地鐵牽引供電接觸網系統電磁場空間分布研究

姚 磊

中鐵十一局集團電務工程有限公司，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系統的主要功能是為地鐵運行提供動力，同時，這一系統在運轉過程中將會對周圍環境中的電磁場分布產生一定影響。結合目前狀況來說，關于地鐵供電接觸網電磁場空間分布的研究相對較少，相關的工作人員在對供電系統進行建設過程中無從參考，因此，本文將結合現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系統

1.1 DC750V接觸軌供電

DC750V接觸軌供電方式具備供電結構簡單、供電狀態穩定、故障率低、便于維護檢修等特點。在這一系統的應用過程中，相關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致接觸軌出現腐蝕或損傷，因此，接觸軌供電系統中必須配備保護罩。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生觸電而導致死亡等嚴重安全事故，因此，DC750V接觸軌供電系統的使用必須建立在線路完全封閉的前提下。

1.2 DC1500V架空接觸網供電

相比較于接觸軌供電系統來說，DC1500V架空接觸網供電方式的使用能夠有效避免斷線事故的發生，同時，當地鐵出現區間停運事故時，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：架空接觸網導線架設位置較高，不易于檢修工作的展開；當系統內出現斷線事故時，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。

綜合以上內容，除了在供電電壓上的區別之外，這兩種供電方式在電氣特性及技術性能等方面都存在著較大的差異，本文將在后續內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的一種數值計算方法。即將連續的求解區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，并將這些分析結果組合在一起，進而得到對整個對象的分析結果。結合這一思想，有限元法的計算步驟如下：將場域剖分成有限個單元，單元間通過節點相連；在每個單元內部結合求解函數值與坐標之間的關系得到插值函數；將上一步驟中得到的函數帶入能量泛函積分式，并將泛函離散化為多元函數，得到一個代數方程組；最后使用計算機求得場域內位函數分布的數值解。

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

3 地鐵接觸網系統電磁場空間分布研究

3.1 DC750V接觸軌供電系統

3.1.1 接觸軌供電

接觸軌是城市軌道交通線路敷設的與軌道平行的附加軌，因為這一特性，接觸軌在實際的應用過程中也經常被稱為第三軌，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構。接觸軌供電方式模型中的主要參數如下：電壓額定值為DC750V，電壓允許波動范圍為500～900V，最大持續電流有效值為3000A。這一供電方式具體的工作流程如下：供應給軌道交通的電流經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域剖分成有限個單元；其次，在各個單元中構造插值函數得到每個單元空間的電磁場；最后，利用各個單元的計算結果逼近得到整個區域的電磁場。對DC750V接觸軌供電方式在有車和無車狀態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。同時，無論有無車輛通行，這一系統中電位和電場強度最大的位置均在接觸軌處。結合以上內容，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內磁場的分布與強度并無影響，系統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強度最大。由于磁感應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，接觸軌的磁感應強度大于走行軌磁感應強度。

3.2 DC1500V架空接觸網供電系統

3.2.1 架空接觸網供電

本文主要對剛性架空接觸網進行介紹，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性，在運行維護工作上的復雜性也更低一些。結合以上內容，DC1500V架空接觸網主要采用絕緣子來懸掛剛性導線，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。這一系統中具體的參數設置如下：接觸線上的額定電壓值為DC1500V，電壓在1000～1800V的范圍內波動，最大持續電流有效值為3000A。工作方式包括：提供給軌道交通的電流經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；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，整個空間內電位的大小與距離接觸線和匯流排的遠近成反比。結合以上內容，DC1500V架空接觸網供電方式磁場分布特點如下：在這一系統中，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，結合上文中的內容，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，供電系統中的磁場分布不僅與電流密度有關，同時也與磁導率有關。

3.3 兩種供電方式電磁場分布比較

3.3.1 電場比較

上文中已經提到，架空接觸網供電方式可以等同于將第三軌懸掛到隧道頂部，因此，這兩種供電系統在電場分布上體現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，架空接觸網供電方式中接觸線及匯流排處電位最大。同時，這兩種系統中電位的分布都會被通車情況影響，因此，相關人員在對城市軌道交通電場模型進行研究的過程中，應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，系統構建過程中應盡量采用高絕緣性的介質來支撐接觸軌。對于DC1500V架空接觸網供電方式來說，這一系統的應用雖然能對接觸軌所表現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，這一系統的構建應采用具備更高絕緣性的介質來懸掛匯流排。

3.3.2 磁場比較

接觸軌屬于良好的磁導體，而DC1500V架空接觸網中的接觸線和匯流排則屬于非磁導體，因此，這兩種供電系統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強度在接觸軌處，而在DC1500V架空接觸網供電方式下，最大磁失位和磁感應強度則在走行軌處。對于磁場強度來說，DC750V接觸軌供電系統中的磁場強度要更高一些，因此，相關的設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中信號線排布的影響。

4 結語

綜上，在對相關概念進行介紹的基礎上，本文結合有限元法對DC750V接觸軌供電方式模型以及DC1500V架空接觸網供電模型的電場分布以及磁場分布狀況進行了分析，對分析結果進行研究發現，這兩種供電方式在電氣特性、技術性能等方面各有優缺。結合本文所討論的內容，設計人員將能在地鐵接觸網工程設計中獲取更多的理論支持和決策依據。

[1] 賴聲鋼. 接觸軌系統在道岔區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（ 5） .

[2] 吳泳江，李芾. 現代有軌電車新型供電方式發展及運用現狀[J].電力機車與城軌車輛，2014（ 5） .

[3] 趙瓊.牽引供電系統接觸網可靠性分析研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2014.

[4] 彭宏.淺析地鐵—接觸網供電和低壓配電、照明系統[J].科技視界，2014（15） .

[5] 李進霞，張偉杰，張素香.有限元法及應用狀況[J].科技創新導報，2015（31） .