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        城軌屏蔽門絕緣狀態(tài)對回流安全參數(shù)的影響研究

        2022-06-28 08:03:18于海鵬張棟梁
        都市快軌交通 2022年2期
        關(guān)鍵詞:屏蔽門全線雜散

        于海鵬,鮑 鳴,劉 帥,張棟梁

        (1. 無錫地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司,江蘇無錫 214023;2. 中國礦業(yè)大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院,江蘇徐州 221116)

        隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展,城軌回流安全問題日益凸顯[1-2]。由于作為牽引電流回流導(dǎo)體的走行軌對地絕緣并不理想,大量回流電流自走行軌向周邊的環(huán)境泄漏,造成設(shè)備、管道等的嚴(yán)重電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象,稱為雜散電流[3-4]。此外,由于走行軌對地電阻的存在,雜散電流的泄漏還導(dǎo)致了鋼軌電位的抬升,對周邊設(shè)備和人員造成威脅[5-6]。為保證乘客上下車時不因鋼軌電位的影響產(chǎn)生較大的跨步電壓,目前國內(nèi)地鐵普遍采用屏蔽門絕緣設(shè)計安裝,并將屏蔽門與走行軌等電位連接。然而由于施工條件、接口專業(yè)、環(huán)境潮濕等因素,屏蔽門絕緣極易失效,國內(nèi)多條線路因此發(fā)生打火放電等事故,影響線路運營、危及乘客安全[7]。此外,屏蔽門絕緣失效還會導(dǎo)致雜散電流自屏蔽門泄漏,腐蝕屏蔽門及其他車站金屬結(jié)構(gòu),降低電氣系統(tǒng)壽命、降低線路運行穩(wěn)定性[8]。

        鋼軌電位與雜散電流可統(tǒng)稱為回流安全參數(shù),相關(guān)學(xué)者針對其異常升高現(xiàn)象進行了諸多研究。Xu等[9]建立了系統(tǒng)“接觸網(wǎng)-鋼軌-地網(wǎng)”仿真模型,分析證明列車處于加速和制動狀態(tài)時將抬升系統(tǒng)回流安全參數(shù)幅值。而城軌多列車動態(tài)運行時,全線列車運行工況復(fù)雜,且再生制動列車向其他列車越區(qū)供電現(xiàn)象頻繁,將造成系統(tǒng)回流安全參數(shù)的進一步升高[10]。此外,Li等[11]基于COMSOL軟件對影響雜散電流分布的環(huán)境因素進行了研究,結(jié)果表明土壤電導(dǎo)率、管道等設(shè)備分布位置均會造成影響。Cai等[12]建立了系統(tǒng)有限元模型,分析表明除列車牽引電流外,較高的土壤電阻率也會導(dǎo)致線路回流安全參數(shù)的升高。相關(guān)學(xué)者將不同的環(huán)境因素和軌地絕緣情況通過軌地過渡電阻進行等效,解析計算及CDEGS仿真結(jié)果表明,軌地過渡電阻越大,系統(tǒng)回流安全參數(shù)越低[13-14]。然而相關(guān)研究忽略了與走行軌等電位連接的屏蔽門的絕緣狀態(tài),無法分析屏蔽門絕緣狀態(tài)對鋼軌電位、雜散電流的影響。

        因此,為明確屏蔽門絕緣狀態(tài)對系統(tǒng)回流安全參數(shù)的影響,本文建立了包含屏蔽門在內(nèi)的城軌多列車動態(tài)潮流仿真模型,并基于無錫地鐵2號線梅園—上馬墩供電分區(qū)的線路參數(shù)進行了潮流仿真。仿真分析對比了屏蔽門絕緣理想、單站或多站屏蔽門絕緣薄弱以及不同的屏蔽門絕緣狀態(tài)下,線路回流安全參數(shù)的動態(tài)分布,從而明確了屏蔽門絕緣狀態(tài)對線路回流安全參數(shù)的影響規(guī)律。

        1 系統(tǒng)描述

        圖1給出了包含屏蔽門在內(nèi)的城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。牽引變電所設(shè)置在部分車站位置,負(fù)責(zé)將交流電整流為1 500 V的直流電,向線路內(nèi)的列車提供牽引電流。列車處于制動工況時,牽引所處的再生制動能量吸收裝置(regenerative energy absorption device,READ)將吸收多余的再生制動能量,從而維持接觸網(wǎng)壓穩(wěn)定。目前國內(nèi)外普遍采用走行軌作為回流電流的回流導(dǎo)體,回流電流經(jīng)走行軌、回流線流向牽引所負(fù)極。為限制線路內(nèi)的鋼軌電位及雜散電流,回流系統(tǒng)多安裝有排流網(wǎng)、排流裝置(drainage device,DD)、鋼軌電位限制裝置(over voltage protect device,OVPD)等保護裝置。然而城軌線路涉及面積廣、環(huán)境復(fù)雜,保護裝置效果并不理想,實際線路回流安全參數(shù)異常升高現(xiàn)象依舊明顯,且鋼軌電位的異常升高導(dǎo)致OVPD頻繁動作,往往造成大量回流電流自O(shè)VPD泄漏,加劇雜散電流的腐蝕。

        圖1 直流牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Figure 1 Schematic diagram of DC traction power supply system

        為保證乘客上下車時不會受到鋼軌電位的影響,目前城軌屏蔽門多與走行軌等電位連接,并與站臺結(jié)構(gòu)及周邊設(shè)施絕緣安裝。CJJ 183-2012《城市軌道交通站臺屏蔽門系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》和CJ/T 236-2006《城市軌道交通站臺屏蔽門》中均規(guī)定屏蔽門絕緣阻值應(yīng)大于0.5 MΩ,從而保證乘客上下車時不發(fā)生觸電等事故。然而,由于施工作業(yè)的不完善、站臺洗刷作業(yè)進水等因素,屏蔽門對地絕緣大多有所下降或失效。屏蔽門絕緣失效不僅導(dǎo)致大量雜散電流流經(jīng)此處泄漏、腐蝕周邊結(jié)構(gòu),還會造成乘客受到電擊等危險事故。當(dāng)乘客站立在站臺上觸摸屏蔽門時,將承受一定的觸摸電壓,其等效電路如圖2所示。

        圖2 觸摸電壓等效電路Figure 2 Equivalent circuit of touch voltage

        圖2中,Ib是流經(jīng)人體的電流;Rb是人體等效電阻,根據(jù)IEEE Std 80可知,Rb可取 1 000 Ω;Rf是人體腳與地面的接觸電阻,根據(jù)站立面的均勻電阻率計算所得,根據(jù)EN 50122-1-2010中的示例可知,Rf可取300 Ω。因此,人體觸摸電壓應(yīng)滿足式(1)。

        由于人體的最大容許電流為80 mA·s,代入式(1)可知此時人體最大承受電壓為92 V,因此在屏蔽門絕緣狀態(tài)的影響下,鋼軌電位仍需限制在此范圍內(nèi)。

        2 仿真建模

        為明確屏蔽門絕緣狀態(tài)對城軌回流安全參數(shù)的影響規(guī)律,本文建立了考慮屏蔽門絕緣狀態(tài)的城軌多列車動態(tài)仿真模型,如圖3所示。

        圖3 考慮屏蔽門絕緣狀態(tài)的城軌多列車動態(tài)仿真模型Figure 3 Dynamic simulation model of multi-train urban rail transit considering the insulation state of shield door

        本文以各列車及車站位置為節(jié)點建立動態(tài)潮流仿真模型。在節(jié)點n(1≤n≤N)處,上下行接觸網(wǎng)間的電導(dǎo)為ywn,列車可等效為時變功率源Pn,牽引所可等效為帶有內(nèi)阻ycn的電壓源Pn,READ可等效為電導(dǎo)ybn,DD等效為電導(dǎo)ydn,OVPD等效為電導(dǎo)yovn,屏蔽門絕緣電阻記為Rpn。將節(jié)點n到節(jié)點n+1之間記為區(qū)間n(1≤n<N),區(qū)間n內(nèi)的上行接觸網(wǎng)和下行接觸網(wǎng)分別等效為集中電阻zun和zdn,回流系統(tǒng)內(nèi)的分布參數(shù)可通過列寫微分方程等效為雙π型電路,其中走行軌縱向電阻、排流網(wǎng)縱向電阻、走行軌對排流網(wǎng)絕緣電導(dǎo)、排流網(wǎng)對地絕緣電導(dǎo)可分別等效為zrn、zsn、ygn、ypn。此外,將節(jié)點n處的上行接觸網(wǎng)電壓、下行接觸網(wǎng)電壓、走行軌電壓、排流網(wǎng)電壓分別記為Uun、Udn、Urn、Usn,上行接觸網(wǎng)電流、下行接觸網(wǎng)電流、走行軌電流、排流網(wǎng)電流分別記為Iun、Idn、Irn、Isn,即可得到任意節(jié)點n(1<n<N)處的電壓方程組如式(2)所示。

        其中,Un、In、Yn分別為節(jié)點n處的節(jié)點電壓子矩陣、注入電流子矩陣和對地電導(dǎo)子矩陣,Zn代表區(qū)間n的線路阻抗子矩陣。4個子矩陣如式(3)~式(6)所示。

        其中,當(dāng)牽引所處于整流工況或正在退出時,bn= 0,sbn= 0;當(dāng)牽引所處于再生制動工況時,bn= 1,sbn取READ觸發(fā)值。

        將全線各節(jié)點處的電壓方程組統(tǒng)一記為GU=I,通過潮流計算可迭代求解各時刻全線電壓、電流參數(shù)。首先根據(jù)列車牽引計算的結(jié)果確定多列車動態(tài)運行過程中,任意時刻各列車位置及功率分布。通常設(shè)置初始電壓矩陣U1=[Ud0Ud00 0 0],即假設(shè)各牽引變電所處于空載狀態(tài),根據(jù)各列車、車站的位置計算導(dǎo)納矩陣初始值G1,從而通過G1U1=I1計算得到電流矩陣初始值I1。根據(jù)此時的電流、導(dǎo)納矩陣,通過G1U2=I1可計算得到新的電壓矩陣,再根據(jù)U2中各節(jié)點處電壓及各列車功率更新電流矩陣I2。類似地,在第i次迭代中,若Ui-Ui-1所得到的每個電壓均小于收斂精度ε1,且系統(tǒng)不平衡功率ΔPi小于收斂精度ε2時,迭代結(jié)束,否則將更新Ii,繼續(xù)進行迭代?;谝陨系^程,即可得到全線供電參數(shù)的動態(tài)分布,從而分析屏蔽門絕緣狀態(tài)變化時,對回流安全參數(shù)所產(chǎn)生的影響。

        3 仿真分析

        3.1 仿真參數(shù)

        為明確屏蔽門絕緣狀態(tài)對城軌回流安全參數(shù)的影響,本文基于無錫地鐵2號線梅園—上馬墩供電分區(qū)線路參數(shù)進行了城軌多列車動態(tài)仿真。該線路共有 10個車站、5個牽引所,其位置及站點名稱如表1所示。此外,為保證仿真結(jié)果不受列車運行圖影響,各車站處列車停站時間為20~40 s內(nèi)的隨機值,如表1所示。

        表1 無錫地鐵2號線車站參數(shù)Table 1 Parameters of stations in Wuxi Metro Line 2

        基于以上線路參數(shù)及表2所示的其他潮流仿真參數(shù),本文以0.2 s為仿真步長進行列車牽引計算,生成圖4所示的列車運行圖,從而進行多列車動態(tài)仿真。

        圖4 無錫地鐵2號線仿真運行圖Figure 4 Simulation diagram of Wuxi Metro Line 2

        表2 潮流仿真參數(shù)Table 2 Parameters of power flow calculation

        3.2 仿真分析

        本文基于MATLAB軟件對無錫地鐵2號線梅園—上馬墩供電分區(qū)進行了多列車動態(tài)潮流仿真,為防止保護裝置的動作影響回流安全參數(shù)的分布規(guī)律,本節(jié)設(shè)置各牽引所處的 DD、OVPD均不動作。當(dāng)線路內(nèi)各車站屏蔽門絕緣理想時,設(shè)置各屏蔽門絕緣阻值為1 MΩ,可得任意時段內(nèi)回流安全參數(shù)分布情況,圖5以1 300~1 480 s為例,給出了全線回流安全參數(shù)動態(tài)分布情況。

        如圖 5(a)所示,在屏蔽門絕緣理想時,全線鋼軌電位幅值最大值為105.4 V,發(fā)生在1 454 s時刻的6 976 m處,且全線鋼軌電位呈現(xiàn)出兩端高、中間低的分布規(guī)律。如圖 5(b)所示,此時雜散電流的幅值最大值為24.8 A,發(fā)生在1 368 s時刻的5 058 m處,且全線雜散電流呈現(xiàn)出中間高、兩端低的分布規(guī)律。

        圖5 絕緣理想時回流安全參數(shù)動態(tài)分布Figure 5 Dynamic distribution of reflux safety parameters with ideal insulation

        當(dāng)單個屏蔽門發(fā)生絕緣薄弱時,本文設(shè)置薄弱處屏蔽門絕緣阻值為0.01 Ω,其他屏蔽門絕緣阻值仍設(shè)為理想值。圖6以1 373 s為例,給出了當(dāng)S3或S8處屏蔽門絕緣薄弱時,與全線屏蔽門絕緣理想時回流安全參數(shù)的分布對比。

        圖6 單站屏蔽門絕緣薄弱時回流安全參數(shù)分布Figure 6 Distribution of reflux safety parameters with weak insulation of shield door at a single station

        如圖6(a)所示,全線屏蔽門絕緣理想時,1 373 s全線鋼軌電位幅值最大值為81.9 V;而S3處屏蔽門絕緣薄弱時,全線鋼軌電位幅值最大值為152.7 V,比絕緣理想時增加了86.4%;S8處屏蔽門絕緣薄弱時,全線鋼軌電位幅值最大值為126.5 V,比絕緣理想時增加了 54.5%。因此,屏蔽門絕緣薄弱雖然能降低所在站點處的鋼軌電位幅值,但全線鋼軌電位幅值將因此發(fā)生整體抬升。以1 373 s為例,屏蔽門絕緣理想時,全線鋼軌電位幅值均不超過90 V,而S3處或S8處屏蔽門絕緣薄弱時,過高的鋼軌電位將威脅到乘客及工作人員的生命安全。

        如圖6(b)所示,屏蔽門絕緣理想時,1 373 s全線雜散電流幅值最大值為21.2 A;S3處屏蔽門絕緣薄弱時,全線雜散電流幅值最大值為32.3 A,比絕緣理想時增加了52.4%;S8處屏蔽門絕緣薄弱時,全線雜散電流幅值最大值為 36.7 A,比絕緣理想時增加了73.1%。因此,屏蔽門絕緣薄弱將導(dǎo)致線路雜散電流水平大幅上升,且線路雜散電流泄漏將集中于屏蔽門薄弱位置,即雜散電流自走行軌、屏蔽門泄漏至周邊,導(dǎo)致站臺結(jié)構(gòu)腐蝕、威脅人員安全。

        為明確多處屏蔽門絕緣薄弱對回流安全參數(shù)的影響,本文設(shè)置S3和S5處同時出現(xiàn)屏蔽門薄弱,即兩處屏蔽門絕緣阻值為0.01 Ω,其他屏蔽門絕緣阻值仍設(shè)為理想值。圖7以1 425 s為例,給出了該情況下全線回流安全參數(shù)的分布對比。

        圖7 兩站屏蔽門絕緣薄弱時回流安全參數(shù)分布Figure 7 Distribution of reflux safety parameters with weak insulation of shield doors at two stations

        如圖7(a)所示,1 425 s屏蔽門絕緣理想時全線鋼軌電位幅值最大值為66.0 V,而S3、S5處屏蔽門絕緣薄弱使得全線鋼軌電位幅值降低,最大值為55.4 V。然而,如圖7(b)所示,1 425 s屏蔽門絕緣理想時全線雜散電流幅值最大值為12.0 A,S3、S5處屏蔽門絕緣薄弱卻形成了雜散電流泄漏回路,大量雜散電流經(jīng)S5處屏蔽門泄漏后,經(jīng) S3處回流至走行軌,使得全線雜散電流幅值激增,最大值高達998.1 A。因此,多個屏蔽門絕緣薄弱將導(dǎo)致線路雜散電流水平急劇增加,對設(shè)備、人員造成嚴(yán)重的危害。

        為明確不同的屏蔽門絕緣薄弱狀態(tài)對線路回流安全參數(shù)所產(chǎn)生的影響,本文設(shè)置 S3、S8處屏蔽門絕緣狀態(tài)同時出現(xiàn)不同程度的薄弱,并保持其他車站處屏蔽門絕緣理想。圖8以1 332 s為例,給出了此時全線回流安全參數(shù)的分布對比情況。

        圖8 不同屏蔽門絕緣狀態(tài)下回流安全參數(shù)分布Figure 8 Distribution of reflux safety parameters with different insulation of shield doors

        如圖8(a)所示,在絕緣理想時,1 332 s全線鋼軌電位幅值最大值為101.2 V,而當(dāng)S3、S8處屏蔽門絕緣阻值分別降低至0.05、0.02、0.01 Ω時,全線鋼軌電位幅值最大值分別降低至 98.1、91.8、87.7 V。因此,當(dāng)線路多個屏蔽門出現(xiàn)不同程度的絕緣薄弱時,全線鋼軌電位幅值均有所下降,且屏蔽門絕緣阻值越小,全線鋼軌電位幅值越低。

        如圖8(b)所示,在絕緣理想時,1 332 s全線雜散電流幅值最大值為19.1 A,而當(dāng)S3、S8處屏蔽門絕緣阻值分別降低至0.05、0.02、0.01 Ω時,全線雜散電流幅值最大值分別增加至599.7、925.4、1 134.0 A。因此,不同的屏蔽門絕緣薄弱狀態(tài)將導(dǎo)致線路雜散電流出現(xiàn)不同程度的增加,且屏蔽門絕緣阻值越小,全線雜散電流幅值越高。

        此外,當(dāng)多個屏蔽門絕緣薄弱時,全線回流安全參數(shù)動態(tài)分布將明顯區(qū)別于絕緣理想狀態(tài)。圖9以S1、S3、S8、S10處屏蔽門絕緣阻值均降低至0.02 Ω時為例,給出了1 300~1 480 s內(nèi)全線回流安全參數(shù)動態(tài)分布情況。

        圖9 多個屏蔽門絕緣薄弱時回流安全參數(shù)動態(tài)分布Figure 9 Dynamic distribution of reflux safety parameters with weak insulation of multi shield doors

        如圖 9(a)所示,當(dāng)多個屏蔽門絕緣薄弱時,全線鋼軌電位幅值最大值為97.6 V,比絕緣理想時降低了7.4 V,且全線鋼軌電位幅值呈現(xiàn)出中間高、兩端低的分布規(guī)律。此外,如圖9(b)所示,此時全線雜散電流幅值最大值高達2 141.0 A,遠高于絕緣理想時的雜散電流水平,且雜散電流的分布均在屏蔽門絕緣薄弱位置發(fā)生變化。因此,多個屏蔽門同時出現(xiàn)絕緣薄弱將導(dǎo)致全線回流安全參數(shù)激增,嚴(yán)重威脅到線路設(shè)備及乘客、工作人員的生命安全。

        4 結(jié)語

        本文針對屏蔽門絕緣狀態(tài)變化對城軌回流安全參數(shù)的影響展開了理論分析及仿真驗證,建立了城軌多列車動態(tài)潮流仿真模型,并基于無錫地鐵2號線展開了仿真分析,結(jié)果表明與屏蔽門絕緣理想時相比,單站屏蔽門絕緣薄弱將抬升全線鋼軌電位幅值,并導(dǎo)致大量雜散電流自屏蔽門泄漏。而兩站屏蔽門絕緣薄弱時,雖然線路鋼軌電位幅值將有所降低,但絕緣薄弱的屏蔽門將為雜散電流提供泄漏回路,導(dǎo)致雜散電流水平激增。此外,屏蔽門絕緣狀態(tài)越差,即絕緣阻值越小,線路鋼軌電位幅值越低,雜散電流水平越高。而多站屏蔽門絕緣薄弱將導(dǎo)致線路雜散電流水平急劇升高,嚴(yán)重威脅線路設(shè)備及人員的安全。

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