臺灣博碩士論文加值系統

典型高運量捷運系統電車牽引動力採直流供電並以行車軌做為路徑，牽引動力之電流係由牽引動力變電站經第三軌送至電聯車上。這些牽引電流再經鋼軌回流至牽引動力變電站的負端，在此部分牽引電流會經行車鋼軌洩漏至大地，稱為雜散電流，而行車鋼軌相對於大地之間的電位稱為軌道電位。雜散電流是直流對鐵質結構物及管路等都會加速其腐蝕(稱為電蝕現象)，對於一些敏感的系統亦可能造成干擾，因此，雜散電流可是一種公害，有必要加以評估。至於軌道電位的上升，則會影響軌道相關設備及維護人員的安全。為此，本研究針對兩種可能的電車供電方式，即單邊供電及雙邊供電兩種方式探討其雜散電流及軌道電位，首先推導其軌道電流及雜散電流分佈公式，並定義了累積雜散電流、雜散電流長度及雜散電荷長度等做為評估雜散電流影響的指標，這些指標的分析方式亦將加以推導。文中將以典型大台北都會區兩條大運量捷運系統進行詳細之模擬與分析，其中考慮電車之負載量及位置變化，最後將根據分析結果評估其可能之影響。

Typical heavy carriage rapid transit system adopts DC as traction power and takes rails as current return path. Traction current is delivered for traction substation through the third rail to the vehicle, and then returns to the negative end of traction power substation through steel rail. A portion of traction current will leak from the steel rialto the ground; which is called “stray current”, and the voltage between steel rail and ground is called rail-to-ground potential. The stray current is dc-current which will produce severe electrical corrosive effects on iron （or steel）structures, pipes, etc. Further more, some sensitive system may suffer from interference from stray current. Therefore, stray current can be regarded as a public detriment. And besides, the rise of rail-to-ground potential may bring threat to the safety of personnel and railway related equipments. This thesis focuses on two appropriate types of power supply source to train namely“single-side source” and “double-side source” respectively. Firstly, the equations of rail current and stray current distributions along the railway with respect to each type of power source are derived, theoretically, and then the accumulative stray current, stray current-length and stray charge-length are defined as the indexes for assessing the affections of stray current. These index equations will also be derived. This thesis will conduct detailed analysis and simulation on the two typical lines of heavy carriage rapid transit system in Taipei urban area, with the variation of carriage load and positions taken into consideration. Finally, potential threats and influence will be evaluated based on the analysis result.

目 錄
摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iv
目 錄 v
表目錄 viii
圖目錄 x
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 相關研究概況 2
1.2.1 國外研究情形 2
1.2.2 國內研究情形 3
1.3 研究重點 4
1.4 各章重點 4
第二章 捷運供電系統及牽引動力系統接地方式介紹 6
2.1 前言 6
2.2 捷運供電系統之介紹 6
2.2.1 系統架構及供電方式 6
2.2.2 交流供電系統架構及方式 7
2.2.3 直流牽引動力供電方式 8
2.2.4 單邊供電方式 9
2.2.5 雙邊供電方式 10
2.2.6 捷運主變電站（BSS） 12
2.2.7 捷運牽引動力變電站（TSS） 13
2.2.8 捷運車站變電站（SSS） 16
2.2.9 第三軌 17
2.3牽引動力系統之接地方式之介紹 18
2.3.1直接接地系統（Solidly Grounded） 19
2.3.2二極體接地系統（Diode Grounded） 20
2.3.3非接地系統（Ungrounded Grounded） 21
第三章 雜散電流之成因及影響 23
3.1前言 23
3.2雜散電流之成因 23
3.2.1直流雜散電流 24
3.2.2交流雜散電流 25
3.3 雜散電流之影響 27
3.3.1 電蝕問題及案例描述 27
3.3.2 干擾問題描述 32
3.3.3 人畜安全問題描述 33
第四章 雜散電流理論推導與分析 34
4.1 前言 34
4.2單邊供電方式的雜散電流分析 34
4.2.1 電車位於分斷開關左邊 37
4.2.2 電車位於分段開關右邊 39
4.2.3 分析項目及演算法之建立 41
4.3雙邊供電方式之雜散電流分析 46
4.3.1理論之推導 46
4.3.2分析演算法之建立 50
第五章 軌道電位及雜散電流分析 53
5.1前言 53
5.2 分析案例之系統參數描述 53
5.3雜散電流分佈特性 57
5.3.1最大雜散電流密度分佈 57
5.3.2 累積雜散電流 66
5.3.3雜散電流長度指標 75
5.3.4雜散電荷長度指標 84
5.4軌道電位分佈特性 86
5.5問題檢討 95
第六章 影響與評估 97
6.1前言 97
6.2軌道電位安全評估 97
6.3金屬腐蝕評估 98
第七章 結論與未來展望 106
7.1結論 106
7.2未來展望 106
參考文獻 107
附錄A 捷運模擬分析圖 110

[1] T.J. Barlo, A. D. Zdunek and R.N. Johnson, “Stray Current Corrosion in Electrified Rail Systems”, BIRL Proposal, pp. 93-127.
[2] 曾乙申，捷運與輕軌供電系統電腦化模擬（上）-列車運行模擬，捷運技術半年刊，第27期，第161-184頁，民國91年8月。
[3] 周至如，捷運系統之軌道雜散電流分析，電機技師，78期，第99-127頁，民國88年12月。
[4] 劉志文、李美蘭，「台北捷運系統淡水-新店線車行軌道之接觸電位分析」，，第二十一屆電力研討會論文，民國89年12月。
[5] 李美蘭，台北捷運系統淡水-新店線車行軌道之接觸電位分析，國立台灣大學碩士論文，民國89年。
[6] C.H. Lee, H.M. Wang, “Effects of grounding schemes on rail potential and stray currents in Taipei rail transit systems”, IEE Proc. Electr. Power Appl., Vol. 148, N02, PP148~154, March 2001.
[7] 周至如，“桃園都會區大眾捷運系統環境影響評估”，中華顧問工程司研究報告，民國88年。
[8]黃森榮、顏坤鴻、徐守青、何湘麟，捷運供電系統之規劃與設計，台北捷運十週年工程技術研討會論文集，民國86年。
[9]楊明強，捷運高運量供電系統簡介，捷運技術半年刋，第18期，第97~100頁，民國87年2月。
[10] 顏坤鴻，採用直接接地、二極體接地及非接地方式之直流鋼軌系統的雜散電流特性，捷運技術半年刋，第21期，民國88年8月。
[11] 廖致霖，直流與交流電氣化鐵路系統在共構區域之接地干擾與安全評估，國立台灣科技大學碩士論文。
[12] 曾建中，捷運系統軌道之雜散電流分析，私立中原大學碩士論文，民國89年。
[13] EN 50122-2, “Railway applications Fixed Installations Part 2: Protective provisions against the effects of stray currents caused by d.c. traction systems”, European Committee for Electrotechnical Standardisation (CENELEC), May 1998.
[14]RP 0169:2002, “Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems”, National Association of Corrosion Engineers (NACE), 2002.
[15]DIN 30676-1985, “Design and application of cathodic protection of external surfaces”, Deutsches Institut f f Normung(DIN), October 1985.
[16]BS 7361-1:1991, “Cathodic protection. Code of practice for land and marine applications”, British Standard Institution(BSI), 1991.
[17]DIN 50925-1992, “Verification of the effectiveness of the cathodic protection of buried structures”, Deutsches Institut f f Normung(DIN), October 1992
[18] 高速鐵路工程局，高速鐵路之電磁干擾及防制研究（三），民國87年12月。
[19] 張詩錦，電蝕現象與抑制方法，電機技師，第228-233頁，民國89年12月。
[20] 周曉軍，高波，地鐵迷流對鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕的試驗研究，鐵道學報，
第21卷，第五期，民國88年。
[21] 電気學會 電食防止研究委員會，「新版電食．土壌腐食ハンドブック」，東京。
[22]SY 0007-1999，鋼質管道及儲罐腐蝕控制工程設計規範，中華人民共和國石油天然氣行業標準，民國88年。
[23]W.H. Bruckner, “The Effects of 60 Cycle Alternating Current on the Corrosion of steels and other Metals Buried in Soils”, University of Illinois, Bulletin 470 , November 1964.
[24]G. Luoni, P. Anelli, “Armor Corrosion in Single Core Submarine AC Cables”, IEEE PES Sysposium.
[25]S.B. Lalvani, G. Zhang, “The Corrosion of Carbon steel in a Chloride Environment Due to Periodic Voltage Modulation: Part 1”, Corrosion Science, pp.1572, Vol.37, NO10, 1995.
[26]D.Funk, W.Prize, H-G Schwenk, “Investigation of AC Corrosion in Cathodically Protected Pipes.”, 3R Internaional 31, Issue 6, pp.336-341, June 1992.
[27]G.Helm, Th. Heim, H. Heinzen, W.Schwenk, “Investigation of Corrosion of Cathodically Protected Steel Subjected to Alternating Currents”, 3R Internaional,32,Issue 5, pp.246-249, MAY 1993
[28]W. Prinz, “AC Induced Corrosion on Cathodically Protected Pipelines”, UK Corrosion 92, Vol. 1, 1992.
[29] T. J. Barlo, A. D. Zdunek and R. N. Johnson, “Stray Current Corrosion in Electrified Rail Systems”, BIRL Proposal, pp. 93-127.
[30] 宮瀨淳，「電食をどう理解するか」，OHM，第17-21頁，1980年6月。
[31]孫慧珍、胡士信、廖宇平編著，「地下設施的腐蝕與防護」，北京，科學出版社，2001年。
[32] M. J. Szeliga (Editor), “Stray Current Corrosion”, NACE International, 1994.
[33]W. Prinz, “AC Induced Corrosion on Cathodically Protected Pipelines”, UK Corrosion 92, Vol. 1, 1992.
[34] 台北大眾捷運股份有限公司，路線圖暨車站資訊http://www.trtc.com.tw/.