地铁牵引供电接触网系统电磁场空间分布特点研究

0　引言

如今，地铁牵引供电接触网体系的相关研究较少。经过大量调查可知，我国已经对铁路架设过程中电气化接触网的设计进行了分享，对其周边的静态磁场分布情况进行了探讨，并对地铁牵引供电接触网系统电磁空间分布特点以及地铁牵引供电基础网系统电磁场空间分布特点进行了研究。

1　设计轨道交通牵引供电接触网体系

轨道交通牵引供电接触网体系包括4个主要成分，即电网输入线路、牵引变电站、回流线和牵引接触网。我国地铁轨道牵引供电接触网体系主要包括1500V的架空接触网直流电压和750V的接触轨直流电压两个等级。750V的接触轨直流电压供电形式的主要优点是安全系数比较高、状态非常稳定、结构比较简便，如果出现故障可有充足的时间进行抢修，使用时间较长，维修比较方便，使工程量和净空得到了有效的控制，具有超强的可靠性。设置安全保护装置在接触轨上，一旦出现故障，可以事先进行停电处理，使乘客得到快速的疏散。1500V的架空接触网直流电压一旦出现故障，乘客安全可以得到保障，然而维修的架空接触网断面比较大，检修设备比较复杂，需要较长的时间。1500V架空接触网直流电压的供电电压非常高，牵引供电距离比较大，使接触网供电线路上的损耗得到有效降低。

总之，1500V的架空接触网直流电压或750V的接触轨直流电压都能满足运营的基本需求，然而二者在技术上存在一定差异。从空间位置和结构分布上进行研究，架空接触网对人员的安全系数要求比较高，接触轨运行的可靠性和安全性比较高。

2　有限元法原理

有限元法主要是以变分原理的数值计算为基础，把磁场部分划分成为许多的有限单元，在所有的单元节点上设置不同的函数关系，求得的函数值随着单元节点的坐标发生着变化，从而使插值函数得到有效获悉，将其代入到函数关系中，把函数组划分成为许多函数，从而得到代数方程式。以边界条件为基础，在特定的范围内进行数值选择，把函数关系编入到程序里，获得数值解。使用到的主要理论有静电场下的地铁接触网转化公式、泊松方程、宏观电磁理论和麦克斯韦方程等，运用到的函数关系主要包括磁感应强度、空间电荷密度、磁场强度、传导密度、磁导率、电通密度和电场强度等。

3　研究地铁接触网电磁场空间情况

3.1　接触轨供电模式

3.1.1　接触轨供电

接触轨指的是城市铺设的交通线路与轨道相平行的附加轨道，也被称之为第三轨，电动车组电能的主要来源。在运行时，电动车组伸出集电靴与其进行接触，从而获得电能。接触轨设定的额定电压值为DC750V，电压波动的范围需要保持在500～900V，最大电流一定要满足3000A，电动车运行使用的电流借助走行轨道转移到牵引变电所中，变电所正、负极需要与接触轨和走行轨分别相连接，具体情况见图1。表1为地铁某区间接触网特性参数。

图1　接触轨和行走轨的相对位置

表1　地铁某区间接触网特性参数

借助DC750V供电形式,对无列车和有列车两种情况的磁场进行仔细的研究，导磁位置是磁场分布的主要位置，包含走行轨和接触轨，接触轨位置的磁场感应比较强烈，有车和无车情况变化不大，磁场感应强度受电流密度的影响比较大，磁场感应强度与电流的方向没有关系。

3.1.2　架空接触网供电

DC1500V架空接触网在悬挂刚体导线时，主要是借助绝缘子得以实现的，就像把第三轨架设到隧道顶部，使弹性支座和柔性悬挂腕臂得到了有效的节省，不仅使对地距离得到增加，还使车辆上的空间得到降低。刚性接触网的铝合金汇流排不仅是导电截面的主要组成部分，也是固定接触线的嵌体部分。依据截面形状的不同，可以把汇流排设置成为T型。DC1500V是接触线上的额定电压值，其最佳的波动范围需要保持在1000～1800V，持续电流表最大额定值一定要满足3000A，电客车供给的电流在返回牵引变电所时，主要是通过走行轨得以实现的，变电所的正极与接触线相连接，变电所的负极与走行轨相连接。绝缘体是DC1500V架空接触网悬挂材料的主要材质，这样可以确保车辆上方空间得到有效降低，使其与地面的间距变得更大。依据截面形状的不同，可以将汇流排划分成为不同的种类，1500V是接触线的额定电压值，波动最大范围为1000～1800V，电流持续的有效峰值为3000A，具体情况见表2。

表2　B区间接触网特性

在对磁场进行划分时，可以使用有限元法将其划分成为多个子单元，使用函数对其进行求解，使用构造插值函数对各个空间的电磁场进行运算，使整个空间磁场得到快速获取。以有列车和无列车的三维和二维分布情况为基础，获悉汇流处接触位置的电场最强，不会受到无列车的情况所制约。点位跨度比较稳定或变化很小时，汇流排距和接触线距离就会越来越远。当有列车经过时，大量的电位汇集在接触线位置，电位存在着瞬时间改变的情况，从而给四周磁场造成很大的影响。无列车时，电位分布空间会很广泛。走行轨位置的磁感强度非常大，接触线和汇流排位置的电流密度也比较大。

3.2　与磁场进行比较

3.2.1　比较电场

DC1500V架空接触网将第三轨架设在隧道的顶端，因此在分布电场时，接触轨位置是DC750V接触轨供电形式最大的电位，汇流排位置和接触线位置是DC1500V架空接触网的最大电位位置，有列车和无列车都会给其造成严重的影响。所以，在对城市轨道交通电场模型进行研究时，一定要对机车运行情况进行充分的考虑。在DC750V接触轨进行供电时，电场最强位置为接触轨位置，使用高绝缘性的介质对接触轨进行支撑，可以使泄露电流和静电安全性得到有效增加。DC1500V架空接触网供电模式可以使接触轨的电气性质得到改变，使牵引变电所的数量得到有效控制，汇流排位置和接触线位置的电场最为强大。

3.2.2　比较磁场

DC750V接触轨供电模式的接触轨具有较强的磁导体性，DC1500V架空接触网的接触线和汇流排具有较强的金属性，对于1500V的架空接触网直流电压和750V的接触轨直流电压而言，磁感应分布情况和磁矢位分布情况的差异比较大。接触轨供电模式的磁矢位和磁感应强度在接触轨上进行汇集，架空接触网供电模式的磁矢位和磁感应强度在走行轨上进行汇集。为了对地铁接触网的电磁场特征进行全面分析，从电场环境方面对其进行仔细研究，当其电流和走行轨形式一样时，其最大磁感应强度和磁矢位存在着较大的不同，DC750V接触轨供电形式的接触轨磁场比较强，整个空间磁场也最为强大。所以，在对轨道交通信号系统里的信号线进行分布时，必须对走行轨磁场进行全面考虑。

4　结语

综上所述，本文首先对地铁牵引供电接触网系统的电磁场分布情况进行了分析，然后通过利用有限元分析法对DC1500V架空接触网和DC750V接触轨供电方式对磁场分布造成的影响进行了探讨。研究表明，机车不会对周围磁场的分布造成影响，对电场的分布影响则比较大，需要在设计时给予充分的考虑。

参考文献

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（作者系中铁武汉电气化局集团有限公司成都分公司工程师）