基于TRIZ理論的鋼軌電位控制策略研究

曾潔 嚴(yán)勤 王婷 蒲華強(qiáng) 謝意

摘 ?要：伴隨著城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)的建立，鋼軌電位的理論研究、現(xiàn)場監(jiān)測和防護(hù)問題就一直備受關(guān)注，現(xiàn)在國際上對鋼軌電位的研究較為重視，每年在美國都會舉行一個針對城市軌道交通鋼軌電位研究的學(xué)術(shù)會議，發(fā)達(dá)國家對此方面的研究已經(jīng)取得了很大的收獲，并且很多研究成果已經(jīng)得以接納與采用。文章采用TRIZ發(fā)明方法，對怎樣控制鋼軌電位進(jìn)行了策略研究，并對得出的幾種方法進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，詳細(xì)分析了控制鋼軌電位對雜散電流腐蝕地下金屬管網(wǎng)的原理，并提出合理的調(diào)整方案。

關(guān)鍵詞：TRIZ;鋼軌電位;雜散電流;地下金屬管網(wǎng)

中圖分類號：U284.92 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）01-0068-02

Abstract： With the establishment of the DC traction system of urban rail transit， much attention has been paid to the theoretical research， on-site monitoring and protection of rail potential. Now more attention has been paid to the study of rail potential in the world. Every year in the United States， an academic conference on the study of rail potential of urban rail transit is held in the United States， and great achievements have been made in developed countries in this field. And many research results have been accepted and adopted. By using the method invented by TRIZ， this paper studies how to control the rail potential， makes an economic and technical comparison of several methods， analyzes in detail the principle of controlling the rail potential to corrode the underground metal pipe network by stray current， and puts forward a reasonable adjustment scheme.

Keywords： TRIZ; rail potential; stray current; underground metal pipe network

1 問題的背景及描述

1.1 問題的背景及現(xiàn)象

軌道交通車輛從接觸網(wǎng)獲得電源后，電流又經(jīng)過鋼軌回到牽引所的負(fù)極。這就是車站回流系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，車體與鋼軌等電位導(dǎo)致乘客在上下車的過程中，兩腳之間會出現(xiàn)電位差。為確保乘客的人身安全，在車站回流系統(tǒng)中加入了鋼軌電位限制裝置（OVPD）。該裝置一旦檢測到鋼軌電位危機(jī)人身安全時，就將鋼軌直接接地，降低鋼軌電壓，保障人身安全。動作的另一個現(xiàn)象是鋼軌接地形成的接地電流會引起雜散電流的升高，腐蝕地下金屬管網(wǎng)。

1.2 問題的描述

1.2.1 定義技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

（1）問題所在的技術(shù)系統(tǒng)為車站回流系統(tǒng)。

（2）技術(shù)系統(tǒng)的功能為完成牽引電流的回收。

（3）實(shí)現(xiàn)該技術(shù)系統(tǒng)功能的約束為鋼軌電位限制檢測到鋼軌電位升高使得其動作直接接地，形成接地電流提高雜散電流，腐蝕地下管網(wǎng)。

1.2.2 現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的工作原理

如圖1所示，回流電流通過鋼軌形成鋼軌電位，當(dāng)鋼軌電位升高到危及人身安全時，鋼軌電位限制裝置（OVPD）動作，使得鋼軌直接接地，降低鋼軌電位保障人身安全。

1.2.3 現(xiàn)有技術(shù)存在的問題

鋼軌電位限制裝置（OVPD）動作，使得鋼軌直接接地，引起雜散電流升高，腐蝕地下管網(wǎng)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

2 問題分析

2.1 用TRIZ方法進(jìn)行功能分析

建立組件功能類型如表1所示。

2.2 用TRIZ方法進(jìn)行理想解分析

（1）設(shè)計的最終目的是減少對地下金屬管網(wǎng)的腐蝕作用。

（2）理想解是在保障人身安全前提下，不對地下管網(wǎng)產(chǎn)生腐蝕作用。

（3）達(dá)到理想解的障礙是鋼軌電位危及人身安全時，鋼軌電位限制裝置動作，將鋼軌直接接地，產(chǎn)生雜散電流，腐蝕地下管網(wǎng)。

（4）創(chuàng)造這些條件時可用的資源有時間、電流、電壓、結(jié)構(gòu)、材料、電場力、磁場力等。

3 用TRIZ方法進(jìn)行問題解決

3.1 使用技術(shù)矛盾法

通過技術(shù)方案比較，找出此技術(shù)系統(tǒng)的現(xiàn)有解決方案改善的參數(shù)為可靠性，惡化的參數(shù)為可維修性、 強(qiáng)度、物質(zhì)損失和能量損失。通過查找矛盾矩陣中相應(yīng)單元，可以找出適用于解決該問題的發(fā)明原理為事先預(yù)防原理、預(yù)防作用原理和物理或化學(xué)參數(shù)改變原理。

可考慮的方案如下：（1）在車門處安放絕緣墊，乘客上下車過程中通過絕緣墊不與大地形成回路，不會對人身安全造成威脅，不需要OVPD裝置動作;（2）將地下金屬管網(wǎng)換成塑料材質(zhì)，減少雜散電流造成的電化學(xué)腐蝕。

3.2 分離原理——時間分離

3.2.1 定義物理矛盾

（1）確定沖突參數(shù)：OVPD裝置的動作。

（2）第一要求：要保障乘客上下車時人身安全，需要OVPD裝置接地。

（3）第二要求：要減少雜散電流對地下金屬管網(wǎng)的腐蝕作用，要OVPD不接地。

3.2.2 選擇分離原理查找創(chuàng)新原理

綜合考慮采用分離原理中的時間分離原理來進(jìn)行分析：由于乘客在機(jī)車進(jìn)站?？可舷萝囘^程中才有可能會接觸到鋼軌電位，所以可結(jié)合列車運(yùn)行時刻表，使OVPD裝置在機(jī)車停靠和乘客在上下車過程中，鋼軌電位限制裝置才進(jìn)行鋼軌電位的檢測并在必要時進(jìn)行動作。

4 方案的確定及預(yù)期成果

4.1 技術(shù)方法及評價

通過最終理想解、功能分析、因果鏈分析、技術(shù)矛盾、物理矛盾、物質(zhì)-場模型等多種創(chuàng)新方法的融合運(yùn)用結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，得出4個解決方案，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較詳見表2。

綜合比較后，最優(yōu)解為OVPD裝置在機(jī)車進(jìn)站時啟用，平時閉鎖。

4.2 預(yù)期成果及應(yīng)用

截止至2018年12月，全國共有26個城市開通地鐵，運(yùn)營里程合計5000多公里，2020年至少將有9015個地鐵車站。每年因雜散電流造成的鐵損失量為90150kg，我國每年受雜散電流腐蝕的地下管網(wǎng)價值保守計算為297.5萬元，更換地下管網(wǎng)的人工費(fèi)及物力財力損失更是高達(dá)千萬。希望通過采用本文方法，減少以上這些損失。

參考文獻(xiàn)：

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