新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案的主要電磁特性研究

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)

1 概述

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。

2 新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案系統(tǒng)接線

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。

3 融冰回路阻抗及工程可行性研究

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。

3.1 滿足工程運(yùn)用需要的融冰回路阻抗計(jì)算模型推導(dǎo)

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。

3.2 新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案可行性

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。

4 新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)融冰方案工頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度

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。

4.1 工頻電場(chǎng)

(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。

4.2 工頻磁場(chǎng)

(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。

5 結(jié)論

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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