地鐵車輛段接觸網感應電壓研究

魏 巍

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢430063)

0 引言

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

當國內多條地鐵在車輛段庫內或正線上陸續出現接觸網停電問題時，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，被感應形成靜電感應電壓。這種現象叫做容性耦合，也叫做靜電感應影響。地鐵車輛段接觸網通過靜電感應在鄰近線路上產生靜電感應電壓。

兩根平行導線間靜電感應電壓可以利用經典電磁場理論進行求解，也可以利用經驗公式進行求解。

1 電磁場理論法

導線的空間分布如圖1所示。

圖1中，導線1、2為相互平行的接觸網導線，導線1為帶電導線，導線2為鄰近的被感應的導線，導線1'為導線1相對于大地表面的鏡像。

圖1 導線空間分布示意1

圖2 導線空間分布示意2

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

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

解圖2中的電容電路可得導線1在導線2上產生的靜電感應電壓為:

式中，U1為接觸網網壓，V；U2為處于接觸網靜電感應范圍內的金屬導線上的靜電感應電壓，V。

根據車輛段內接觸網分布的實際情況以及線索參數，可以計算出感應電壓。以某車輛段為例，股道架空接觸網間距4.6m，架空接觸網導高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:靜電感應電壓U2＝170.22V。

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

2 經驗公式法

由文獻[2]可知，處于接觸網靜電感應范圍內的金屬導線上的靜電感應電壓的通用計算式為:

式中，Ut為處于接觸網靜電感應范圍內的金屬導線上的靜電感應電壓，V；Uj為接觸網網壓，V；a為接觸網與金屬導線的水平距離，m；b為接觸網對地的平均距離，m；c為架空金屬導線的對地高度，m；K為計算系數；R為接觸網線索的等效半徑，m。

一般情況下，計算系數K在單線區段取為0.4，在復線區段取為 0.6，簡單懸掛計算系數取為0.263[2]。現根據車輛段內接觸網分布的實際情況以及線索參數，計算出感應電壓。

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K＝0.26。

代入式(4)解得:靜電感應電壓Ut＝137V。

3 結束語

對于地鐵1 500V柔性懸掛接觸網，當取導線間距4.6m、導高5m、導線計算半徑0.0 046m時，用經典電磁場理論計算得出的靜電感應電壓為170.22V，用經驗公式計算得出的靜電感應電壓為137V，二者相差不大。

國際標準IEC62128-1[3]規定，長時工況下人體可接觸電壓限值為60V，地鐵車輛段接觸網靜電感應電壓遠超過限值，會給運營維護人員帶來安全隱患。

接觸網在停電檢修時，驗電發現有電壓屬正常現象。此時若直接懸掛臨時地線，產生的瞬時電流會帶來安全隱患，應先接地線再掛底線，方可上網作業。這樣不僅可保證接觸網誤送電時檢修人員的安全，而且可消除鄰線接觸網帶電時對它的靜電感應電壓。