新型电气化铁路接触网融冰方案的主要电磁特性研究

黄文勋

(中铁第一勘察设计院集团公司电气化处，西安 710043)

1 概述

铁路接触网一旦覆冰将严重影响铁路运行，如1998年京郑线、2003年哈大线及2008年南方多条电气化线路均由于接触网覆冰严重影响了列车的正常运行[1]。目前国内外防冰、除冰技术可分成3大类，即热力融冰、机械破冰、自然被动方法等[2-3]。借鉴航空和输电线路防(融)冰成果，经过国内工程技术人员的多方案比选，目前采用的方案为:在供电臂末端接入融冰限流装置由牵引网与钢轨(大地)形成融冰回路的接触网融冰方案[2]。为避免在融冰电流经过钢轨(大地)可能存在的负面影响，提出了新型电气化铁路接触网融冰方案:在复线区段将接触网的上、下行串联形成回路[4]。

新型电气化铁路接触网融冰方案不需要利用钢轨作为回流径路，具有避免产生钢轨电位的优点，但与电气化铁路正常运行方式存在不同。为探索该方案的工程实施可能性，本文基于电磁场理论，推导了融冰回路阻抗理论计算公式，验证了新型接触网融冰方案的可行性;根据镜像法对融冰回路的电场和磁场特性进行了定量计算，得到了不同区段电磁场的分布特性，并与电气化铁路正常工况对比，计算结果表明该融冰回路不会引起额外的电磁场干扰。

2 新型电气化铁路接触网融冰方案系统接线

新型电气化铁路接触网融冰方案系统接线:牵引变压器提供融冰电源，接触网上行接牵引变电所馈线，接触网下行通过融冰限流装置接牵引变压器接地端子。融冰电流回路:牵引变压器馈线端子—上行接触网—分区所上下行并联开关—下行接触网—融冰限流定位装置—牵引变压器接地端子。融冰状态下，F线、AT变压器、F线端子均不投入运行。其融冰回路如图1 所示[4]。

图1 新型电气化铁路接触网融冰方案系统接线图

由图1可见，新型电气化铁路接触网融冰方案不需利用钢轨(大地)进行回流，可以避免钢轨电位的产生，对电气化铁路的安全运行有利。

3 融冰回路阻抗及工程可行性研究

新型电气化铁路接触网融冰方案中，融冰回路中除了有电阻外也必然存在感抗。根据电力系统架空线路短路融冰的研究来看，感抗与电阻的比值将直接决定交流融冰方案是否可行。如果感抗与电阻的比值过大，由于电源容量的限制将导致无法提供足够的融冰电流。故须对新型电气化铁路接触网融冰方案阻抗进行计算并对其工程可行性进行研究。

3.1 满足工程运用需要的融冰回路阻抗计算模型推导

由于新型电气化铁路接触网融冰方案接线的特殊性，其阻抗计算既不同于普通电气化铁路，更不同于电力架空线路。为满足工程要求，需对该工况下阻抗计算模型进行推导。

(1)导线电感的一般公式[5]

非铁磁材料制成的圆柱形长导线，长度为l，半径为r，周围介质为空气，当l≫r时，单位长度的自感为

式中，Ds为圆柱形导线的自几何均距μ0为磁导率。

两根平行的长度为l的圆柱形长导线，导线轴线间的距离为D，单位长度互感

(2)融冰回路的等值电抗

根据基本公式(1)、(2)，上行接触线的磁链有

式中，ΨJ1为上行接触线磁链;L为上行接触线自感;IJ1为上行接触线电流;DS为上行接触线自几何均距;MJ1C1为上行接触线与上行承力索互感;IC1为上行承力索电流;DJ1C1为上行接触线与上行承力索轴线间距;MJ1C2为上行接触线与下行承力索互感;IC2为下行承力索电流;DJ1C2为上行接触线与下行承力索轴线间距;MJ1J2为上行接触线与下行接触线互感;IJ2为下行接触线电流;DJ1J2为上行接触线与下行接触线轴线间距。

虽然导线间距、导线截面对互感有影响，但这些数值均在自然对数括号内，故假定M相等对工程计算不会造成影响，则有

式中，Deq为上行接触线、上行承力索、下行接触线、下行承力索间几何均距。

根据新型电气化铁路接触网融冰方案的特点，由于电流由接触网上、下行形成回路，根据基尔霍夫电流定律，必然有:

由(4)、(5)可得:

即:

同理可求得:

ZJ1、ZC1即为所求。

3.2 新型电气化铁路接触网融冰方案可行性

根据式(8)、(9)再考虑新型电气化铁路接触网融冰方案导线的布置，就可以计算出满足工程需要的阻抗。以此为基础，可得到新型电气化铁路接触网融冰方案与电力系统架空线路融冰的电源容量[6]比较结果，如表1所示。

表1 交直流融冰的电源容量(Ta= －5 ℃，di=10 mm，va=5 m/s，t=60 min)

由表1可见，以供电臂长度30 km计算，新型电气化铁路接触网融冰方案电源容量需要4.64 MVA。目前一般铁路牵引变压器容量均大于 10 MVA[7，8]，即新型电气化铁路接触网融冰方案是可行的。

4 新型电气化铁路接触网融冰方案工频电磁场强度

电气化铁路电磁兼容问题日益引起各方面关注[9]，新型电气化铁路接触网融冰方案下电磁场影响会否对人员、设备造成额外的影响是决定该方案是否可行的关键。目前电气化铁路采用的主要牵引网供电方式为带回流线的直接供电方式和AT供电方式[8]。经过国内外电气化铁路数十年的运行经验，证明带回流线的直接供电方式和AT供电方式下电气化铁路具有较好的电磁兼容[10]。本文利用镜像法[11]对电磁场进行计算分析，将新型电气化铁路接触网融冰方案工频电磁场计算结果与带回流线的直接供电方式和AT供电方式进行比较。

4.1 工频电场

(1)理论公式

空间任意一点电位为

由a的电位，可得a点的电场强度为:

式中，φa为空间a点电位;p1a为a点与导线1间距;U1为导线1电位。

(2)工频电场计算对比分析

根据公式(10)，对带回流线的直接供电方式、AT供电方式及新型电气化铁路接触网融冰方案的电场进行计算[12]。由于供电臂电压各处并不相同，本文以供电臂首段进行比较。计算结果如图2～图5所示。

图2 融冰时电场

图3 带回流线的直接供电方式电场

图4 AT供电方式电场

图5 地面2 m处3种工况电场比较

由图2～图5可见，在采用AT供电方式的线路中，当使用新型电气化铁路接触网融冰方案时，电场强度高于正常运行方式供电方式;在采用TRNF供电方式的线路中，当使用新型电气化铁路接触网融冰方案时，电场强度低于正常运行方式。

4.2 工频磁场

(1)理论公式

对多根导线 1、2…i…n，由其电流I1、I2…Ii…In，得空间任意一点a(x，y)的磁场强度为

其中

所以a点的磁场强度模值为:

(2)计算结论及分析

根据式(11)，对带回流线的直接供电方式、AT供电方式及新型电气化铁路接触网融冰方案的电场进行计算。计算结果如图6～图9所示。

图6 融冰时电场

图7 带回流线的直接供电方式磁场

图8 AT供电方式磁场

图9 地面2 mm处3种工况磁场比较

由图9可见，由于新型电气化铁路接触网融冰方案上、下行电流方向相反，与正常运行相比，在上下线路之间磁场强度增大，在线路外侧磁感应强度介于AT与TRNF供电方式之间。故，当采用新型电气化铁路接触网融冰方案时，线路中间的电气设备(比如信号继电器、转辙机等)需要对其抗电磁干扰能力进行进一步评估，对不满足要求的需适当补强;铁路沿线的磁感应敏感设备(如油、气管道)及人员不会增加额外的电磁干扰。

5 结论

本文对新型电气化铁路接触网融冰方案的阻抗、电场、磁场等主要电磁特性进行了分析计算，主要结论如下。

(1)结合新型电气化铁路接触网融冰方案特点，对其阻抗计算原理进行了推导，提出了适合工程需要的新型电气化铁路接触网融冰方案阻抗计算公式。根据该公式，对典型新型融冰方案进行计算。因为融冰回路电抗约为电阻的2倍，一般铁路牵引变压器容量均能满足要求，即新型电气化铁路接触网融冰方案是可行的。

(2)新型电气化铁路接触网融冰方案的电场强度与正常运行时相比，介于AT供电方式和TRNF供电方式之间。

(3)新型电气化铁路接触网融冰方案的磁场强度与正常运行时相比，在上下线路之间磁场强度略有增大，在线路外侧磁感应强度介于AT供电方式与TRNF供电方式之间。

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