基于TRIZ理论的钢轨电位控制策略研究

曾洁 严勤 王婷 蒲华强 谢意

摘  要：伴随着城市轨道交通直流牵引系统的建立，钢轨电位的理论研究、现场监测和防护问题就一直备受关注，现在国际上对钢轨电位的研究较为重视，每年在美国都会举行一个针对城市轨道交通钢轨电位研究的学术会议，发达国家对此方面的研究已经取得了很大的收获，并且很多研究成果已经得以接纳与采用。文章采用TRIZ发明方法，对怎样控制钢轨电位进行了策略研究，并对得出的几种方法进行了经济技术比较，详细分析了控制钢轨电位对杂散电流腐蚀地下金属管网的原理，并提出合理的調整方案。

关键词：TRIZ;钢轨电位;杂散电流;地下金属管网

中图分类号：U284.92        文献标志码：A         文章编号：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 问题的背景及描述

1.1 问题的背景及现象

轨道交通车辆从接触网获得电源后，电流又经过钢轨回到牵引所的负极。这就是车站回流系统。在这个系统中，车体与钢轨等电位导致乘客在上下车的过程中，两脚之间会出现电位差。为确保乘客的人身安全，在车站回流系统中加入了钢轨电位限制装置（OVPD）。该装置一旦检测到钢轨电位危机人身安全时，就将钢轨直接接地，降低钢轨电压，保障人身安全。动作的另一个现象是钢轨接地形成的接地电流会引起杂散电流的升高，腐蚀地下金属管网。

1.2 问题的描述

1.2.1 定义技术系统实现的功能

（1）问题所在的技术系统为车站回流系统。

（2）技术系统的功能为完成牵引电流的回收。

（3）实现该技术系统功能的约束为钢轨电位限制检测到钢轨电位升高使得其动作直接接地，形成接地电流提高杂散电流，腐蚀地下管网。

1.2.2 现有技术系统的工作原理

如图1所示，回流电流通过钢轨形成钢轨电位，当钢轨电位升高到危及人身安全时，钢轨电位限制装置（OVPD）动作，使得钢轨直接接地，降低钢轨电位保障人身安全。

1.2.3 现有技术存在的问题

钢轨电位限制装置（OVPD）动作，使得钢轨直接接地，引起杂散电流升高，腐蚀地下管网，造成巨大经济损失。

2 问题分析

2.1 用TRIZ方法进行功能分析

建立组件功能类型如表1所示。

2.2 用TRIZ方法进行理想解分析

（1）设计的最终目的是减少对地下金属管网的腐蚀作用。

（2）理想解是在保障人身安全前提下，不对地下管网产生腐蚀作用。

（3）达到理想解的障碍是钢轨电位危及人身安全时，钢轨电位限制装置动作，将钢轨直接接地，产生杂散电流，腐蚀地下管网。

（4）创造这些条件时可用的资源有时间、电流、电压、结构、材料、电场力、磁场力等。

3 用TRIZ方法进行问题解决

3.1 使用技术矛盾法

通过技术方案比较，找出此技术系统的现有解决方案改善的参数为可靠性，恶化的参数为可维修性、 强度、物质损失和能量损失。通过查找矛盾矩阵中相应单元，可以找出适用于解决该问题的发明原理为事先预防原理、预防作用原理和物理或化学参数改变原理。

可考虑的方案如下：（1）在车门处安放绝缘垫，乘客上下车过程中通过绝缘垫不与大地形成回路，不会对人身安全造成威胁，不需要OVPD装置动作;（2）将地下金属管网换成塑料材质，减少杂散电流造成的电化学腐蚀。

3.2 分离原理——时间分离

3.2.1 定义物理矛盾

（1）确定冲突参数：OVPD装置的动作。

（2）第一要求：要保障乘客上下车时人身安全，需要OVPD装置接地。

（3）第二要求：要减少杂散电流对地下金属管网的腐蚀作用，要OVPD不接地。

3.2.2 选择分离原理查找创新原理

综合考虑采用分离原理中的时间分离原理来进行分析：由于乘客在机车进站停靠上下车过程中才有可能会接触到钢轨电位，所以可结合列车运行时刻表，使OVPD装置在机车停靠和乘客在上下车过程中，钢轨电位限制装置才进行钢轨电位的检测并在必要时进行动作。

4 方案的确定及预期成果

4.1 技术方法及评价

通过最终理想解、功能分析、因果链分析、技术矛盾、物理矛盾、物质-场模型等多种创新方法的融合运用结合项目的实际情况，得出4个解决方案，并进行经济技术比较详见表2。

综合比较后，最优解为OVPD装置在机车进站时启用，平时闭锁。

4.2 预期成果及应用

截止至2018年12月，全国共有26个城市开通地铁，运营里程合计5000多公里，2020年至少将有9015个地铁车站。每年因杂散电流造成的铁损失量为90150kg，我国每年受杂散电流腐蚀的地下管网价值保守计算为297.5万元，更换地下管网的人工费及物力财力损失更是高达千万。希望通过采用本文方法，减少以上这些损失。

参考文献：

[1]刘杉.基于TRIZ理论分析钢轨扣件的发展与应用研究[D].西南交通大学，2015.

[2]邓明丽.高速及重载铁路牵引回流钢轨电位规律的研究[D].西南交通大学，2009.

[3]王凯建，韩连祥，等.钢轨电位限制器新型控制方式研究[J].都市快轨交通，2012，25（6）：103-105.