地鐵牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)電磁場空間分布研究

姚 磊

中鐵十一局集團電務(wù)工程有限公司，湖北武漢 430070

針對本文所討論的問題來說，地鐵牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)的主要功能是為地鐵運行提供動力，同時，這一系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)過程中將會對周圍環(huán)境中的電磁場分布產(chǎn)生一定影響。結(jié)合目前狀況來說，關(guān)于地鐵供電接觸網(wǎng)電磁場空間分布的研究相對較少，相關(guān)的工作人員在對供電系統(tǒng)進行建設(shè)過程中無從參考，因此，本文將結(jié)合現(xiàn)階段較為常用的兩種供電方式對其電磁場空間分布進行研究。

1 地鐵牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)

1.1 DC750V接觸軌供電

DC750V接觸軌供電方式具備供電結(jié)構(gòu)簡單、供電狀態(tài)穩(wěn)定、故障率低、便于維護檢修等特點。在這一系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，相關(guān)工作人員要注意以下幾點問題：①安裝保護罩。在城市軌道交通地面段或高架段，接觸軌長時間的暴露在空氣中，雨水等天氣將很有可能導(dǎo)致接觸軌出現(xiàn)腐蝕或損傷，因此，接觸軌供電系統(tǒng)中必須配備保護罩。②使用接觸軌的線路要全面封閉。在地鐵行駛的過程中，工作人員或乘客觸碰到接觸軌或集電靴時很有可能發(fā)生觸電而導(dǎo)致死亡等嚴重安全事故，因此，DC750V接觸軌供電系統(tǒng)的使用必須建立在線路完全封閉的前提下。

1.2 DC1500V架空接觸網(wǎng)供電

相比較于接觸軌供電系統(tǒng)來說，DC1500V架空接觸網(wǎng)供電方式的使用能夠有效避免斷線事故的發(fā)生，同時，當?shù)罔F出現(xiàn)區(qū)間停運事故時，需要被疏散的乘客及地面檢修人員的安全也能得到更好的保證。但是，這一供電方式也存在一定缺陷，例如：架空接觸網(wǎng)導(dǎo)線架設(shè)位置較高，不易于檢修工作的展開；當系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)斷線事故時，檢修人員需要花費較長的時間確定故障位置并進行維修等。

綜合以上內(nèi)容，除了在供電電壓上的區(qū)別之外，這兩種供電方式在電氣特性及技術(shù)性能等方面都存在著較大的差異，本文將在后續(xù)內(nèi)容中研究這兩種供電方式對電磁空間分布所帶來的影響。

2 有限元法

簡單來說，有限元法就是以變分原理和剖分插值為基礎(chǔ)的一種數(shù)值計算方法。即將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體，對各個單元進行分析，并將這些分析結(jié)果組合在一起，進而得到對整個對象的分析結(jié)果。結(jié)合這一思想，有限元法的計算步驟如下：將場域剖分成有限個單元，單元間通過節(jié)點相連；在每個單元內(nèi)部結(jié)合求解函數(shù)值與坐標之間的關(guān)系得到插值函數(shù)；將上一步驟中得到的函數(shù)帶入能量泛函積分式，并將泛函離散化為多元函數(shù)，得到一個代數(shù)方程組；最后使用計算機求得場域內(nèi)位函數(shù)分布的數(shù)值解。

由于有限元法自身的特性，這一計算方法被廣泛的應(yīng)用于連續(xù)介質(zhì)和場之中，對于本文所討論的地鐵牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)電磁場空間分布來說也同樣適用，本文將在后續(xù)內(nèi)容中結(jié)合有限元法對這一問題進行詳細研究。

3 地鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)電磁場空間分布研究

3.1 DC750V接觸軌供電系統(tǒng)

3.1.1 接觸軌供電

接觸軌是城市軌道交通線路敷設(shè)的與軌道平行的附加軌，因為這一特性，接觸軌在實際的應(yīng)用過程中也經(jīng)常被稱為第三軌，第三軌是接觸軌供電方式模型中向電動車組提供電能的主要結(jié)構(gòu)。接觸軌供電方式模型中的主要參數(shù)如下：電壓額定值為DC750V，電壓允許波動范圍為500～900V，最大持續(xù)電流有效值為3000A。這一供電方式具體的工作流程如下：供應(yīng)給軌道交通的電流經(jīng)過走行軌返回牽引變電所，接觸軌接牽引變電所正極，走行軌接負極。

3.1.2 電磁分布

具體的求解思路如下：首先，利用有限元法將電磁場分布的求解區(qū)域剖分成有限個單元；其次，在各個單元中構(gòu)造插值函數(shù)得到每個單元空間的電磁場；最后，利用各個單元的計算結(jié)果逼近得到整個區(qū)域的電磁場。對DC750V接觸軌供電方式在有車和無車狀態(tài)下的電場分布進行分析，可以得到：在有車的狀況下，電場主要集中分布在接觸軌周圍，而在無車狀況下，電場則分布在整個空間內(nèi)。同時，無論有無車輛通行，這一系統(tǒng)中電位和電場強度最大的位置均在接觸軌處。結(jié)合以上內(nèi)容，可以分析出，DC750V接觸軌供電方式磁場分布的特點如下：與電場分布類似，有無列車通行對這一供電系統(tǒng)內(nèi)磁場的分布與強度并無影響，系統(tǒng)中磁場主要分布在接觸軌和走行軌處，其中，接觸軌處磁失位和磁感應(yīng)強度最大。由于磁感應(yīng)強度大小與電流密度強度大小是成正比的，因此，在DC750V供電方式中，接觸軌的磁感應(yīng)強度大于走行軌磁感應(yīng)強度。

3.2 DC1500V架空接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)

3.2.1 架空接觸網(wǎng)供電

本文主要對剛性架空接觸網(wǎng)進行介紹，這里的剛性主要指的是剛性懸掛。這種懸掛方式相比較于柔性懸掛具備更好的安全性和適應(yīng)性，在運行維護工作上的復(fù)雜性也更低一些。結(jié)合以上內(nèi)容，DC1500V架空接觸網(wǎng)主要采用絕緣子來懸掛剛性導(dǎo)線，類比來說，這一供電方式可以被視作將第三軌懸掛到了隧道頂部，這樣的處理方式不但能夠增加導(dǎo)線與地面之間的距離，同時也能降低車輛上方的空間。這一系統(tǒng)中具體的參數(shù)設(shè)置如下：接觸線上的額定電壓值為DC1500V，電壓在1000～1800V的范圍內(nèi)波動，最大持續(xù)電流有效值為3000A。工作方式包括：提供給軌道交通的電流經(jīng)過走行軌返回牽引變電所，接觸線接牽引變電所正極，走行軌接負極。

3.2.2 電磁分布

這一系統(tǒng)中電磁場空間分布的求解方式與上文中完全一致，本文不再進行重復(fù)論述。對這一供電體系中的電場分布進行分析可以得到：在有車情況下，電位主要分布在接觸線和匯流排處，無車狀況下，電位則分布在整個空間內(nèi)；對于電場強度來說，接觸線和匯流排處是電場最強的位置，同時，這一特性并不會隨著有車無車的狀況而改變；對于電位的變化情況來說，整個空間內(nèi)電位的大小與距離接觸線和匯流排的遠近成反比。結(jié)合以上內(nèi)容，DC1500V架空接觸網(wǎng)供電方式磁場分布特點如下：在這一系統(tǒng)中，磁失位主要分布在接觸線、匯流排以及走行軌處，其中，走行軌處的磁失位最大，結(jié)合上文中的內(nèi)容，接觸線及匯流排處的電流密度要大于走行軌處的電流密度，而由于走行軌的磁導(dǎo)率遠大于以上兩種材料，因此，磁失位的最大值位于走行軌處。也就是說，供電系統(tǒng)中的磁場分布不僅與電流密度有關(guān)，同時也與磁導(dǎo)率有關(guān)。

3.3 兩種供電方式電磁場分布比較

3.3.1 電場比較

上文中已經(jīng)提到，架空接觸網(wǎng)供電方式可以等同于將第三軌懸掛到隧道頂部，因此，這兩種供電系統(tǒng)在電場分布上體現(xiàn)出的特性是大體相似的。接觸軌供電方式中接觸軌處電位最大，架空接觸網(wǎng)供電方式中接觸線及匯流排處電位最大。同時，這兩種系統(tǒng)中電位的分布都會被通車情況影響，因此，相關(guān)人員在對城市軌道交通電場模型進行研究的過程中，應(yīng)將機動車組是否運行也作為主要的影響因素之一進行考量。對于DC750V接觸軌供電方式與DC1500V架空接觸網(wǎng)供電方式之間的電氣特性進行分析，前者在接觸軌處電場最強，而為了提升靜電安全性、降低泄漏電流，系統(tǒng)構(gòu)建過程中應(yīng)盡量采用高絕緣性的介質(zhì)來支撐接觸軌。對于DC1500V架空接觸網(wǎng)供電方式來說，這一系統(tǒng)的應(yīng)用雖然能對接觸軌所表現(xiàn)出的電氣特性進行改善，但同時，由于接觸線和匯流排處的電場強度要高于DC750V接觸軌供電方式的電場強度，因此，這一系統(tǒng)的構(gòu)建應(yīng)采用具備更高絕緣性的介質(zhì)來懸掛匯流排。

3.3.2 磁場比較

接觸軌屬于良好的磁導(dǎo)體，而DC1500V架空接觸網(wǎng)中的接觸線和匯流排則屬于非磁導(dǎo)體，因此，這兩種供電系統(tǒng)在磁場分布上存在著較大的差異。在DC750V接觸軌供電方式下，最大磁失位和磁感應(yīng)強度在接觸軌處，而在DC1500V架空接觸網(wǎng)供電方式下，最大磁失位和磁感應(yīng)強度則在走行軌處。對于磁場強度來說，DC750V接觸軌供電系統(tǒng)中的磁場強度要更高一些，因此，相關(guān)的設(shè)計人員在工作過程中必須考慮到走行軌磁場對于軌道交通信號系統(tǒng)中信號線排布的影響。

4 結(jié)語

綜上，在對相關(guān)概念進行介紹的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合有限元法對DC750V接觸軌供電方式模型以及DC1500V架空接觸網(wǎng)供電模型的電場分布以及磁場分布狀況進行了分析，對分析結(jié)果進行研究發(fā)現(xiàn)，這兩種供電方式在電氣特性、技術(shù)性能等方面各有優(yōu)缺。結(jié)合本文所討論的內(nèi)容，設(shè)計人員將能在地鐵接觸網(wǎng)工程設(shè)計中獲取更多的理論支持和決策依據(jù)。

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