SUPERVISOR
Hamid Reza Karshenas,Mehdi Moallem
حمیدرضا کارشناس (استاد مشاور) مهدی معلم (استاد راهنما)
STUDENT
Mohamad taghi Raisy
محمدتقی رئیسی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Modeling and Calculation of Grounding System, Rail Potential and Stray Currents for Urban Electrical Railways and Methods for its Improvement
owadays, urban electrical railway systems have rapid growth due to such advantages as traffic and pollution reduction. Electrical railway is considered the predominant part of traortation systems in large cities. Electrical railway is a complex system and constituted of several subsystems. Grounding system is one of the main parts of electrical railway systems that is the subject of this study. There are several important reasons why a grounding system should be installed. But the most important reason is to protect passengers against electric shock. Grounding system of electrical railway systems consists of two important parts, first is the AC grounding system that is used in passenger stations. The second are the rails as paths for traction current. This arrangement mainly fucuses on economic considerations, since it does not require the installation of an additional return conductor. The rails along the railway, which lie exposed on the ground, will cause rail potential and leakage of stray current to the ground. So the choice of grounding strategies within the electrical railway systems has a profound influence on rail potential and stray current control. This potential difference could cause electric shock for the passengers. The most important effect of stray current is corrosion of nearby buried metallic structures, such as pipelines and concrete reinforcement armatures. So the goal of this research is to study the methods to reduce the undesired effect of stray current to the ground. For this purpose, first electrical parameters of railway systems will be studied and short circuit current in AC and DC systems will be calculated. To analyze the operation of AC grounding system during a fault to ground, first the principles of design and analysis for grounding system will be reviewed and the impacts of different parameters on operation of this system will be analyzed. Finally AC grounding system of Esfahan urban railway will be studied for controlling of dangerous voltages. Then, some techniques will be proposed to improve the operation of the grounding system. For reducing the rail potential and stray current in DC electrical railway systems, the methods of modeling the rail-ground system and the impacts of different parameters will be studied. Then Esfahan urban railway as a practical case is simulated and rail potential and stray current in this system will be evaluated. In practical systems, methods such as voltage limiting devices and stray current collection mats are used to control rail potential and stray current. Voltage limiting devices are located between rails and ground so that when the rail voltage exceeds the allowable limit, establish a direct connection between rails and ground to eliminate the risk of electric shock. Operation of the voltage limiting devices cause increasing stray currents. Stray current collection mats could be constructed under the rails in order to absorb the stray currents and avoid damage to metallic structures. Adequacy of these practical methods will be studied. At the end, new methods are proposed to improve the operation of voltage limiting devices and stray current collection mats in urban electrical railway systems. Keywords: Electrical railway systems, Grounding system , Stray currents, Rail potential, Safety
امروزه سیستمهای حمل و نقل الکتریکی به سرعت در شهرها در حال گسترش هستند و با داشتن مزایایی مثل کاهش ترافیک، کاهش آلودگیهای زیست محیطی و صوتی، یکی از ارکان اصلی حمل و نقل در شهرهای بزرگ محسوب میشوند. سیستم حمل و نقل الکتریکی یک سیستم پیچیده است که دارای بخشهای مختلفی میباشد. سیستم زمین یکی از مهمترین بخشهای برقی شبکههای حمل ونقل الکتریکی میباشد که در این تحقیق به آن پرداخته میشود. در سیستمهای حمل و نقل الکتریکی وقتی راجع به زمین بحث میشود، بایستی به دو موضوع توجه کرد، نخست سیستم زمین که بایستی برای اهدافی مثل جلوگیری از مواجه شدن افراد با خطر شوک الکتریکی در هنگام بروز خطا در سیستم ، عملکرد صحیح تجهیزات حفاظتی و هدایت گذراها و نویز به زمین برای سیستمهای حمل ونقل الکتریکی طراحی شود و مساله دیگر، استفاده از ریلها به عنوان مسیر برگشت جریان در شبکههای حمل و نقل الکتریکی dc میباشد که باعث ایجاد پتانسیل الکتریکی ریلها نسبت به زمین و نشت جریانهای سرگردان به زمین میشود. پتانسیل الکتریکی ریلها نسبت به زمین میتواند باعث ایجاد خطر شوک الکتریکی برای افراد شود و مهمترین اثر جریانهای سرگردان، خوردگی تاسیسات فلزی مجاور مدفون در زیر خاک مثل لولههای فلزی و آرماتورهای تقویت کننده بتن میباشد که در صورت عدم کنترل میتواند آسیب جدی به زیرساختهای شهری وارد کند. بنابراین یکی از اهداف این تحقیق ارائه روشهای موثر در جهت کاهش اثرات نامطلوب تزریق جریانهای ac و dc به زمین میباشد. در این پایاننامه ابتدا ساختار کلی شبکههای الکتریکی که به منظور تغذیه سیستمهای حمل ونقل الکتریکی به کار میرود مورد بررسی قرار گرفته و روشهای بدست آوردن پارامترهای مهم شبکه الکتریکی بیان شده است. پس از محاسبه پارامترهای الکتریکی مورد نیاز شبکه قطار شهری اصفهان، جریانهای اتصال کوتاه dc و ac در این سیستم با استفاده از شبیهسازی بدست آمده است. به منظور بررسی عملکرد سیستم زمین هنگام تزریق جریان خطا، ابتدا اصول طراحی و آنالیز سیستم زمین بیان و تاثیر پارامترهای مختلف بر عملکرد سیستم زمین بررسی شده است. در نهایت عملکرد سیستم زمین اجرا شده در ایستگاههای قطار شهری اصفهان از لحاظ کنترل ولتاژهای خطرناک هنگام بروز خطا مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین روشهایی به منظور اصلاح و و بهبود عملکرد سیستم زمین ارائه شده است. یکی از مهمترین مسایل در سیستمهای حمل و نقل الکتریکی dc، پتانسیل الکتریکی ریلها و جریانهای سرگردان میباشد. به منظور مطالعهی این مسایل در سیستمهای حمل و نقل الکتریکی dc، ابتدا روشهای مدلسازی سیستم ریل- زمین بیان و سپس تاثیر پارامترهای مختلف بر پتانسیل الکتریکی ریلها و جریانهای سرگردان بررسی شده است. در ادامه قطار شهری اصفهان به عنوان یک سیستم عملی در نظر گرفته شده و با استفاده از شبیهسازی، پتانسیل ریلها و جریانهای سرگردان در این سیستم مورد ارزیابی قرار گرفته است. همچنین تاثیر و کارایی تجهیزات کنترل ولتاژ و شبکههای جمع آوری جریان سرگردان در شبکههای قطار شهری مورد مطالعه قرار گرفته است. در پایان روشهایی به منظور اصلاح و بهبود عملکرد تجهیزات کنترل ولتاژ و شبکههای جمع آوری جریان سرگردان در شبکههای قطار شهری ارائه شده است. کلمات کلیدی: 1- سیستمهای حمل ونقل الکتریکی 2- سیستم زمین 3- جریانهای سرگردان 4- پتانسیل الکتریکی ریلها 5- ایمنی