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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:吳世傳
研究生(外文):Shyh-Chuan Wu
論文名稱:台北捷運系統於台北車站與高鐵及台鐵共構處之雜散電流特性研究
論文名稱(外文):Characteristics of Stray Current on the Joint Station of the Taipei Metro Rapid Transit System, High Speed Railways and Taiwan Railways
指導教授:周至如
指導教授(外文):Chih-Ju Chou
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:141
中文關鍵詞:步間電壓軌道對地電壓接觸電壓雜散電流電腐蝕地電位昇地表面電位
外文關鍵詞:Keyword:Railway-to-Ground-PotentialElectrochemical CorrosionGround Potential RiseTouch VoltageGround Surface PotentialStray CurrentStep Voltage
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中文摘要
目前捷運、高鐵與台鐵共站由北至南共有四處,分別為南港、台北、板橋與左營,只有台北車站己營運,其他正在興建中。台灣之捷運系統牽引動力電壓為直流750伏特,高鐵與台鐵之牽引動力電壓則為交流25千伏特,它們皆以鋼輪及鋼軌做為回路之一部份。由於鋼軌本身帶有電阻,因此整個沿線鋼軌會產生電壓降,此電壓降使得行車軌鋼軌與大地之間存有電位差,稱為軌道對地電壓;如此電壓經由鋼軌轉換至車體,使車殼與大地間將存有電位差,此電位差稱為接觸電壓;且由於鋼軌與大地之間並沒有完全絕緣,故將有部份列車牽引負回流經鋼軌洩漏至大地,此電流稱為雜散電流。軌道電位昇所產生之接觸電壓,依接地方式之不同,對人體之影響差異亦不同;雜散電流也因接地方式之不同,或多或少經由軌道沿線附近埋設之地下金屬管線、鋼筋結構體等回流至變電站,如此將對軌道設施、軌道沿線的金屬結構物如地下管線、儲槽、鋼構大樓、民宅鋼筋混凝土結構,甚至對於鐵軌本身或其他鐵路系統設備等形成電腐蝕的問題。
本研究主要依據台北車站內捷運淡水線、板南線、高鐵及台鐵實際地網圖,使捷運淡水線及板南線上、下行列車,同時在滿載加速時及短路故障情形下之雜散電流,及高鐵、台鐵之上、下行列車之短路故障電流,經由模擬軟體算出各系統之地表面電位、接觸電壓、步間電壓及地電位昇;然後參考IEEE的相關標準,評估接地故障是否會造成人員、設備之傷害,及評估直流雜散電流是否會對附近鋼軌及地下金屬結構物之產生電腐蝕;最後再提出雜散電流防制方法,以減輕其傷害。因此,本研究可提供捷運、高鐵及台鐵有利的資訊,以設計它們的共構站,減少雜散電流的傷害。
英文摘要
Nowadays, there are four collocation and joint stations, from north to south, of mass rapid transit system (MRTS), high speed railway (HSR) and conventional railway system of Taiwan railway Administration (TRA), in Taiwan, Nan-Kang, Taipei, Pan-Chiao and Tos-Ying. Besides Taipei main station which is under operation, the others are still under construction. The traction power voltage is DC 750V for MRTS, and is AC 25kV for HSR and TRA. Ttheir traction power system use steel- wheel-rails as current return path.
Because of inherent resistance of rail, there exits a voltage along the railway, and a potential between railway and ground, called railway-to-ground-potential which will be transferred by the rail to car-body to form touch-voltage. Because the rails are not fully insulated from the ground, a portion of traction current will leak into ground via running rails, called stray current.
According to the different types of grounding. The touch voltage causing by the rise in rail potential would cause different degree of damage to human body. Similarly, According to the different types of grounding, the stray current will flow more or less via running railways into metallic pipelines, rebar in reinforced concrete main structure buried underground and to the traction power station finally. The stray current would cause problem of electrochemical corrosion and damage track facilities, metallic pipelines, tanks, rebar in reinforced concrete main structure buried underground and others railway system facilities.
Base on the practical grounding mesh design of red & blue lines of Taipei Rapid Transit System (TRTS), HSR and TRA in Taipei main station. This study will simulate the stray currents with respect to the cases of the trains on north-bond and south-bond of red & blue lines of TRTS are full load or the third-rails of TRTS are shortage, and the ground faults occurred on HSR and TRA systems. The simulations include ground surface potential, touch voltages, step voltages, and grounding potential rises (GPR), of each grounding system. Then, the damages on equipments and hazards on human due to ground faults are assessed based on IEEE standard, and the corrosion effects on metallic structures and rails due to DC stray currents of TRTS are also evaluated. Finally, the mitigation methods for reducing stray current damage are proposed.
Thus, the study provides useful information to TRTS, HSR and TRA to design their joint systems for reducing the stray current damages
目 錄
中文摘要……………………………………………………………………..I
英文摘要…………………………………………………………..…….….II
誌謝……………………………………………………………………...IV
目錄………………………………………………………………………...V
圖索引………………………………………………………………IX
表索引………………………………………………….………………XIV
第一章 緒 論…………………………………….….………………1
1.1研究動機及目的…………………………………………………...1
1.2相關研究概況……………………………………………………...2
1.3研究內容…………………………………………………………...3
第二章 雜散電流之成因及影響…………………………………..5
2.1前言………………………………………………………………...5
2.2雜散電流之定義、分類……………………………………………6
2.2.1直流雜散電流………………………..………………..……7
2.2.2交流雜散電流………………………..…………………….8
2.3腐蝕之分類…………………………………………………….9
2.3.1自然腐蝕…….…………………………………………….10
2.3.2電腐蝕……….…………………………………………….12
2.4雜散電流腐蝕案例……………..………………………………….15
2.4.1直流雜散電流腐蝕案例……….…………………………15
2.4.2交流雜散電流腐蝕案例………………………………….16
第三章 捷運、高鐵及台鐵之電力系統介紹……….……………18
3.1前言………………………………..……………………………..18
3.2捷運電力系統之介紹……………………………………………19
3.2.1變電系統方式……………………..………………………19
3.2.2捷運主變電站(BSS).….…………..……..……………..20
3.2.3捷運牽引動力變電站(TSS)..……………………..……21
3.2.4捷運車站變電站(SSS)…………………..……………23
3.2.5第三軌…………………………………………..…………24
3.3高鐵電力系統之介紹…………………………………………….26
3.3.1變電系統方式……………………………….……….….26
3.3.2台灣高鐵之主變電站……………………….…………….29
3.3.3台灣高鐵之分區饋電站……………………….………….31
3.3.4電車線系統……………………………………….……….32
3.3.5電力監督與遙控系統(SCADA)………………………..36
3.4台鐵電力系統之介紹…………………………….…..……..…...37
3.4.1變電系統方式………………………………..……………38
3.4.2吸流變壓器(BT)饋電…………………………………….40
第四章 捷運、高鐵及台鐵之接地系統介紹…….….………….42
4.1前言…………………………………………..…………………..42
4.2捷運接地系統之介紹……………………………………………44
4.2.1系統接地………………………..…………………………45
4.2.2設備接地………………………….……………………….46
4.2.3牽引接地…………………………………………………..47
4.3高鐵接地系統之介紹……………………………………………53
4.3.1台灣高鐵之系統接地…………..…………..…………..53
4.3.2台灣高鐵之橋樑及隧道接地………………………..…….56
4.4台鐵接地系統之介紹……………………………………………63
第五章 模擬模型及模擬結果分析………..…….………………65
5.1前言………………………………………………………..……...65
5.2模擬軟體介紹……………………………..……………………...67
5.2.1CDEGS軟體的模擬流程架構…………………….….67
5.2.2資料輸入模組……………………………………..………68
5.2.3工程應用設計模組………………………………..………69
5.2.4資料輸出模組……………………………………………..73
5.3直流雜散電流計算……………………….……………………...74
5.3.1雜散電流模型建立………………………….…………….74
5.3.2捷運滿載電流之計算……………………..…………..…..77
5.3.3捷運短路故障電流之計算…………………….………….78
5.3.4雜散電流之理論推導…………………………….……….81
5.4模擬成果圖……………………………………..………………...86
5.4.1捷運滿載加速模擬成果圖………………………….…….86
5.4.2捷運短路故障模擬成果圖………………………………..86
5.4.3高鐵及台鐵短路故障模擬成果圖……………..…………86
5.5安全評估與模擬成果分析………………….….……………....110
5.5.1接觸電位………………..………………………….…….110
5.5.2步間電壓……………………..…………………………..111
5.5.3接地安全評估………………………………..…………..111
5.5.4模擬成果分析………………………..………….……….112
第六章 雜散電流之防治方法……………………….…………….114
6.1前言…………………………………….….…………..…..……114
6.2結果探討…………………………….……………………..…..114
6.3直流雜散電流之影響…………………………………….…….115
6.4防治方法…………………………………………………….….116
第七章 結論、建議及未來研究方向…………….…..….……...127
7.1結論…………………………………………………..…………127
7.2具體研究成果…………………………..………………………127
7.3建議事項………………………………………………………..128
7.4未來研究方向…………………………………………………..129
參 考 文 獻……………………………………………………….…131
附件 台北車站捷運淡水線及板南線注入地網之雜散電流分析表………………………………………………………..136
圖 索 引
圖2-1 直流鋼軌系統示意圖……………………………………………7
圖2-2 交流鋼軌系統示意圖……………………………………………9
圖2-3 電化學腐蝕發生機制…………………………………………..13
圖3-1 捷運電力系統網路圖…………………………………………..19
圖3-2 捷運主變電站(BSS)系統架構圖……………………….………21
圖3-3 捷運牽引動力變電站(TSS)供電系統架構圖………………….23
圖3-4 高鐵主變電站及變電所位置圖………………………………..27
圖3-5 高速鐵路主變電站電力供應圖………………………………..30
圖3-6 Scott結線變壓器電壓、電流方向圖例………………..…….31
圖3-7 高鐵自耦變壓器(AT)饋電方式…………………………….…..32
圖3-8 高速鐵路電車線系統相關位置圖……………………………..33
圖3-9 台鐵電力系統之變電站分布…………………………….…….37
圖3-10 台鐵變電站之單線圖…………………………………………38
圖3-11 Le Blanc變壓器接線圖……………………………………...39
圖3-12台鐵吸流變壓器(BT)饋電方式示意圖………………………..41
圖3-13台鐵吸流變壓器(BT)以短路方式抑制電弧…………………..41
圖4-1 捷運系統沿線接地圖…………………………………………..44
圖4-2 捷運直流牽引系統單線圖……………….…………………….44
圖4-3 捷運直接接地供電方式示意圖………………………………..49
圖4-4 捷運二極體接地供電方式示意圖……………………………..50
圖4-5 捷運非接地/高阻抗接地供電方式示意圖…………………….51
圖4-6 台灣高鐵系統沿線接地圖…………………………………..…55
圖4-7 台灣高鐵接地系統示意圖……………………………………..55
圖4-8 高鐵系統 鋼軌、自耦變電壓器及保護線之共同接地單線圖..56
圖4-9 高鐵高架橋梁沿線接地示意圖………………………………..57
圖4-10 高鐵高架鋼筋接地法示意圖…………………………………57
圖4-11 高鐵高架橋樑所使用的接地線………………………………58
圖4-12 高鐵所使用的接地線徑為60mm2……………………………58
圖4-13 高鐵橋墩接地線………………………………………………59
圖4-14 高鐵橋樑接地線………………………………………………59
圖4-15 高鐵高架橋上之避雷器………………………………………60
圖4-16 高鐵隧道接地…………………………………………………60
圖4-17高鐵隧道內緊急插座及通信設備接地……………………….61
圖4-18高鐵隧道內消防設備接地…………………………………….61
圖4-19高鐵隧道內消防水管接地…………………………………….62
圖4-20高鐵隧道內之接地匯流排…………………………………….62
圖4-21台鐵接地系統的佈置圖……………………………………….64
圖5-1 捷運、高鐵及台鐵路線概略圖………………………………..66
圖5-2 台北車站地下各層之捷運、高鐵及台鐵相關位置圖………..66
圖5-3 接地系統分析軟體(CDEGS)基本架構圖……….……..………68
圖5-4 考慮捷運雙邊供電時之接地系統模型立體圖……..…………75
圖5-5 考慮捷運雙邊供電時之接地系統模型平面圖………………..75
圖5-6 捷運淡水線電路等效圖………………………………………..76
圖5-7 捷運板南線電路等效圖………………………………………..76
圖5-8 兩相鄰變電站間之牽引動力運轉模式…….………………….78
圖5-9 捷運雙邊供電短路故障等效圖………………………………..79
圖5-10 捷運淡水線(雙邊供電,二極體接地)….……………….……82
圖5-11 淡水線滿載時雜散電流分佈圖….…………………………...84
圖5-12 淡水線短路故障時雜散電流分佈圖…………………………84
圖5-13 板南線滿載時雜散電流分佈圖………………………………85
圖5-14 板南線短路故障時雜散電流分佈圖….……………………...85
圖5-15 台北車站各系統地網軌道洩漏電流注入點示意圖…………89
圖5-16 台北車站地區因捷運滿載加速時之軌道洩漏電流所造成之地表面電位平面圖(參考面包含全部地網)…………………….89
圖5-17 台北車站地區因捷運滿載加速時之軌道洩漏電流所造成之地表面電位立體圖(參考面包含全部地網)………………….…89
圖5-18 台北車站地區因捷運滿載加速時之軌道洩漏電流所造成之步間電壓平面圖(參考面包含全部地網)……………………….90
圖5-19 台北車站地區因捷運滿載加速時之軌道洩漏電流所造成之步間電壓立體圖(參考面包含全部地網)…….………………....90
圖5-20 台北車站地區因捷運滿載加速時之軌道洩漏電流所造成之接觸電壓平面圖(參考面包含全部地網)………….……………91
圖5-21 台北車站地區因捷運滿載加速時之軌道洩漏電流所造成之接觸電壓立體圖(參考面包含全部地網)………….……………91
圖5-22 台北車站地區因捷運滿載加速時之軌道洩漏電流所造成之地電位昇(GPR)平面圖(參考面包含全部地網)………………..92
圖5-23 台北車站地區因捷運滿載加速時之軌道洩漏電流所造成之地電位昇(GPR)立體圖(參考面包含全部地網)………………..92
圖5-24 台北車站地區因捷運滿載加速時之軌道洩漏電流所造成之地表面電位平面圖(參考面為高(台)鐵地網)…………………..93
圖5-25 台北車站地區因捷運滿載加速時之軌道洩漏電流所造成之地表面電位立體圖(參考面為高(台)鐵地網)…………………..93
圖5-26 台北車站地區因捷運滿載加速時之軌道洩漏電流所造成之步間電壓平面圖(參考面為高(台)鐵地網)……………………..94
圖5-27 台北車站地區因捷運滿載加速時之軌道洩漏電流所造成之步間電壓立體圖(參考面為高(台)鐵地網)……………………..94
圖5-28 台北車站地區因捷運滿載加速時之軌道洩漏電流所造成之接觸電壓平面圖(參考面為高(台)鐵地網)……………………..95
圖5-29 台北車站地區因捷運滿載加速時之軌道洩漏電流所造成之接觸電壓立體圖(參考面為高(台)鐵地網)……………………..95
圖5-30 台北車站地區因捷運滿載加速時之軌道洩漏電流所造成之地電位昇(GPR)平面圖(參考面為高(台)鐵地網)………………96
圖5-31 台北車站地區因捷運滿載加速時之軌道洩漏電流所造成之地電位昇(GPR)立體圖(參考面為高(台)鐵地網)……….……...96
圖5-32 台北車站地區因捷運短路故障時之軌道洩漏電流所造成之地表面電位平面圖(參考面包含全部地網)…….………………97
圖5-33 台北車站地區因捷運短路故障時之軌道洩漏電流所造成之地表面電位立體圖(參考面包含全部地網)…………………….97
圖5-34 台北車站地區因捷運短路故障時之軌道洩漏電流所造成之步間電壓平面圖(參考面包含全部地網)……………….………98
圖5-35 台北車站地區因捷運短路故障時之軌道洩漏電流所造成之步間電壓立體圖(參考面包含全部地網)……….………………98
圖5-36 台北車站地區因捷運短路故障時之軌道洩漏電流所造成之接觸電壓平面圖(參考面包含全部地網)….…….…………..….99
圖5-37 台北車站地區因捷運短路故障時之軌道洩漏電流所造成之接觸電壓立體圖(參考面包含全部地網)….……………………99
圖5-38 台北車站地區因捷運短路故障時之軌道洩漏電流所造成之地電位昇(GPR)平面圖(參考面包含全部地網)………………100
圖5-39 台北車站地區因捷運短路故障時之軌道洩漏電流所造成之地電位昇(GPR)立體圖(參考面包含全部地網)………………100
圖5-40 台北車站地區因捷運短路故障時之軌道洩漏電流所造成之地表面電位平面圖(參考面為高(台)鐵地網)…………………101
圖5-41 台北車站地區因捷運短路故障時之軌道洩漏電流所造成之地表面電位立體圖(參考面為高(台)鐵地網)…………………101
圖5-42 台北車站地區因捷運短路故障時之軌道洩漏電流所造成之步間電壓平面圖(參考面為高(台)鐵地網)…………………....102
圖5-43 台北車站地區因捷運短路故障時之軌道洩漏電流所造成之步間電壓立體圖(參考面為高(台)鐵地網)……………………102
圖5-44 台北車站地區因捷運短路故障時之軌道洩漏電流所造成之接觸電壓平面圖(參考面為高(台)鐵地網)……………………103
圖5-45 台北車站地區因捷運短路故障時之軌道洩漏電流所造成之接觸電壓立體圖(參考面為高(台)鐵地網)……………………103
圖5-46 台北車站地區因捷運短路故障時之軌道洩漏電流所造成之地電位昇(GPR)平面圖(參考面為高(台)鐵地網)……………..104
圖5-47 台北車站地區因捷運短路故障時之軌道洩漏電流所造成之地電位昇(GPR)立體圖(參考面為高(台)鐵地網)……...……...104
圖5-48 台北車站地區因高(台)鐵短路故障時之軌道洩漏電流所造成之地表面電位平面圖(參考面包含全部地網)……………..105
圖5-49 台北車站地區因高(台)鐵短路故障時之軌道洩漏電流所造成之地表面電位立體圖(參考面包含全部地網)……………..105
圖5-50 台北車站地區因高(台)鐵短路故障時之軌道洩漏電流所造成之步間電壓平面圖(參考面包含全部地網)………………..106
圖5-51 台北車站地區因高(台)鐵短路故障時之軌道洩漏電流所造成之步間電壓立體圖(參考面包含全部地網)………………..106
圖5-52 台北車站地區因高(台)鐵短路故障時之軌道洩漏電流所造成之接觸電壓平面圖(參考面包含全部地網)……………..…107
圖5-53 台北車站地區因高(台)鐵短路故障時之軌道洩漏電流所造成之接觸電壓立體圖(參考面包含全部地網)……...………...107
圖5-54 台北車站地區因高(台)鐵短路故障時之軌道洩漏電流所造成之地電位昇(GPR)平面圖(參考面包含全部地網)………...108
圖5-55 台北車站地區因高(台)鐵短路故障時之軌道洩漏電流所造成之地電位昇(GPR)立體圖(參考面包含全部地網)……...…108
圖5-56 台北車站地區因高(台)鐵短路故障時之軌道洩漏電流所造成之磁場強度平面圖(參考面包含全部地網)……………......109
圖5-57 台北車站地區因高(台)鐵短路故障時之軌道洩漏電流所造成之磁場強度立體圖(參考面包含全部地網)….………….…109
圖5-58 接觸電位示意圖……………………………………………..110
圖5-59 步間電壓示意圖……………………………………………..111
圖5-60 直流供電系統示意圖………………………………………..113
圖6-1 雜散電流截流網配置圖………...…………………………….124
圖6-2 高架路線交直流電化鐵路絕緣與接地圖……………………124
圖6-3 交直流電化鐵路共構絕緣與接地圖……………...………….125
圖6-4 地下段車站站體扁鋼互相連結示意圖………………………126
表 索 引


表2.1 不同純度的水的電阻率………………………………………..12
表2.2 不同土質土壤的電阻率………………………………………..12
表2.3 土壤電阻率與土壤大地分類…………………………………..12
表3.1 第三軌與架空線之優劣比較表………………………………..25
表3.2 高鐵變電站沿線里程表………………………………………..26
表3.3 高鐵主變電站之主要設備表…………………..……………....28
表3.4 高鐵饋電區分站之主要設備表………………………………..29
表3.5 高鐵輔助饋電區分站之主要設備表…………………………..29
表3.6 高鐵電車線路(正線)之吊掛方式、電線種類與大小……..35
表3.7 高鐵電車線路(正線以外)之吊掛方式、電線種類與大小..35
表3.8 高鐵饋電線路之架設方法、電線種類與大小………………..35
表4.1 接地工程之種類及適用範圍………...………………………...43
表4.2 捷運主變電站(BSS)各區域的接地分配…………………...45
表4.3 捷運牽引變電站(TSS)各區域的接地分配………………...46
表4.4 捷運車站變電站(SSS)各區域的接地分配………………...46
表4.5 捷運牽引接地之各種接地模式之優、缺點比較表…………..52
表5.1 捷運短路電流計算相關參數表….……...…………………......80
表5.2 捷運雜散電流計算參數表………………………………....…..84
表5.3 捷運、高鐵及台灣接地系統模擬相關數據……….………….87
表6.1 減少雜散電流可行對策及實施方法表…………………….…122
表6.2 排流法保護方式之優、缺點比較表……………………….…123
參 考 文 獻
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