基于CDEGS的高速鐵路非載流吊弦區(qū)段接觸懸掛和電連接電氣負(fù)荷計(jì)算

王　強(qiáng)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(qū)段接觸懸掛和電連接電氣負(fù)荷計(jì)算

王強(qiáng)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化處，西安710043)

摘要：我國(guó)部分地區(qū)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(fù)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(shè)備電氣負(fù)荷特性問(wèn)題，利用CDEGS軟件，建立仿真計(jì)算模型，并通過(guò)模擬試驗(yàn)對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，建立考慮接觸網(wǎng)導(dǎo)線空間幾何分布的計(jì)算模型，對(duì)非載流吊弦線路的接觸懸掛、電連接等電氣負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算研究，結(jié)果表明：取流點(diǎn)附近的電連接流過(guò)的電流最大，且最大電流不受電連接數(shù)量的影響，在中心錨結(jié)裝置兩側(cè)設(shè)電連接可有效抑制電流流過(guò)中心錨結(jié)裝置，并據(jù)此提出電連接設(shè)置方案。

關(guān)鍵詞：高速鐵路; 接觸網(wǎng)；非載流吊弦;電連接;電流分配

1概述

電氣化鐵路接觸網(wǎng)電連接為接觸線和承力索、承力索和加強(qiáng)線或兩相鄰架空接觸網(wǎng)之間的電流提供一個(gè)電氣通路。電連接的設(shè)置方案對(duì)接觸網(wǎng)載流能力、弓網(wǎng)受流質(zhì)量、運(yùn)營(yíng)安全等有著重要影響。我國(guó)已建或在建的高速鐵路一般采用不可調(diào)載流整體吊弦[1]，根據(jù)對(duì)吊弦和電連接的電氣負(fù)荷計(jì)算[2，3]，通常在接觸網(wǎng)的錨段關(guān)節(jié)處設(shè)置電連接。但是目前的這些計(jì)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(shí)，在一些特殊地區(qū)，由于防風(fēng)等工程需要，接觸網(wǎng)采用了非載流吊弦。與載流吊弦相比，非載流吊弦在吊弦結(jié)構(gòu)、中心錨結(jié)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(duì)接觸懸掛和電連接電氣負(fù)荷計(jì)算進(jìn)行分析研究。

本文根據(jù)非載流吊弦高速鐵路電連接設(shè)置的實(shí)際需要，充分考慮接觸網(wǎng)各導(dǎo)線空間幾何形狀對(duì)互感影響等因素，構(gòu)建了接觸懸掛和電連接電氣負(fù)荷計(jì)算模型，并建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)計(jì)算模型進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性并修正模型參數(shù)；利用修正后的計(jì)算模型，對(duì)非載流吊弦線路的接觸懸掛和電連接電氣負(fù)荷計(jì)算進(jìn)行了深入的研究分析。

2計(jì)算模型建立及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1計(jì)算模型建立方法

接觸網(wǎng)電連接負(fù)荷計(jì)算時(shí)，一般將其簡(jiǎn)化為一個(gè)耦合平行導(dǎo)體的電氣網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣來(lái)求解各節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流[3-6]。但工程實(shí)際中，承力索弛度、拉出值、中心錨結(jié)裝置分流等因素對(duì)電氣負(fù)荷均存在一定程度的影響。為更精確地進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，需要利用靜態(tài)電磁場(chǎng)原理進(jìn)行建模計(jì)算。不考慮電流的暫態(tài)過(guò)程，根據(jù)工程實(shí)際情況，將電連接負(fù)荷計(jì)算考慮為恒定電流的電磁場(chǎng)將能夠獲得足夠的精度。

為簡(jiǎn)化計(jì)算難度，采用了CDEGS的HIFREQ模塊，建立了接觸網(wǎng)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(chǔ)寫成的分析軟件，其計(jì)算結(jié)果具有一定公認(rèn)性，軟件中HIFREQ是一個(gè)獨(dú)特的工程工具，可以解決多種電磁問(wèn)題。

2.2模擬試驗(yàn)

為驗(yàn)證計(jì)算模型、修正模型輸入?yún)?shù)，進(jìn)行了模擬試驗(yàn)：在室外環(huán)境條件下，搭建了長(zhǎng)25 m的簡(jiǎn)單鏈型懸掛接觸網(wǎng)，導(dǎo)線采用CTMH150+JTMH120組合，用電流發(fā)生器(輸出電流范圍為0～2 kA)模擬機(jī)車取流。模擬試驗(yàn)接線圖和模擬試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片分別如圖1、圖2所示。

圖1　模擬試驗(yàn)接線

圖2　試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2.3HIFREQ建模與對(duì)比

利用CDEGS軟件的HIFREQ模塊，建立了與試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)相一致的計(jì)算模型，如圖3所示。

通過(guò)改變?nèi)×鼽c(diǎn)位置，進(jìn)行多次試驗(yàn)。以吊弦3為例，計(jì)算電流與試驗(yàn)電流對(duì)比結(jié)果如表1所示。

通過(guò)表1可以看出，計(jì)算電流值與試驗(yàn)電流值差異很小，從而驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性。

圖3　HIFREQ計(jì)算模型與計(jì)算結(jié)果

取流點(diǎn)位置吊弦3試驗(yàn)電流/A吊弦3計(jì)算電流/A誤差/%取流點(diǎn)1113.00114.00-0.88取流點(diǎn)283.0082.600.48取流點(diǎn)329.0028.003.45

3非載流吊弦接觸網(wǎng)電氣負(fù)荷計(jì)算

3.1仿真模型建立

利用經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的計(jì)算方法，分析非載流吊弦線路接觸網(wǎng)負(fù)荷計(jì)算模型，計(jì)算模型按照工程實(shí)際建立，并考慮承力索弛度、接觸網(wǎng)拉出值、中心錨結(jié)等因素，建立仿真模型如圖4和圖5，可通過(guò)圖中吊弦和承力索分段編號(hào)調(diào)取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

模型中接觸網(wǎng)主要參數(shù)：接觸線采用CTMH 150鎂銅合金接觸導(dǎo)線，承力索采用JTMH120鎂銅合金絞線，錨段長(zhǎng)度為1 400 m，中心錨結(jié)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(jì)算模型

圖5　仿真計(jì)算模型局部放大

3.2電流計(jì)算結(jié)果

以列車取流900 A為例，對(duì)一個(gè)錨段內(nèi)設(shè)置不同數(shù)量的電連接分別進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)仿真計(jì)算可見，當(dāng)列車取流點(diǎn)位于電連接附近，流過(guò)電連接的電流將達(dá)到最大，且其最大電流不受電連接數(shù)量影響；當(dāng)列車取流點(diǎn)位于中心錨結(jié)裝置附近時(shí)，中心錨結(jié)裝置處的連接承力索和接觸線的中心錨結(jié)繩和中心錨結(jié)線夾有較大電流流過(guò)，在中心錨結(jié)裝置兩側(cè)設(shè)置電連接可有效降低流過(guò)中心錨結(jié)裝置的電流，但在半錨段中部增設(shè)電連接裝置對(duì)抑制電流流經(jīng)中心錨結(jié)裝置的作用不明顯。

表2　不同電連接數(shù)量電流分配仿真計(jì)算結(jié)果

接觸網(wǎng)電連接、導(dǎo)線等主導(dǎo)電回路的載流能力應(yīng)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(fēng)速0.6 m/s時(shí))[7]，在非載流吊弦線路錨段兩側(cè)設(shè)2組電連接裝置時(shí)，TJR120和電連接線夾[8]載流能力滿足要求。

圖6　接觸網(wǎng)導(dǎo)體電壓計(jì)算(單位：V)

中心錨結(jié)裝置由中心錨結(jié)繩、中心錨結(jié)線夾組成，其中連接承力索和接觸線的中心錨結(jié)繩為JTMH70，載流能力為340 A(最高允許工作溫度95 ℃時(shí))[9]。在非載流吊弦線路，錨段內(nèi)設(shè)置2處電連接時(shí)，中心錨結(jié)繩載流能力滿足要求，但由于中心錨結(jié)線夾未考慮載流要求[10]，根據(jù)接觸網(wǎng)線夾接觸電阻及試驗(yàn)的研究[11-15]，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，其接觸電阻將可能將會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)線夾本身電阻，導(dǎo)致發(fā)熱量超標(biāo)從而影響運(yùn)行。因此，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量降低流經(jīng)中心錨結(jié)繩及中心錨結(jié)線夾的電流。

3.3電壓計(jì)算結(jié)果

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

圖7　接觸網(wǎng)導(dǎo)體電壓計(jì)算局部放大(單位：V)

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

4結(jié)論

通過(guò)利用CDEGS軟件的HIFRQ模塊，對(duì)非載流吊弦高速鐵路進(jìn)行電氣負(fù)荷計(jì)算，主要結(jié)論如下。

(1)在25 m模擬試驗(yàn)中，仿真模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)幾乎完全一致，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

(2)由于HIFREQ模塊能進(jìn)行多種情況下的電磁場(chǎng)計(jì)算，本文建立的模型考慮接觸網(wǎng)設(shè)備的空間分布特性，其計(jì)算結(jié)果更加接近工程實(shí)際。

(3)根據(jù)非載流吊弦高速鐵路電流計(jì)算，為降低流經(jīng)中心錨結(jié)裝置的電流，一個(gè)錨段內(nèi)宜設(shè)置4組電連接：分布在錨段兩側(cè)及中心錨結(jié)兩側(cè)。

(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(shí)，應(yīng)考慮絕緣水平的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐵道部科學(xué)技術(shù)司，鐵道部運(yùn)輸局.200～250 km/h電氣化鐵路接觸網(wǎng)裝備暫行技術(shù)條件(OCS-2)[S].北京：鐵道部科學(xué)技術(shù)司，鐵道部運(yùn)輸局，2009.

[2]韓魯斌.高速鐵路接觸網(wǎng)吊弦、電連接設(shè)置方案研究[J].電氣化鐵道，2013(4):1-4.

[3]陳學(xué)光.電氣化鐵路接觸懸掛吊弦和電連接的電氣負(fù)荷計(jì)算[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2014(5):85-89.

[4]KieBling，Puschamann，Schmieder.電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[5]楚振宇.復(fù)線電氣化鐵路直供牽引網(wǎng)載流能力的計(jì)算[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2010(8):87-90.

[6]楚振宇.直供全并聯(lián)供電方式牽引網(wǎng)載流能力分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2011(9):88-91.

[7]德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)(DIN).DIN 43138—1980架空線設(shè)備和回流的柔性電纜[S].德國(guó)：1980.

[8]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 2075.1—2010電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件 第11部分：電連接裝置[S].北京：中華人民共和國(guó)鐵道部，2010.

[9]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 3111—2005電氣化鐵道用銅及銅合金絞線[S].北京：中華人民共和國(guó)鐵道部，2005.

[10]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 2075.6—2010電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件 第6部分：中心錨結(jié)裝置[S].北京：中華人民共和國(guó)鐵道部，2010.

[11]趙世耕.接觸網(wǎng)安全運(yùn)行的研究[M].西安：鄭州鐵路局西安科研所，1998.

[12]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司. 接觸網(wǎng)防(融)冰裝置運(yùn)行試驗(yàn)科研試驗(yàn)報(bào)告[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2013.

[13]許軍，李坤.電接觸的接觸電阻研究[J].電工材料，2011(1):10-13.

[14]賈志洋，程立明.電氣化鐵路用壓接式接觸線電連接線夾試驗(yàn)與分析研究[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2012(4):27-31.

[15]邢彤.接觸網(wǎng)零部件電熱循環(huán)試驗(yàn)的試驗(yàn)方法探討[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2012(12):44-46.

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(hào)：1004-2954(2016)05-0140-04

收稿日期：2015-11-28； 修回日期：2015-02-17

作者簡(jiǎn)介：王強(qiáng)(1980—)，男，工程師，2003年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，E-mail：21759110@qq.com。

中圖分類號(hào)：U238；U225

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.031