1、摘 要在我国，城市轨道交通发展迅速，多个城市都开始建设轨道交通，而因轨道交通所产生的问题也非常多，以人为本的建设理念也就因此产生，其中因为钢轨电位很容易危害到乘客和工作人员的人身安全，所以对于钢轨电位限制装置控制器的研究就必不可少了。本文先简要的介绍城市轨道交通的直流牵引供电系统，像机车受电、回流系统和方式也进行了一定程度的描述，还介绍了关于钢轨电位限制装置控制器的国内外研究现状，以更好的表现出钢轨电位限制装置控制器在城市轨道交通安全中的重要性。此外，本文对于钢轨电位产生的原因、分布规律以及特点也进行了一部分的研究，对于钢轨电位的分布进行了模型建立，并简要分析了影响钢轨电位的几个因素。最后又对
2、钢轨电位限制装置控制器进行了相应的设计，并对控制器进行了选型。关键词：钢轨电位；限制；控制器；PLC；晶匣管ABSTRACTAt present,with the rapid development of urban rail transit,more cities are building urban rail transit in China.Due to this situation,it products so many problems and something related to it have received widespread attention,including r
3、ail potential which effects personal safety of passengers.So the research about over-voltage protection device controller is very necessary.At first,this paper introduces the DC traction power supply systems in urban rail transit,discusses locomotive powered,the reflux system and the way of current
4、returning.And shows researches on rail potential that have been done both domestic and aboard,that can demonstrate the important of over-voltage protection device controller in the safety of urban rail transit.In addition,this paper analyzed the distribution rules and the main factors influencing th
5、e rail-to-ground potential by building the mathematical model of the rail-to-ground potential. Finally,designing the over-voltage protection device controller,and selected the main devices and designed the hardware circuit.Keywords: Rail potential; Restrict; controller; PLC; Thyristor目 录1 绪论11.1 城市轨
6、道的发展及研究本课题的意义11.2 国内外研究现状21.3 论文的主要内容32 轨道交通直流牵引供电系统42.1 直流牵引供电系统的重要性42.2 直流牵引供电系统42.3 直流牵引供电系统的保护研究52.4 牵引供电系统电气参数采集的研究53 钢轨电位的理论分析73.1 钢轨电位73.1.1 钢轨电压的产生73.1.2 钢轨过电压的产生原因与钢轨电位升高的危害7 3.2 钢轨电位分布模型的建立83.2.1 系统直接接地模型83.2.2 系统悬浮接地模型103.3 钢轨电位的分布规律和特点总结113.3.1 直接接地模型113.3.2 系统悬浮接地模型133.4 小结144 控制器硬件选型及设
7、计164.1 控制单元结构设计164.2 数据采集模块174.2.1 霍尔传感器的工作原理174.2.2 霍尔电流传感器184.2.3 霍尔电压传感器194.3 CPU模块的选择214.3.1 PLC与单片机的比较214.3.2 PLC CPU224XP芯片224.4 I/O扩展模块EM231244.5 电源扩展模块254.6 脉冲变压器254.6.1 脉冲变压器与一般变压器的比较264.7 短路装置模块的介绍及选型264.7.1 中间继电器264.7.2 接触器274.7.3 晶闸管285 控制单元的软件设计325.1 S7-200编程软件介绍325.1.1 编程软件和运行环境325.1.2
8、 自诊断功能325.3 程序结构分析和设计335.3.1 主控制回路的设计335.3.2 三段式保护程序345.4钢轨电位限制装置可靠性及抗干扰设计36结论38参考文献39附录 设计代码41翻译部分47英文原文47中文译文53致 谢641 绪论1.1 城市轨道的发展及研究本课题的意义自从进入21世纪以来，在我国各大城市中因为车辆过多而引发的交通秩序混乱和汽车的尾气排放污染严重、道路狭窄而引发的汽车堵塞等问题已经严重影响了城市居民的正常出行和身体健康，汽车这种交通工具已经不足以满足城市居民的日常需求，据北京交通局最新的研究表明，等到2015年为止，机动车的保有量约为七百万左右，而这时汽车在马路上
9、的行驶速度将低于15公里/小时，再加上汽车尾气的大量排放，这已经严重影响了城市居民的日常出行和身体健康，所以城市轨道交通的发展已经不可阻挡了。现今在我国，北京、天津、上海、南京等各大城市也大都建有地铁，为了解决城市居民的日常工作和出行问题，也由于地铁具有运量大，能耗少、快捷、准时、无污染、不占地面资源等优点，凭借这些独特性，地铁已成为了目前城市轨道交通中的主要运输方式。地铁具有十分优良的运输能力，根据北京市地铁数据显示表明，在城市居民上下班高峰期，地铁的双向运输能力可达到612万人/小时，远远高于地面公共交通运输的68万人/小时，而且其平均行驶速度为3060km/h也明显高于地面交通。现在，一
10、个城市的轨道交通发展已经成为了显示这个城市现代化的重要凭据，截至20世纪末，世界上约有114168个城市建有轨道交通。在中国，截至2010年底，已有北京、天津、上海、广州、深圳、南京、香港、台北、佛山等22个建有地铁，现在的城市轨道的建设在全国各大城市已经成为了优先项目，也成为一个城市现代化发展的表现了。为了满足城市发展的需要，有必要建立一个大型的、现代化的城市立体交通网络，而城市轨道系统的发展在这个立体交通运输网络大整体里是一个非常重要的部分，它甚至决定了城市的发展规模。可以这么说，城市轨道交通的发展程度取决于城市的现代化发展程度，而同时城市轨道交通的发展又可以促进城市的可持续发展，解决道路
11、拥挤和尾气污染等问题。目前，世界上已建城市轨道交通的国家、地区有42个，城市143个，路网总长13000多千米。根据调查表明：大力发展城市轨道交通，也就是地铁、轻轨和磁悬浮列车等的发展是解决很多大城市因车辆过多而引发交通拥挤堵塞、市民的日常出行困难、汽车的尾气排放污染环境等严重问题的有效交通方式。目前我国的一些大城市随着经济方面的迅速发展，城市居民拥有车辆的也越来越多，在这之后出现的道路拥挤、汽车尾气排放引发的环境污染严重、市民乘车麻烦和居民出行困难等道路交通问题也越来越多，这些问题都在催促着城市发展轨道交通。随着我国的国民经济日后发展的愈加迅速，城市轨道交通的发展必将解决因道路交通而带来的各
12、种问题，而它也一定会迎来轨道交通的稳定发展期。 人民生活越来越好，因而买车的人也越来越多，道路交通拥挤在各大城市中已经见怪不怪了，因此我国各大城市为了解决交通问题，地铁就成了一种必备的交通工具了，各大城市的轨道交通建设已然处于一个快速发展期，多个城市的建设速度和规模在国内外都属史无前例，但随着城市轨道交通建设和运营逐步网络化，城市轨道交通在解决城市交通问题的同时，因轨道交通所产生的安全问题也随之产生，以人为本的建设理念也就因此产生，对于人身防护问题也越来越重视，其中因为钢轨电位很容易危害到乘客和工作人员的人身安全，就显得在合适的时候限制钢轨电位的研究十分重要，所以对于钢轨电位限制装置控制器的研
13、究就必不可少了。1.2 国内外研究现状 由于钢轨电位限制装置控制对于我国城市轨道交通有这重大意义，不仅要保证人员安全，还要提高在实际中的效率问题，因此钢轨电位理论研究、现场检测和防护问题就一直备受关注，所以关于它的相关研究非常多，并且很多研究成果已经在国内外城市轨道交通中得到应用。 要对钢轨电位限制装置控制器进行研究，就要对钢轨的分布进行了解分析，然而目前想要建立跟实际相符合的钢轨电位分布模型并对其进行研究是相当困难的，只能对于已知条件进行取舍和简化，尽可能的建立相对于实际情况来说相对符合的钢轨电位分布数学模型，这样就可以对于钢轨的电位分布进行定位研究，并从中提出较好的钢轨电位限制装置的控制方
14、法，这对于以后的研究是十分有利的。 现在国际上相当重视对钢轨电位的研究，在美国，基本每年都会举办一个对于城市轨道交通方面的学术交流会。张孝雨等通过直流牵引系统的离散数学模型的搭建进而对钢轨电位的分布进行理论分析，同时提出了在模型中影响钢轨电位变化的几个参数；相对于Kinh D.Pham,P.E建立关于直流牵引回流系统的数学模型并采用了球形电极的相关理论，其给出了测量大地上任意两点之间电位差的方法，并同时分析了当机车处于不同供电区间位置、取不同的钢轨纵向电阻值时钢轨对地电位的变化曲线；田胜利根据城市轨道交通牵引供电直流系统的特点，阐述框架保护、钢轨电位限制装置等设备的作用和工作原理，分析了牵引供
15、电直流系统正常和故障情况下各设备之间的动作时间和相互配合关系；繆耀珊分析了钢轨电位产生机理，并提出了降低钢轨电位的可能措施及一些相关建议；王凯建、韩连祥等对城市轨道交通钢轨电位限制器应用中存在的问题进行分析，如频繁通断及闭锁会导致杂散电流泄漏增大、运营维护工作量增加等。结合钢轨电位限制器的功能及动作原理，提出引入列车进/出站信号作为保护判据的新型控制方式，以减少钢轨电位限制器的误动作；张耀分析了电气化铁路牵引供电区段钢轨电位的产生机理及钢轨电位升高后产生的危害，在阐述钢轨电位表征参数的基础上，推到了AT（Auto Transformer.自耦变压器）供电区段钢轨电位及电流的分布规律。通过分析AT供电方式的基本原理，利用Matlab/simulink软件搭建了AT供电方式下牵引回流系统的仿真模型，根据模型分别仿真分析了不同牵引供电方式、线路单复线、列车追踪时间及钢轨对地泄漏电阻对钢轨电位的影响效果。 通过对比国内外的研究现状，发现我
