直流牵引回流系统异常轨电位产生机理及限制方法研究

针对直流牵引回流系统目前普遍存在但现有直流稳态恒参数模型无法解释的异常轨电位问题，分析钢轨作为大截面、形状极不规则、由铁磁材料组成的导体，在流过大小变化剧烈、方向不恒定直流牵引电流时的暂态特性，研究集肤效应和饱和特性对钢轨暂态电阻和内电感的影响及与道床和隧道结构钢筋网络间的互感对回流系统阻抗的影响，在原有直流稳态模型结构中引入电感、电容并以时变参数替代恒定参数后建立考虑牵引电流变化情况的回流系统暂态参数模型，构造模型的数值求解方法，通过模型求解和参数灵敏度分析研究轨电位的分布规律和异常轨电位的产生原因、影响因素并提出可行的限制方法，减少轨电位限制装置动作次数，进而减小杂散电流，为乘客和地下金属结构的安全提供保障。

直流牵引供电系统在地铁、轻轨和工矿企业具有广泛应用，我国目前正处于城市轨道交通的高峰发展时期，直流牵引系统的安全可靠运行是对城市轨道交通的基本要求。对于直流牵引回流系统的参数分析、轨电位限制方法、杂散电流腐蚀控制及其相关问题的研究具有十分重要的意义。.直流牵引回流系统由钢轨及附属结构构成，在运行中存在轨电位异常、杂散电流泄漏、绝缘节起弧烧蚀、参数难以测试等问题。回流系统上流过的直流牵引电流由于机车加减速频繁，大小变化剧烈，并且由于再生制动和机车运动，电流方向也会改变，回流电流是暂态时变变量，其低频分量含量较大，而回流钢轨是大截面、形状极不规则、由铁磁材料组成的导体，集肤效应和饱和特性对其暂态电阻和内电感具有显著的影响，与道床和隧道结构钢筋网络间的互感也会影响回流系统参数，本项目利用等效圆柱体法推导了回流系统暂态参数计算方法并和有限元分析结果进行了对比。测试和计算数据说明，在直流牵引轨电位和杂散电流分析中应考虑回流系统的暂态时变过程，不宜直接采用固定电流和直流电阻性参数进行计算分析。.基于暂态过程的回流系统模型是一偏微分方程组，项目组构造了模型的交错修正差分迭代格式，计算了迭代格式的稳定性条件，结合实际线路进行了数值计算仿真，计算结果表明暂态模型比稳态模型更符合实际情况，为回流系统的设计和杂散电流评估提供了参考和依据。利用相对灵敏度分析讨论了回流系统各个参数对轨电位和杂散电流的影响，根据实际条件提出了通过增大轨地电容限制异常轨电位的方法，仿真结果表明该方法是一个可行的轨电位限制措施。