电流的直流电流源的位置，分别在节点1、2、3……9处读出代表牵引变电所处流出电流的电流表显示的数值，记录在表格中待用，详细数据如表1所示。
表1 SIMULINK电阻分布网络模型仿真结果
示例性地，S14具体包括：
通过CDEGS的MALZ模块的电流激励选项，设置在所述不同停站位置情形下所述轨道模型中牵引电流值。
通过所述轨道模型模拟不同停站位置情形下对应的城市轨道导体段泄漏电流。
CDEGS的MALZ模块提供了电流激励这一选项，允许在导体任意位置注入大小和相位均不受限制的电流，并且不同的导体可以共用同一个电流源，这一点与牵引供电系统中牵引电流的性质是基本相合的。因此，可以使用添加大小适宜的激励的方式，来模拟牵引电流。将标准的注入牵引电流大小设为3000A，列车停靠在轨道中部时，经由两侧牵引变电所流出的电流大小均为1500A，单边供电时经由线路末端的牵引变电所流出的电流大小为3000A。
仿真所得结果经整理后，以图表的形式列在下方。并取其中一个导体段在不同停站位置之下的泄漏电流，绘制出泄漏电流随列车停站变化而变化的曲线,如图4所示。
从图4中可以看出，当列车停站位置逐渐远离首端牵引变电所，即对单边供电方式而言，逐渐增大列车与牵引变电所之间距离的时候，轨道的泄漏电流会随之增大，但增大幅度随距离的增大而略微减小。双边供电方式下，靠近首末两段牵引变电所时，杂散电流的分布会呈现对称趋势，单独取出其中一半的数据，则规律与单边供电方式下得到的相同，因此不额外使用这种方式进行研究。
相比于现有技术，本发明实施例提供的所述的基于CDEGS的城市轨道导体段泄漏电流仿真测量方法，通过在CEDEGS中建立轨道模型，读取在SIMULINK里电阻分布网络模型的牵引电流值仿真数据，根据牵引电流值仿真数据模拟不同停站位置情形下对应的城市轨道导体段泄漏电流。整个过程充分考虑了大地电阻和其他金属结构的电阻的干扰，逐级改变停站位置探究停站位置对泄露电流影响，进而能针对不同情况下完善对城市轨道交通设备的完善防护措施，保证城市轨道的安全运行。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于CDEGS的城市轨道导体段泄漏电流仿真测量方法，其特征在于，包括：
确定轨道的几何与供电参数；
根据所述轨道的几何与供电参数，在CEDEGS中建立轨道模型；
在SIMULINK里建立电阻分布网络模型；
根据所述电阻分布网络模型进行仿真，得到不同停站位置情形下流向两端牵引变电所的牵引电流值；
根据所述不同停站位置情形下的牵引电流值设置所述轨道模型，通过所述轨道模型模拟不同停站位置情形下对应的城市轨道导体段泄漏电流；
其中，所述轨道模型为供电区间的轨道模型；
所述电阻分布网络模型为供电区间的电阻分布网络模型；
所述根据所述电阻分布网络模型进行仿真，得到不同停站位置情形下流向两端牵引变电所的牵引电流值，包括：根据不同停站位置，依次改变所述电阻分布网络模型中注入牵引电流的直流电流源的位置，并读出流向两端牵引变电所的牵引电流值。
2.如权利要求1所述的基于CDEGS的城市轨道导体段泄漏电流仿真测量方法，其特征在于，所述轨道的几何与供电参数，具体包括：走行轨纵向电阻、轨对地过渡电阻、土壤电阻率、牵引电流与供电区间和观测点与观测线。
3.如权利要求1所述的基于CDEGS的城市轨道导体段泄漏电流仿真测量方法，其特征在于，所述在SIMULINK里建立电阻分布网络模型，具体包括：
所述轨道的线路划分为均匀的N段并用N个电阻分别代表N段线路，其中，N大于或等于2；
轨对地过渡电阻用另外N个电阻来表示。
4.如权利要求3所述的基于CDEGS的城市轨道导体段泄漏电流仿真测量方法，其特征在于，所述电阻分布网络模型包括单位长度的钢轨纵向体电阻、单位长度的钢轨对地泄漏电阻、直流电流源模块、电流测量传感器模块、求解器配制模块、仿真物理信号与数字转换器模块和显示器。
5.如权利要求1所述的基于CDEGS的城市轨道导体段泄漏电流仿真测量方法，其特征在于，所述根据所述不同停站位置情形下的牵引电流值设置所述轨道模型，通过所述轨道模型模拟不同停站位置情形下对应的城市轨道导体段泄漏电流，具体包括：
通过CDEGS的MALZ模块的电流激励选项，设置在所述不同停站位置情形下所述轨道模型中牵引电流值；
通过所述轨道模型模拟不同停站位置情形下对应的城市轨道导体段泄漏电流。
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