基于CDEGS的高速鐵路非載流吊弦區段接觸懸掛和電連接電氣負荷計算

王　強

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司電氣化處，西安　710043)

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基于CDEGS的高速鐵路非載流吊弦區段接觸懸掛和電連接電氣負荷計算

王強

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司電氣化處，西安710043)

摘要：我國部分地區的高速鐵路工程中采用了非載流吊弦，與載流吊弦相比，在接觸懸掛、電連接等電氣負荷方面存在差異。為解決非載流吊弦線路接觸懸掛、電連接等設備電氣負荷特性問題，利用CDEGS軟件，建立仿真計算模型，并通過模擬試驗對仿真模型進行驗證。在此基礎上，建立考慮接觸網導線空間幾何分布的計算模型，對非載流吊弦線路的接觸懸掛、電連接等電氣負荷進行計算研究，結果表明：取流點附近的電連接流過的電流最大，且最大電流不受電連接數量的影響，在中心錨結裝置兩側設電連接可有效抑制電流流過中心錨結裝置，并據此提出電連接設置方案。

關鍵詞：高速鐵路; 接觸網；非載流吊弦;電連接;電流分配

1概述

電氣化鐵路接觸網電連接為接觸線和承力索、承力索和加強線或兩相鄰架空接觸網之間的電流提供一個電氣通路。電連接的設置方案對接觸網載流能力、弓網受流質量、運營安全等有著重要影響。我國已建或在建的高速鐵路一般采用不可調載流整體吊弦[1]，根據對吊弦和電連接的電氣負荷計算[2，3]，通常在接觸網的錨段關節處設置電連接。但是目前的這些計算均忽略了吊弦與電連接間互感、忽略了彈性吊索、并假定吊弦電連接等間隔布置。同時，在一些特殊地區，由于防風等工程需要，接觸網采用了非載流吊弦。與載流吊弦相比，非載流吊弦在吊弦結構、中心錨結裝置等接觸懸掛和電連接裝置的電氣特性方面存在明顯的差異，為此，需要建立更精確的模型對接觸懸掛和電連接電氣負荷計算進行分析研究。

本文根據非載流吊弦高速鐵路電連接設置的實際需要，充分考慮接觸網各導線空間幾何形狀對互感影響等因素，構建了接觸懸掛和電連接電氣負荷計算模型，并建立試驗模型對計算模型進行對比分析，驗證了計算模型的正確性并修正模型參數；利用修正后的計算模型，對非載流吊弦線路的接觸懸掛和電連接電氣負荷計算進行了深入的研究分析。

2計算模型建立及試驗驗證

2.1計算模型建立方法

接觸網電連接負荷計算時，一般將其簡化為一個耦合平行導體的電氣網絡，并通過節點導納矩陣來求解各節點電壓和支路電流[3-6]。但工程實際中，承力索弛度、拉出值、中心錨結裝置分流等因素對電氣負荷均存在一定程度的影響。為更精確地進行負荷計算，需要利用靜態電磁場原理進行建模計算。不考慮電流的暫態過程，根據工程實際情況，將電連接負荷計算考慮為恒定電流的電磁場將能夠獲得足夠的精度。

為簡化計算難度，采用了CDEGS的HIFREQ模塊，建立了接觸網模型。CDEGS是加拿大SES公司推出的集成工程軟件包，該軟件是以電磁理論為基礎寫成的分析軟件，其計算結果具有一定公認性，軟件中HIFREQ是一個獨特的工程工具，可以解決多種電磁問題。

2.2模擬試驗

為驗證計算模型、修正模型輸入參數，進行了模擬試驗：在室外環境條件下，搭建了長25 m的簡單鏈型懸掛接觸網，導線采用CTMH150+JTMH120組合，用電流發生器(輸出電流范圍為0～2 kA)模擬機車取流。模擬試驗接線圖和模擬試驗現場照片分別如圖1、圖2所示。

圖1　模擬試驗接線

圖2　試驗現場

2.3HIFREQ建模與對比

利用CDEGS軟件的HIFREQ模塊，建立了與試驗現場相一致的計算模型，如圖3所示。

通過改變取流點位置，進行多次試驗。以吊弦3為例，計算電流與試驗電流對比結果如表1所示。

通過表1可以看出，計算電流值與試驗電流值差異很小，從而驗證了計算模型的正確性。

圖3　HIFREQ計算模型與計算結果

取流點位置吊弦3試驗電流/A吊弦3計算電流/A誤差/%取流點1113.00114.00-0.88取流點283.0082.600.48取流點329.0028.003.45

3非載流吊弦接觸網電氣負荷計算

3.1仿真模型建立

利用經過試驗驗證的計算方法，分析非載流吊弦線路接觸網負荷計算模型，計算模型按照工程實際建立，并考慮承力索弛度、接觸網拉出值、中心錨結等因素，建立仿真模型如圖4和圖5，可通過圖中吊弦和承力索分段編號調取相應的數據。

模型中接觸網主要參數：接觸線采用CTMH 150鎂銅合金接觸導線，承力索采用JTMH120鎂銅合金絞線，錨段長度為1 400 m，中心錨結繩采用JTMH70鎂銅合金絞線，跨距為50～55 m，采用非載流絕緣吊弦，拉出值為250 mm。

圖4　單錨段仿真計算模型

圖5　仿真計算模型局部放大

3.2電流計算結果

以列車取流900 A為例，對一個錨段內設置不同數量的電連接分別進行仿真計算，結果如表2所示。

根據仿真計算可見，當列車取流點位于電連接附近，流過電連接的電流將達到最大，且其最大電流不受電連接數量影響；當列車取流點位于中心錨結裝置附近時，中心錨結裝置處的連接承力索和接觸線的中心錨結繩和中心錨結線夾有較大電流流過，在中心錨結裝置兩側設置電連接可有效降低流過中心錨結裝置的電流，但在半錨段中部增設電連接裝置對抑制電流流經中心錨結裝置的作用不明顯。

表2　不同電連接數量電流分配仿真計算結果

接觸網電連接、導線等主導電回路的載流能力應與列車取流需求相匹配。以TJR120軟銅絞線為例，其載流能力為486 A(風速0.6 m/s時)[7]，在非載流吊弦線路錨段兩側設2組電連接裝置時，TJR120和電連接線夾[8]載流能力滿足要求。

圖6　接觸網導體電壓計算(單位：V)

中心錨結裝置由中心錨結繩、中心錨結線夾組成，其中連接承力索和接觸線的中心錨結繩為JTMH70，載流能力為340 A(最高允許工作溫度95 ℃時)[9]。在非載流吊弦線路，錨段內設置2處電連接時，中心錨結繩載流能力滿足要求，但由于中心錨結線夾未考慮載流要求[10]，根據接觸網線夾接觸電阻及試驗的研究[11-15]，隨著運行時間的推移，其接觸電阻將可能將會遠超過線夾本身電阻，導致發熱量超標從而影響運行。因此，實際應用中應盡量降低流經中心錨結繩及中心錨結線夾的電流。

3.3電壓計算結果

以列車電流900 A為例，計算承力索、接觸線、吊弦等導體的電壓，吊弦兩端電壓最大值計算如圖6和圖7所示。根據計算可見，吊弦所承受的最大電壓為26 V。

圖7　接觸網導體電壓計算局部放大(單位：V)

由于吊弦兩端存在一定的電壓差，實際應用中采用絕緣吊弦時，須考慮吊弦的絕緣水平和絕緣效果。

4結論

通過利用CDEGS軟件的HIFRQ模塊，對非載流吊弦高速鐵路進行電氣負荷計算，主要結論如下。

(1)在25 m模擬試驗中，仿真模型計算結果與試驗數據幾乎完全一致，驗證了仿真模型的正確性。

(2)由于HIFREQ模塊能進行多種情況下的電磁場計算，本文建立的模型考慮接觸網設備的空間分布特性，其計算結果更加接近工程實際。

(3)根據非載流吊弦高速鐵路電流計算，為降低流經中心錨結裝置的電流，一個錨段內宜設置4組電連接：分布在錨段兩側及中心錨結兩側。

(4)由于絕緣吊弦兩端存在一定的電壓差，工程中采用絕緣吊弦時，應考慮絕緣水平的要求。

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Load Calculation of Non-current Carrying Dropper and Electrical Connection of High-speed Railway OCS Suspension Based on CDEGS

WANG Qiang

(Dept. of Electrified Railway Research and Design， China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：High-speed railway projects in part of China country use non-current carrying dropper. Compared with the current carrying dropper， the non-current carrying dropper is different in electrical load related to contact suspension， electrical connection and etc. In order to solve the problems concerning electrical load performance of the non-current carrying dropper and electrical connection， this paper uses CDEGS software to establish simulation calculation model and verifies the model with simulation tests. On this basis， the calculation model of the spatial distribution of the contact wire is established to calculate and analyze the electrical load of the OCS suspension with non-contact carrier dropper and electrical connection. The results show that the current passing through electrical connection near the current collecting point is the maximum without limiting the number of electrical connection and the electrical connections set on both sides of midpoint anchor can effectively curb the current from flowing across the midpoint anchor， with which the electrical connection arrangement is proposed．

Key words：High-speed railway; OCS; Non-current carrying dropper; Current connection; Current distribution

文章編號：1004-2954(2016)05-0140-04

收稿日期：2015-11-28； 修回日期：2015-02-17

作者簡介：王強(1980—)，男，工程師，2003年畢業于西南交通大學電氣工程及其自動化專業，E-mail：21759110@qq.com。

中圖分類號：U238；U225

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.031