地鐵車輛段接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓研究

魏 巍

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢430063)

0 引言

近年來，由于車輛段內(nèi)股道分布密集，接觸網(wǎng)距離較近，帶電接觸網(wǎng)會對鄰近線產(chǎn)生感應(yīng)影響。一般來說，接觸網(wǎng)對四周導(dǎo)體的影響可以分為靜電感應(yīng)(容性耦合)和電磁感應(yīng)(感性耦合)，但對于直流牽引供電系統(tǒng)來說，只需考慮靜電感應(yīng)影響即可。

當(dāng)國內(nèi)多條地鐵在車輛段庫內(nèi)或正線上陸續(xù)出現(xiàn)接觸網(wǎng)停電問題時，相鄰線會存在較高電壓或本線存在殘留電壓等，容易對運營維護人員心理產(chǎn)生較大的負面影響。

帶電的強電輸電線在其周圍能形成強大的靜電場，鄰近線路就處于這個靜電場中，線路與大地以及線路與強電輸電線之間形成耦合電容，被感應(yīng)形成靜電感應(yīng)電壓。這種現(xiàn)象叫做容性耦合，也叫做靜電感應(yīng)影響。地鐵車輛段接觸網(wǎng)通過靜電感應(yīng)在鄰近線路上產(chǎn)生靜電感應(yīng)電壓。

兩根平行導(dǎo)線間靜電感應(yīng)電壓可以利用經(jīng)典電磁場理論進行求解，也可以利用經(jīng)驗公式進行求解。

1 電磁場理論法

導(dǎo)線的空間分布如圖1所示。

圖1中，導(dǎo)線1、2為相互平行的接觸網(wǎng)導(dǎo)線，導(dǎo)線1為帶電導(dǎo)線，導(dǎo)線2為鄰近的被感應(yīng)的導(dǎo)線，導(dǎo)線1'為導(dǎo)線1相對于大地表面的鏡像。

圖1 導(dǎo)線空間分布示意1

圖2 導(dǎo)線空間分布示意2

接觸網(wǎng)上的靜電感應(yīng)電壓是通過接觸網(wǎng)帶電導(dǎo)線之間的部分電容耦合產(chǎn)生的，如圖2。由文獻[1]中部分電容的概念，計算出導(dǎo)線1、2之間以及兩導(dǎo)線與大地之間的電容，可以得出[1]:

式中，ε0為真空介電常數(shù)(8.85×10-12F/m)，l為導(dǎo)線的并行長度(m)，h為導(dǎo)線及其鏡像到地面的距離(m)，R為導(dǎo)線的半徑(m)，D為導(dǎo)線2與導(dǎo)線1的鏡像1'的中心距離(m)，d為導(dǎo)線1與導(dǎo)線2的中心距離(m)。

解圖2中的電容電路可得導(dǎo)線1在導(dǎo)線2上產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電壓為:

式中，U1為接觸網(wǎng)網(wǎng)壓，V；U2為處于接觸網(wǎng)靜電感應(yīng)范圍內(nèi)的金屬導(dǎo)線上的靜電感應(yīng)電壓，V。

根據(jù)車輛段內(nèi)接觸網(wǎng)分布的實際情況以及線索參數(shù)，可以計算出感應(yīng)電壓。以某車輛段為例，股道架空接觸網(wǎng)間距4.6m，架空接觸網(wǎng)導(dǎo)高5m，供電電壓1 500V。

取h＝5m，R＝0.0 046m，d＝4.6m，U1＝1 500V，則D＝11m，帶入式(3)解得:靜電感應(yīng)電壓U2＝170.22V。

由式(3)可知，靜電感應(yīng)電壓與兩線的平行長度無關(guān)，與接觸網(wǎng)中有無電流無關(guān)，其大小主要取決于平行導(dǎo)線的間距和導(dǎo)線的電壓。導(dǎo)線間距越小，接觸網(wǎng)導(dǎo)線電壓越高，產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電壓越大。

2 經(jīng)驗公式法

由文獻[2]可知，處于接觸網(wǎng)靜電感應(yīng)范圍內(nèi)的金屬導(dǎo)線上的靜電感應(yīng)電壓的通用計算式為:

式中，Ut為處于接觸網(wǎng)靜電感應(yīng)范圍內(nèi)的金屬導(dǎo)線上的靜電感應(yīng)電壓，V；Uj為接觸網(wǎng)網(wǎng)壓，V；a為接觸網(wǎng)與金屬導(dǎo)線的水平距離，m；b為接觸網(wǎng)對地的平均距離，m；c為架空金屬導(dǎo)線的對地高度，m；K為計算系數(shù)；R為接觸網(wǎng)線索的等效半徑，m。

一般情況下，計算系數(shù)K在單線區(qū)段取為0.4，在復(fù)線區(qū)段取為 0.6，簡單懸掛計算系數(shù)取為0.263[2]?，F(xiàn)根據(jù)車輛段內(nèi)接觸網(wǎng)分布的實際情況以及線索參數(shù)，計算出感應(yīng)電壓。

取a＝4.6m，b＝5m，c＝5m，R＝0.0 046m，Uj＝1 500V，則通過式(5)計算得出計算系數(shù)K＝0.26。

代入式(4)解得:靜電感應(yīng)電壓Ut＝137V。

3 結(jié)束語

對于地鐵1 500V柔性懸掛接觸網(wǎng)，當(dāng)取導(dǎo)線間距4.6m、導(dǎo)高5m、導(dǎo)線計算半徑0.0 046m時，用經(jīng)典電磁場理論計算得出的靜電感應(yīng)電壓為170.22V，用經(jīng)驗公式計算得出的靜電感應(yīng)電壓為137V，二者相差不大。

國際標(biāo)準(zhǔn)IEC62128-1[3]規(guī)定，長時工況下人體可接觸電壓限值為60V，地鐵車輛段接觸網(wǎng)靜電感應(yīng)電壓遠超過限值，會給運營維護人員帶來安全隱患。

接觸網(wǎng)在停電檢修時，驗電發(fā)現(xiàn)有電壓屬正?，F(xiàn)象。此時若直接懸掛臨時地線，產(chǎn)生的瞬時電流會帶來安全隱患，應(yīng)先接地線再掛底線，方可上網(wǎng)作業(yè)。這樣不僅可保證接觸網(wǎng)誤送電時檢修人員的安全，而且可消除鄰線接觸網(wǎng)帶電時對它的靜電感應(yīng)電壓。