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轨道交通直流干扰的车-地-网动态耦合仿真

刘炜 李松原 唐宇宁

刘炜, 李松原, 唐宇宁. 轨道交通直流干扰的车-地-网动态耦合仿真[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230052
引用本文: 刘炜, 李松原, 唐宇宁. 轨道交通直流干扰的车-地-网动态耦合仿真[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230052
LIU Wei, LI Songyuan, TANG Yuning. Simulation of Dynamic Coupling of Metro-Earth-Grid for DC Interference in Rail Transit[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230052
Citation: LIU Wei, LI Songyuan, TANG Yuning. Simulation of Dynamic Coupling of Metro-Earth-Grid for DC Interference in Rail Transit[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230052

轨道交通直流干扰的车-地-网动态耦合仿真

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230052
基金项目: 四川省自然科学基金项目(2022NSFSC0463)
详细信息
    作者简介:

    刘炜(1982—),男,副教授,博士生导师,研究方向为杂散电流与钢轨电位,E-mail:liuwei_8208@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: U239.5;TM41

Simulation of Dynamic Coupling of Metro-Earth-Grid for DC Interference in Rail Transit

  • 摘要:

    针对中性点接地变压器直流偏磁电流受轨道交通动态杂散电流泄漏和段场接地影响的问题,综合考虑多列车运行工况,建立杂散电流分布扩散的车-地-网耦合模型,并采用复镜像法计算大地电位;定义接地网的自电阻系数和互电阻系数,建立直流偏磁电流与大地电位的耦合关系,根据杂散电流侵入路径的拓扑结构,构建大地电位和直流偏磁电流的场路耦合模型;设计轨道交通杂散电流侵入电网的缩比模拟试验,并通过试验与模型计算进行验证. 研究结果表明:试验结果和模型计算之间的最大误差为8.41%;钢轨对地过渡电阻从3.00 Ω·km增大到15.00 Ω·km,直流偏磁电流的绝对平均值减小82.4%;在车辆段和正线之间采用阻断式连接装置比采用单向导通装置减小23.45%的直流偏磁电流.

     

  • 图 1  杂散电流分布和扩散的车-地-网耦合模型

    Figure 1.  Metro-earth-grid coupling model of stray current distribution and diffusion

    图 2  某电网变电站分布

    Figure 2.  Distribution of substations in a power grid

    图 3  某电网集中参数电路

    Figure 3.  Centralized parameter circuit of a power grid

    图 4  直流偏磁电流模拟试验示意(单位:cm)

    Figure 4.  Schematic diagram of DC bias current simulation test (unit: cm)

    图 5  试验和仿真数据对比

    Figure 5.  Comparison of experimental and simulation data

    图 6  仿真流程

    Figure 6.  Simulation flow chart

    图 7  变电站和地铁线路之间的位置关系

    Figure 7.  Location relationship between substation and subway line

    图 8  地铁运行图

    Figure 8.  Subway operation map

    图 9  直流偏磁电流计算结果

    Figure 9.  Calculation results of DC bias current

    图 10  钢轨对地过渡电阻和直流偏磁电流的关系

    Figure 10.  Relationship between rail-to-earth transition resistance and DC bias current

    图 11  车辆段CD连接方式和直流偏磁电流的关系

    Figure 11.  Relationship between the connection mode of car depot CD and DC bias current

    表  1  直流偏磁电流模拟试验主要参数

    Table  1.   Main parameters of DC bias current simulation test

    参数 数值
    铜网深度/mm 10
    石墨棒深度/mm 10
    接地模块线路电阻/Ω 0.018
    盐溶液电导率/(mS·cm−1 1.56,1.86,2.11,2.36
    石墨棒载流/A 30,40,50,60
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    表  2  变电所的位置坐标

    Table  2.   Location coordinates of substations

    变电所 A B C D
    坐标 (10,−2) (4,−5) (6,7) (15,−4)
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    表  3  模型的主要参数

    Table  3.   Main parameters of the model

    模型 参数 数值
    直流地铁线路一行钢轨电阻/(Ω·km−10.018
    SCCN电阻/(Ω·km−10.066
    SCCN埋地深度/m0.6
    钢轨对地过渡电阻/(Ω·km)5.5
    钢轨电位限制器接地电阻/Ω0.04
    发车间隔/s300
    停站时间/s30
    交流电网系统接地网接地电阻/Ω2
    接地网埋地深度/m0.8
    避雷线/(Ω·km−10.5
    500 kV变压器阻抗/Ω1
    220 kV变压器阻抗/Ω2
    500 kV变压器额定容量/(MV·A)750
    220 kV变压器额定容量/(MV·A)240
    500 kV变压器直流偏磁电流允许值/A18.2
    220 kV变压器直流偏磁电流允许值/A13.2
    输电线路阻抗/(Ω·km−10.01
    土壤模型混凝土/(Ω·m)180
    土壤/(Ω·m)100
    混凝土厚度/m1
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    表  4  直流偏磁电流峰值的仿真值与计算值对比

    Table  4.   Comparison of simulation data and calculation data of peak DC bias current

    时间/s 变电所 计算数据/A 仿真数据/A 误差/%
    28 A 30.94 31.30 1.16
    B 0.14 0.15 7.14
    C 11.57 10.94 5.45
    D 19.23 18.37 4.47
    144 A 25.04 23.95 4.35
    B 1.39 1.27 8.63
    C 9.42 8.84 6.16
    D 17.02 16.22 4.70
    158 A 19.36 20.44 5.58
    B 2.44 2.21 9.43
    C 7.34 7.16 2.45
    D 14.47 15.25 5.39
    235 A 18.67 17.69 5.25
    B 4.07 3.81 6.39
    C 7.15 7.26 1.54
    D 15.60 15.27 2.12
    259 A 22.99 22.63 1.57
    B 1.23 1.12 8.94
    C 8.64 8.03 7.06
    D 15.59 16.56 5.86
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    表  5  不同发车间隔下直流偏磁电流的特征值

    Table  5.   Characteristic values of DC bias current at different departure intervals A

    发车间隔/s 变电所 绝对平均值 最大绝对值
    120 A 9.30 33.84
    B 3.69 7.42
    C 3.50 12.65
    D 7.78 21.78
    180 A 7.16 27.64
    B 2.24 7.33
    C 2.68 10.47
    D 5.85 19.99
    240 A 5.81 26.28
    B 2.28 7.83
    C 2.07 9.87
    D 3.48 16.07
    300 A 5.16 30.94
    B 2.02 6.05
    C 1.91 11.57
    D 4.31 19.23
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    表  6  不同治理方式下直流偏磁电流的特征值

    Table  6.   Characteristic values of DC bias current under different management modes A

    治理方式 变电所 绝对平均值 最大绝对值
    隔直电容A00
    B5.6731.09
    C7.0742.52
    D8.8650.19
    限流电阻A4.8218.31
    B1.583.19
    C1.356.49
    D4.0311.28
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    表  7  BCD和UCD的直流偏磁电流特征值

    Table  7.   Characteristic values of DC bias current in BCD and UCD A

    CD连接方式 变电所 绝对平均值 最大绝对值
    BCDA3.9521.28
    B1.977.21
    C1.457.93
    D3.9816.72
    UCDA5.1630.94
    B2.026.74
    C1.9111.57
    D4.3119.23
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  • 收稿日期:  2023-02-15
  • 修回日期:  2023-05-16
  • 网络出版日期:  2024-09-29

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