黃文勛
(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司電氣化處,西安 710043)
鐵路接觸網(wǎng)一旦覆冰將嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)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(wǎng)覆冰嚴(yán)重影響了列車的正常運(yùn)行[1]。目前國(guó)內(nèi)外防冰、除冰技術(shù)可分成3大類,即熱力融冰、機(jī)械破冰、自然被動(dòng)方法等[2-3]。借鑒航空和輸電線路防(融)冰成果,經(jīng)過國(guó)內(nèi)工程技術(shù)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(wǎng)與鋼軌(大地)形成融冰回路的接觸網(wǎng)融冰方案[2]。為避免在融冰電流經(jīng)過鋼軌(大地)可能存在的負(fù)面影響,提出了新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案:在復(fù)線區(qū)段將接觸網(wǎng)的上、下行串聯(lián)形成回路[4]。
新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案不需要利用鋼軌作為回流徑路,具有避免產(chǎn)生鋼軌電位的優(yōu)點(diǎn),但與電氣化鐵路正常運(yùn)行方式存在不同。為探索該方案的工程實(shí)施可能性,本文基于電磁場(chǎng)理論,推導(dǎo)了融冰回路阻抗理論計(jì)算公式,驗(yàn)證了新型接觸網(wǎng)融冰方案的可行性;根據(jù)鏡像法對(duì)融冰回路的電場(chǎng)和磁場(chǎng)特性進(jìn)行了定量計(jì)算,得到了不同區(qū)段電磁場(chǎng)的分布特性,并與電氣化鐵路正常工況對(duì)比,計(jì)算結(jié)果表明該融冰回路不會(huì)引起額外的電磁場(chǎng)干擾。
新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案系統(tǒng)接線:牽引變壓器提供融冰電源,接觸網(wǎng)上行接牽引變電所饋線,接觸網(wǎng)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(wǎng)—分區(qū)所上下行并聯(lián)開關(guān)—下行接觸網(wǎng)—融冰限流定位裝置—牽引變壓器接地端子。融冰狀態(tài)下,F(xiàn)線、AT變壓器、F線端子均不投入運(yùn)行。其融冰回路如圖1 所示[4]。
圖1 新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案系統(tǒng)接線圖
由圖1可見,新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案不需利用鋼軌(大地)進(jìn)行回流,可以避免鋼軌電位的產(chǎn)生,對(duì)電氣化鐵路的安全運(yùn)行有利。
新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)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(jù)電力系統(tǒng)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(dǎo)致無法提供足夠的融冰電流。故須對(duì)新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案阻抗進(jìn)行計(jì)算并對(duì)其工程可行性進(jìn)行研究。
由于新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案接線的特殊性,其阻抗計(jì)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(duì)該工況下阻抗計(jì)算模型進(jìn)行推導(dǎo)。
(1)導(dǎo)線電感的一般公式[5]
非鐵磁材料制成的圓柱形長(zhǎng)導(dǎo)線,長(zhǎng)度為l,半徑為r,周圍介質(zhì)為空氣,當(dāng)l?r時(shí),單位長(zhǎng)度的自感為
式中,Ds為圓柱形導(dǎo)線的自幾何均距μ0為磁導(dǎo)率。
兩根平行的長(zhǎng)度為l的圓柱形長(zhǎng)導(dǎo)線,導(dǎo)線軸線間的距離為D,單位長(zhǎng)度互感
(2)融冰回路的等值電抗
根據(jù)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(dǎo)線間距、導(dǎo)線截面對(duì)互感有影響,但這些數(shù)值均在自然對(duì)數(shù)括號(hào)內(nèi),故假定M相等對(duì)工程計(jì)算不會(huì)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(jù)新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案的特點(diǎn),由于電流由接觸網(wǎng)上、下行形成回路,根據(jù)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。
根據(jù)式(8)、(9)再考慮新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案導(dǎo)線的布置,就可以計(jì)算出滿足工程需要的阻抗。以此為基礎(chǔ),可得到新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案與電力系統(tǒng)架空線路融冰的電源容量[6]比較結(jié)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(zhǎng)度30 km計(jì)算,新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)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(wǎng)融冰方案是可行的。
電氣化鐵路電磁兼容問題日益引起各方面關(guān)注[9],新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案下電磁場(chǎng)影響會(huì)否對(duì)人員、設(shè)備造成額外的影響是決定該方案是否可行的關(guān)鍵。目前電氣化鐵路采用的主要牽引網(wǎng)供電方式為帶回流線的直接供電方式和AT供電方式[8]。經(jīng)過國(guó)內(nèi)外電氣化鐵路數(shù)十年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),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(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析,將新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案工頻電磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與帶回流線的直接供電方式和AT供電方式進(jìn)行比較。
(1)理論公式
空間任意一點(diǎn)電位為
由a的電位,可得a點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為:
式中,φa為空間a點(diǎn)電位;p1a為a點(diǎn)與導(dǎo)線1間距;U1為導(dǎo)線1電位。
(2)工頻電場(chǎng)計(jì)算對(duì)比分析
根據(jù)公式(10),對(duì)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(wǎng)融冰方案的電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算[12]。由于供電臂電壓各處并不相同,本文以供電臂首段進(jìn)行比較。計(jì)算結(jié)果如圖2~圖5所示。
圖2 融冰時(shí)電場(chǎng)
圖3 帶回流線的直接供電方式電場(chǎng)
圖4 AT供電方式電場(chǎng)
圖5 地面2 m處3種工況電場(chǎng)比較
由圖2~圖5可見,在采用AT供電方式的線路中,當(dāng)使用新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度高于正常運(yùn)行方式供電方式;在采用TRNF供電方式的線路中,當(dāng)使用新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度低于正常運(yùn)行方式。
(1)理論公式
對(duì)多根導(dǎo)線 1、2…i…n,由其電流I1、I2…Ii…In,得空間任意一點(diǎn)a(x,y)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為
其中
所以a點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度模值為:
(2)計(jì)算結(jié)論及分析
根據(jù)式(11),對(duì)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(wǎng)融冰方案的電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖6~圖9所示。
圖6 融冰時(shí)電場(chǎng)
圖7 帶回流線的直接供電方式磁場(chǎng)
圖8 AT供電方式磁場(chǎng)
圖9 地面2 mm處3種工況磁場(chǎng)比較
由圖9可見,由于新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案上、下行電流方向相反,與正常運(yùn)行相比,在上下線路之間磁場(chǎng)強(qiáng)度增大,在線路外側(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度介于AT與TRNF供電方式之間。故,當(dāng)采用新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案時(shí),線路中間的電氣設(shè)備(比如信號(hào)繼電器、轉(zhuǎn)轍機(jī)等)需要對(duì)其抗電磁干擾能力進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估,對(duì)不滿足要求的需適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng);鐵路沿線的磁感應(yīng)敏感設(shè)備(如油、氣管道)及人員不會(huì)增加額外的電磁干擾。
本文對(duì)新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案的阻抗、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等主要電磁特性進(jìn)行了分析計(jì)算,主要結(jié)論如下。
(1)結(jié)合新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案特點(diǎn),對(duì)其阻抗計(jì)算原理進(jìn)行了推導(dǎo),提出了適合工程需要的新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案阻抗計(jì)算公式。根據(jù)該公式,對(duì)典型新型融冰方案進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)槿诒芈冯娍辜s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(wǎng)融冰方案是可行的。
(2)新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案的電場(chǎng)強(qiáng)度與正常運(yùn)行時(shí)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(wǎng)融冰方案的磁場(chǎng)強(qiáng)度與正常運(yùn)行時(shí)相比,在上下線路之間磁場(chǎng)強(qiáng)度略有增大,在線路外側(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度介于AT供電方式與TRNF供電方式之間。
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