城軌供電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告——廣州地鐵5號(hào)線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)教師評語平時(shí)（30）報(bào)告（30）總成績修改（40）專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級： 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)線呈東西走向，全線共設(shè)24座車站，如圖1.1所示。正線線路全長約31.8km，其中29.59km為地下線路，2km為高架線路，0.21km為路基或路塹線路。車站及區(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)線線路圖1.2 要完成的內(nèi)容廣州地鐵五號(hào)線雜散電流防護(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”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)線牽引供電系統(tǒng)采用直流1500V供電，正線的地下區(qū)段及高架線路全部采用三軌接觸網(wǎng)，車輛段采用柔性架空接觸網(wǎng)。由于運(yùn)營環(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、車站和隧道結(jié)構(gòu)泄漏電流，即雜散電流。雜散電流會(huì)對土建結(jié)構(gòu)鋼筋、鋼軌、設(shè)備金屬外殼和其他地下金屬管線產(chǎn)生電腐蝕。由于地鐵是百年大計(jì)，雜散電流防護(hù)專業(yè)應(yīng)根據(jù)五號(hào)線牽引供電和土建結(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。正線采用60kg/m的鋼軌，車輛段除車場線采用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)西路廣州火車站花園酒店楊箕獵德員村黃洲魚珠港灣路文園截面(mm2)20003000200030003000300030002000200020002000在正線各車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 通過均流電纜的恰當(dāng)設(shè)置和對回流電纜、回流鋼軌提出一定的要求，保證通暢的回流通路。 通過對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)西路廣州火車站花園酒店楊箕獵德員村黃洲魚珠港灣路文園截面(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)營初期并不投入運(yùn)行，而是在運(yùn)營過程中，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)對雜散電流腐蝕狀況的監(jiān)測結(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素混凝土隔離，這樣客觀上隔斷了盾構(gòu)管片的相互連接，使得1m多長的管片內(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) 過江隧道防護(hù)方案 對于過江隧道區(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)對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋進(jìn)行焊接，焊接要求詳見第3.5.3節(jié)。 在過江隧道江底區(qū)間，將道床收集網(wǎng)截面適當(dāng)加大，即對過江區(qū)間道床鋼筋留有一定的設(shè)

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

9、系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)可以檢測結(jié)構(gòu)鋼筋、整體道床鋼筋以及鋼軌電位。通過信號(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)，在車輛段主控設(shè)備房利用數(shù)據(jù)傳輸線將監(jiān)測信息由交換機(jī)傳送至微機(jī)管理系統(tǒng)，使運(yùn)營人員可在辦公室內(nèi)直接查詢各種統(tǒng)計(jì)信息，并可打印各種管理報(bào)表。運(yùn)營人員可根據(jù)以上結(jié)果，及時(shí)對相關(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)測系統(tǒng)構(gòu)成方案廣州地鐵地鐵五號(hào)線雜散電流的防護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)選用雜散電流集中式監(jiān)測系統(tǒng)，其監(jiān)測系統(tǒng)示意圖如附錄C所示。雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)由參考電極、道床收集網(wǎng)測試端子、隧道輔助收集網(wǎng)測試端子、傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器、通信電纜及雜散電流綜合測試裝置組成，具體構(gòu)成方式如下：在每個(gè)

10、測試點(diǎn)，將參考電極端子和測試端子接至傳感器，將該車站區(qū)段內(nèi)的上下行傳感器通過通信電纜分別連接到位于各車站的上下行數(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)到車輛段控制室的微機(jī)管理系統(tǒng)。3.4.2 測試端子設(shè)置原則(1) 在地下車站范圍內(nèi)，車站站臺(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)測試端子。(2) 隧道區(qū)間范圍內(nèi)，靠近車站250m的道床和隧道壁上分別設(shè)置1個(gè)測試端子。(3) 高架區(qū)段，在車站站臺(tái)的兩端進(jìn)出站附近的道床上設(shè)置1個(gè)測試端子。(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、置測試端子。(6) 上下行線路分別按照上述原則設(shè)置測試端子。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) 對應(yīng)每個(gè)測試端子，在相距不超過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)措施線路正式開通運(yùn)營后，利用綜合測試裝置記錄高峰小時(shí)整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋和車站隧道結(jié)構(gòu)鋼筋相對周圍混凝土介質(zhì)電位，以此電位作為判斷有無雜散電流對結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕的依據(jù)，如測試到某段結(jié)構(gòu)鋼筋電位超過0.5V的標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)對鋼軌回路及鋼軌泄漏電阻進(jìn)行測試檢查，針對測試結(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)。在線路正式投入運(yùn)營后，每月應(yīng)定期對全線軌道線路清掃，保持線路清潔干燥。如果全線鋼軌泄漏電阻普遍降低，簡單清掃或維護(hù)不能解決問題，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)階段對整個(gè)系統(tǒng)

13、的雜散電流分布進(jìn)行評價(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大地電位差和走行軌道相對大地絕緣電阻決定，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渡電阻；其次應(yīng)該減小走行軌縱向電阻、減小機(jī)車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)一步通過對實(shí)際監(jiān)測的數(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)測及防護(hù)技術(shù)M.徐州:中國礦業(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)線車輛段雜散電流防護(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)車車輛,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)間長度(km)；為走形軌對地過渡電阻(/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)西路廣州火車站花園酒店楊箕獵德員村黃洲魚珠港灣路文園牽引所間距(m)1640298