地鐵牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)電磁場空間分布研究

王學(xué)武

【摘 要】在地鐵牽引系統(tǒng)中，供電接觸網(wǎng)能夠產(chǎn)生電磁場，進(jìn)而對一定范圍內(nèi)的磁性物體產(chǎn)生干擾。論文將基于有限元法，對列車不同的運(yùn)行狀態(tài)及情境進(jìn)行不同的磁場分布影響分析，通過不同磁場空間分布的計算與模擬結(jié)果，記錄不同供電方式下的借鑒點(diǎn)，并對北京市地鐵特定區(qū)間接觸網(wǎng)進(jìn)行仿真，得出不同可行方法。

【Abstract】In the subway traction system， the power supply contact network can produce electromagnetic field， and interfere with a certain range of magnetic objects. In this paper， the influence of different magnetic field distribution on different running states of the train is analyzed based on the finite element method. Through the calculation and simulation results of the different magnetic field spatial distribution， recording reference points of different power supply modes ， and simulating the contact network of Beijing subway， different feasible methods are obtained.

【關(guān)鍵詞】地鐵接觸網(wǎng)；有限元法；電磁場空間；分布研究

【Keywords】 subway catenary； finite element method； electromagnetic field； distribution study

【中圖分類號】U223.8 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）03-0094-03

1 引言

目前，我國針對地鐵牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)磁場空間分布方面的研究較少，根據(jù)相關(guān)資料的查閱，我國主要研究過針對鐵路架設(shè)方面的電氣化接觸網(wǎng)設(shè)計，分析了其周邊靜態(tài)電磁場分布特性。但是，與地鐵牽引供電接觸網(wǎng)的封閉空間磁場分布特性具有一定區(qū)別。根據(jù)以往對典型地鐵供電接觸網(wǎng)供電方式的分析，從電場與電磁環(huán)境角度對兩種供電方式進(jìn)行比較。為我國地鐵軌道牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計提供一定的依據(jù)和參考。

2 軌道交通牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

軌道交通牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)包括以下幾部分：電網(wǎng)輸入線路、牽引接觸網(wǎng)、回流線、牽引變電站等，這幾個部分構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其中，接觸網(wǎng)分為軌道式接觸和架空式接觸兩大類。我國地鐵軌道牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)采用的是等級為750V的接觸軌直流電壓，或者1500V的架空接觸網(wǎng)直流電壓。二者的型號分別選用DC750V接觸軌供電，DC1500V架空接觸網(wǎng)供電[1]。

DC750V接觸軌供電方式的優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡易，狀態(tài)穩(wěn)定，安全系數(shù)高，一旦發(fā)生故障，具有充足的搶修時間，維修簡便，使用壽命長，降低凈空減少工程量，具有可靠性。接觸軌由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)需要設(shè)置安全保護(hù)罩，發(fā)生停車故障疏散乘客的過程中，需要提前斷電。相對而言，DC1500V架空接觸網(wǎng)供電，在發(fā)生停電故障時，乘客及工作人員的安全性得到一定程度的保障。但是在維修上，架空接觸網(wǎng)斷面大，導(dǎo)線位置高，檢修配備復(fù)雜，給工作人員帶來不便，延長了維修時間。與DC750V相比，供電電壓較高，引起的牽引供電距離較大，減少了接觸網(wǎng)供電線路上的損耗。

綜上所述，DC750V接觸軌供電方式及DC1500V架空接觸網(wǎng)供電方式都可以在某些方面滿足運(yùn)營要求，但是，在功能與技術(shù)上存在比較大的差異。從空間位置及結(jié)構(gòu)分布方面看，接觸軌方式的運(yùn)行可靠安全性較高，架空接觸網(wǎng)對人員的安全系數(shù)較高。

3 有限元法基本原理

有限元法是一種基于變分原理的數(shù)值計算方法。其基本計算過程是，將磁場剖分為多個有限單元，每個單元節(jié)點(diǎn)上設(shè)置不同的函數(shù)關(guān)系，使其求解函數(shù)值在單元節(jié)點(diǎn)上隨著坐標(biāo)變化，再構(gòu)造插值函數(shù)，代入到積分式，將函數(shù)組轉(zhuǎn)化為多元函數(shù)，從而得出代數(shù)的方程組合。最后根據(jù)邊界條件進(jìn)行特定范圍的取值，將得出的函數(shù)關(guān)系編入程序中，求得數(shù)值解。其中應(yīng)用的理論包括麥克斯韋方程、宏觀電磁理論、泊松方程、靜電場下的地鐵接觸網(wǎng)轉(zhuǎn)化公式。需要的函數(shù)系數(shù)包括磁場強(qiáng)度、電通密度、電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、傳導(dǎo)密度、磁導(dǎo)率、空間電荷密度等[2]。

4 地鐵牽引供電接觸網(wǎng)電磁場空間分布

4.1 DC750V接觸軌供電方式磁場分布分析

接觸網(wǎng)屬于城市軌道交通中的附加部分，通過接觸網(wǎng)為電動車組供電。運(yùn)行工作中，電動車組與之接觸的方式傳送電能。接觸軌上的直流額定電壓值是750V，允許波動范圍為500～900V，有效電流持續(xù)峰值為3000A，供給的電流經(jīng)過軌道后返回牽引變電所。以北京地鐵A區(qū)間為例，隧道與走行軌的特性如表1所示。

表1 北京地鐵A區(qū)間接觸網(wǎng)特性

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DC750V接觸軌的電磁分布分析，可以通過有限元法，將磁場分為多個單元空間，計算出每個空間的電磁場數(shù)值。經(jīng)過DC750V供電方式對有無列車兩種場景的磁場分布研究可知，磁場分布主要集中在導(dǎo)磁的存在處，包括接觸軌和走行軌，其中接觸軌處磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，有無車情況對磁場基本無影響。因此，磁感應(yīng)強(qiáng)度會隨著電流密度的增大而增大，磁感應(yīng)方向與電子流動方向無關(guān)。

4.2 DC1500V架空接觸網(wǎng)供電方式磁場分布分析

DC1500V架空接觸網(wǎng)的懸掛材料采用的是絕緣體，增大了與地面距離，降低了車輛的上方空間。DC1500V架空鋼性接觸網(wǎng)以鋁合金作為嵌體，導(dǎo)電截面包含在內(nèi)。匯流排根據(jù)截面形狀分為不同型號。接觸線上額定電壓值為1500V，允許波動在1000-1800V，持續(xù)電流有效峰值為3000A，供給列車的電流經(jīng)過流程與DC750V接觸軌的牽引變電原理一致。以北京B區(qū)間為例，采用圓形隧道施工法，隧道半徑為2.7m，接觸網(wǎng)距離軌面高度為4040mm，走形軌的參數(shù)選用類型為P50，單位重量為51.5的鋼軌，接觸軌與走形軌的參數(shù)如表2所示。

表2 北京地鐵B區(qū)間接觸網(wǎng)特性

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同樣利用有限元法將磁場分為多個子單元進(jìn)行函數(shù)求解，通過構(gòu)造插值函數(shù)計算出各空間電磁場，從而求得整個空間的磁場。同樣根據(jù)有無列車情況下的二維、三維分布，可得接觸和匯流處電場最強(qiáng)，基本不受有無列車的影響。當(dāng)點(diǎn)位變化跨度較小及穩(wěn)定時，接觸線、匯流排距其越遠(yuǎn)，當(dāng)有列車經(jīng)過時，電位主要集中在接觸線位置，電位會發(fā)生瞬時變化，對周圍的空間磁場影響較大，無列車時電位分布空間則較廣。磁感應(yīng)強(qiáng)度最大位置在走行軌處，雖然接觸線和匯流排處的電流密度較大，但是磁感應(yīng)強(qiáng)度比接觸位要低。說明磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流密度及磁導(dǎo)率相關(guān)。機(jī)車的運(yùn)行情況對磁場分布基本無影響。

4.3 兩種方式電場與磁場的比較

通過對DC750V接觸軌與DC1500V架空接觸網(wǎng)兩種供電方式的了解，對二者進(jìn)行電場與磁場方面的比較。首先，電場方面，DC750V將第三軌架設(shè)置在隧道底部，使接觸軌得到最大電位。而DC1500V架空接觸網(wǎng)的最大電位處不僅在接觸線處，還有匯流排處。有無機(jī)車情況對二者周圍電場具有較大的影響。因此，DC750V接觸軌方式下，應(yīng)當(dāng)將城市軌道交通運(yùn)行情況考慮在內(nèi)，為增強(qiáng)安全系數(shù)，應(yīng)采用絕緣性介質(zhì)支撐接觸軌。對于DC1500V架空接觸網(wǎng)，可以改善電氣特性，減少變電所頻率，采用絕緣體懸掛匯流排。其次，磁場方面，二者磁感應(yīng)強(qiáng)度分布差異較大，前者磁矢位及磁感強(qiáng)度的最大峰值在接觸軌處，而后者的磁矢位及磁感應(yīng)強(qiáng)度最大峰值在走行軌處。在論文的研究中，兩種供電方式下的走行軌類型和電流都相同，二者的磁場特性相似。因此，地鐵軌道交通中，無須考慮有無車的情況，交通信號系統(tǒng)中的中信號線排布只需考慮走行軌的磁場影響[3]。

5 結(jié)論

論文對地鐵牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)的磁場分布特性的研究，是從軌道交通牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計入手，通過對有限元法基本原理的分析，分別闡述了DC750V接觸軌供電方式與DC1500V架空接觸網(wǎng)供電方式磁場分布的影響。進(jìn)而對兩種方式進(jìn)行電場與磁場兩方面的比較，最終得出，機(jī)車位置對周圍磁場分布無影響，對電場分布影響較大。

【參考文獻(xiàn)】

【1】賴聲鋼.接觸軌系統(tǒng)在道岔區(qū)可能存在列車失電問題的原因分析及解決方案[J].城市軌道交通研究，2015（05）：115-119+123.

【2】吳泳江，李芾.現(xiàn)代有軌電車新型供電方式發(fā)展及運(yùn)用現(xiàn)狀[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2014（05）：5-9.

【3】陳習(xí)權(quán)，韓海林，孫杰.軌道交通牽引供電網(wǎng)電磁輻射場強(qiáng)的數(shù)值模擬[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012（29）：7659-7663.