新型電氣化鐵路接觸網融冰方案的主要電磁特性研究

黃文勛

(中鐵第一勘察設計院集團公司電氣化處，西安 710043)

1 概述

鐵路接觸網一旦覆冰將嚴重影響鐵路運行，如1998年京鄭線、2003年哈大線及2008年南方多條電氣化線路均由于接觸網覆冰嚴重影響了列車的正常運行[1]。目前國內外防冰、除冰技術可分成3大類，即熱力融冰、機械破冰、自然被動方法等[2-3]。借鑒航空和輸電線路防(融)冰成果，經過國內工程技術人員的多方案比選，目前采用的方案為:在供電臂末端接入融冰限流裝置由牽引網與鋼軌(大地)形成融冰回路的接觸網融冰方案[2]。為避免在融冰電流經過鋼軌(大地)可能存在的負面影響，提出了新型電氣化鐵路接觸網融冰方案:在復線區段將接觸網的上、下行串聯形成回路[4]。

新型電氣化鐵路接觸網融冰方案不需要利用鋼軌作為回流徑路，具有避免產生鋼軌電位的優點，但與電氣化鐵路正常運行方式存在不同。為探索該方案的工程實施可能性，本文基于電磁場理論，推導了融冰回路阻抗理論計算公式，驗證了新型接觸網融冰方案的可行性;根據鏡像法對融冰回路的電場和磁場特性進行了定量計算，得到了不同區段電磁場的分布特性，并與電氣化鐵路正常工況對比，計算結果表明該融冰回路不會引起額外的電磁場干擾。

2 新型電氣化鐵路接觸網融冰方案系統接線

新型電氣化鐵路接觸網融冰方案系統接線:牽引變壓器提供融冰電源，接觸網上行接牽引變電所饋線，接觸網下行通過融冰限流裝置接牽引變壓器接地端子。融冰電流回路:牽引變壓器饋線端子—上行接觸網—分區所上下行并聯開關—下行接觸網—融冰限流定位裝置—牽引變壓器接地端子。融冰狀態下，F線、AT變壓器、F線端子均不投入運行。其融冰回路如圖1 所示[4]。

圖1 新型電氣化鐵路接觸網融冰方案系統接線圖

由圖1可見，新型電氣化鐵路接觸網融冰方案不需利用鋼軌(大地)進行回流，可以避免鋼軌電位的產生，對電氣化鐵路的安全運行有利。

3 融冰回路阻抗及工程可行性研究

新型電氣化鐵路接觸網融冰方案中，融冰回路中除了有電阻外也必然存在感抗。根據電力系統架空線路短路融冰的研究來看，感抗與電阻的比值將直接決定交流融冰方案是否可行。如果感抗與電阻的比值過大，由于電源容量的限制將導致無法提供足夠的融冰電流。故須對新型電氣化鐵路接觸網融冰方案阻抗進行計算并對其工程可行性進行研究。

3.1 滿足工程運用需要的融冰回路阻抗計算模型推導

由于新型電氣化鐵路接觸網融冰方案接線的特殊性，其阻抗計算既不同于普通電氣化鐵路，更不同于電力架空線路。為滿足工程要求，需對該工況下阻抗計算模型進行推導。

(1)導線電感的一般公式[5]

非鐵磁材料制成的圓柱形長導線，長度為l，半徑為r，周圍介質為空氣，當l?r時，單位長度的自感為

式中，Ds為圓柱形導線的自幾何均距μ0為磁導率。

兩根平行的長度為l的圓柱形長導線，導線軸線間的距離為D，單位長度互感

(2)融冰回路的等值電抗

根據基本公式(1)、(2)，上行接觸線的磁鏈有

式中，ΨJ1為上行接觸線磁鏈;L為上行接觸線自感;IJ1為上行接觸線電流;DS為上行接觸線自幾何均距;MJ1C1為上行接觸線與上行承力索互感;IC1為上行承力索電流;DJ1C1為上行接觸線與上行承力索軸線間距;MJ1C2為上行接觸線與下行承力索互感;IC2為下行承力索電流;DJ1C2為上行接觸線與下行承力索軸線間距;MJ1J2為上行接觸線與下行接觸線互感;IJ2為下行接觸線電流;DJ1J2為上行接觸線與下行接觸線軸線間距。

雖然導線間距、導線截面對互感有影響，但這些數值均在自然對數括號內，故假定M相等對工程計算不會造成影響，則有

式中，Deq為上行接觸線、上行承力索、下行接觸線、下行承力索間幾何均距。

根據新型電氣化鐵路接觸網融冰方案的特點，由于電流由接觸網上、下行形成回路，根據基爾霍夫電流定律，必然有:

由(4)、(5)可得:

即:

同理可求得:

ZJ1、ZC1即為所求。

3.2 新型電氣化鐵路接觸網融冰方案可行性

根據式(8)、(9)再考慮新型電氣化鐵路接觸網融冰方案導線的布置，就可以計算出滿足工程需要的阻抗。以此為基礎，可得到新型電氣化鐵路接觸網融冰方案與電力系統架空線路融冰的電源容量[6]比較結果，如表1所示。

表1 交直流融冰的電源容量(Ta= －5 ℃，di=10 mm，va=5 m/s，t=60 min)

由表1可見，以供電臂長度30 km計算，新型電氣化鐵路接觸網融冰方案電源容量需要4.64 MVA。目前一般鐵路牽引變壓器容量均大于 10 MVA[7，8]，即新型電氣化鐵路接觸網融冰方案是可行的。

4 新型電氣化鐵路接觸網融冰方案工頻電磁場強度

電氣化鐵路電磁兼容問題日益引起各方面關注[9]，新型電氣化鐵路接觸網融冰方案下電磁場影響會否對人員、設備造成額外的影響是決定該方案是否可行的關鍵。目前電氣化鐵路采用的主要牽引網供電方式為帶回流線的直接供電方式和AT供電方式[8]。經過國內外電氣化鐵路數十年的運行經驗，證明帶回流線的直接供電方式和AT供電方式下電氣化鐵路具有較好的電磁兼容[10]。本文利用鏡像法[11]對電磁場進行計算分析，將新型電氣化鐵路接觸網融冰方案工頻電磁場計算結果與帶回流線的直接供電方式和AT供電方式進行比較。

4.1 工頻電場

(1)理論公式

空間任意一點電位為

由a的電位，可得a點的電場強度為:

式中，φa為空間a點電位;p1a為a點與導線1間距;U1為導線1電位。

(2)工頻電場計算對比分析

根據公式(10)，對帶回流線的直接供電方式、AT供電方式及新型電氣化鐵路接觸網融冰方案的電場進行計算[12]。由于供電臂電壓各處并不相同，本文以供電臂首段進行比較。計算結果如圖2～圖5所示。

圖2 融冰時電場

圖3 帶回流線的直接供電方式電場

圖4 AT供電方式電場

圖5 地面2 m處3種工況電場比較

由圖2～圖5可見，在采用AT供電方式的線路中，當使用新型電氣化鐵路接觸網融冰方案時，電場強度高于正常運行方式供電方式;在采用TRNF供電方式的線路中，當使用新型電氣化鐵路接觸網融冰方案時，電場強度低于正常運行方式。

4.2 工頻磁場

(1)理論公式

對多根導線 1、2…i…n，由其電流I1、I2…Ii…In，得空間任意一點a(x，y)的磁場強度為

其中

所以a點的磁場強度模值為:

(2)計算結論及分析

根據式(11)，對帶回流線的直接供電方式、AT供電方式及新型電氣化鐵路接觸網融冰方案的電場進行計算。計算結果如圖6～圖9所示。

圖6 融冰時電場

圖7 帶回流線的直接供電方式磁場

圖8 AT供電方式磁場

圖9 地面2 mm處3種工況磁場比較

由圖9可見，由于新型電氣化鐵路接觸網融冰方案上、下行電流方向相反，與正常運行相比，在上下線路之間磁場強度增大，在線路外側磁感應強度介于AT與TRNF供電方式之間。故，當采用新型電氣化鐵路接觸網融冰方案時，線路中間的電氣設備(比如信號繼電器、轉轍機等)需要對其抗電磁干擾能力進行進一步評估，對不滿足要求的需適當補強;鐵路沿線的磁感應敏感設備(如油、氣管道)及人員不會增加額外的電磁干擾。

5 結論

本文對新型電氣化鐵路接觸網融冰方案的阻抗、電場、磁場等主要電磁特性進行了分析計算，主要結論如下。

(1)結合新型電氣化鐵路接觸網融冰方案特點，對其阻抗計算原理進行了推導，提出了適合工程需要的新型電氣化鐵路接觸網融冰方案阻抗計算公式。根據該公式，對典型新型融冰方案進行計算。因為融冰回路電抗約為電阻的2倍，一般鐵路牽引變壓器容量均能滿足要求，即新型電氣化鐵路接觸網融冰方案是可行的。

(2)新型電氣化鐵路接觸網融冰方案的電場強度與正常運行時相比，介于AT供電方式和TRNF供電方式之間。

(3)新型電氣化鐵路接觸網融冰方案的磁場強度與正常運行時相比，在上下線路之間磁場強度略有增大，在線路外側磁感應強度介于AT供電方式與TRNF供電方式之間。

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