AT供电方式下高铁站台空间电场分布研究

刘仕兵，刘 威，宋陵灿，郭文璟

(华东交通大学电气与自动化工程学院，江西 南昌 330013)

1 引言

世界高速铁路技术在近几十年发展迅猛，现在的高速铁路均采用电力牵引，然而牵引供电网产生的电磁场问题，得到了社会的广泛关注[1]。考虑到电气化铁路牵引供电系统对接触网周围产生的不平衡的，或强或弱的工频电磁场[2]不仅会影响供电系统的稳定，其次，可能对长期处于这种环境的工作人员或旅客产生不可逆的损伤。

我国早于1978年9月在宝(鸡)—广(元)线上，调查了三个接触网工区及变电站，并根据接触网周围工频电磁场测量结果分析得出对工作人员有害的因素主要是电场[3]，提供了大量的实测数据。文献[4]在1990年福州铁路卫生防疫站使用JT-ACS工频场强仪在接触网工区及变电站进行测试，所得结果并没有超过国际大电网会议给出的10kV/m的限值，但后来的国际组织重新规定的的电场曝露限值[5]为5kV/m；文献[6]自2002年以后，采用更先进的工频场强仪测定的结果显示，铁路工作人员长期处于不平衡的接触网工频电磁场环境对皮肤，神经及免疫系统都存在着不同程度的损伤，但都没有对电磁场中的变化规律进行理论上的分析。架空输电线中产生的工频磁感应强度数值一般在10-6T量级，与地球电磁场位于同一数量级上[7-9]，所以接触网周围产生的磁场很难得到精准测量，且结果偏差较大。故本文主要集中在对高速铁路站台空间电场分布研究。

实地测量的方法虽然直观可信，但测试仪器及环境对测试人员的影响会导致测量结果的偏差。目前我国对于高速铁路接触网周围电磁环境研究较少，且以往的研究多数针对单线高速铁路导线且普遍没有对高速铁路的供电方式进行分析。本文借鉴前人的研究，根据AT供电方式的基本原理，确定某复线高速铁路导线中各导体传输线的位置及相关计算参数，建立能够精准描述站台接触网与列车及建筑物的二维空间电场模型，通过模拟电荷法计算分析高速铁路站台公众活动区域电场分布情况以及工作人员与旅客的体表场强大小，用MATLAB绘制出空间电场的变化曲线，通过定性分析，为高速铁路站台工程的设计提供理论依据。

2 高速铁路牵引供电接触网

近年来，随着高速铁路的对外开放和引进国外先进技术，AT供电由于供电电压高同时电能损耗低，输送能力强，我国目前开通运营的300km/h以上的高速电气化铁路，主要采用的就是复线AT牵引供电[10]。

110kV三相交流电由牵引变压器降压至适合于高速电气化铁路机车运行的单相55kV，然后经自耦变压器两端分别输送给接触网和正馈线，变压器中心抽头与钢轨相连，钢轨与接触网间电压正好是变压器两端电压的一半27.5kV[11]。

3 接触网电场数值计算

我国牵引供电系统中工频电场在空气中的波长，远大于所研究场域场点到导线的距离。故可把工频交变电场视为准静态场[12]。而模拟电荷法适用于静态电场的分析方法[13-15]，故本文采用模拟电荷法研究分析站台公众活动区域空间电场的分布情况。

记直角坐标系中任意三相无限长直平行导线的线电荷分别为A、B、C。分别将这三相线电荷对地面作镜像处理得A′、B′、C′，则自电位系数，互电位系数分别为

(1)

求出电位系数矩阵[p]，则由式(2)，可以计算出等效模拟电荷电量Qi。

(2)

模拟电荷校验后，依据叠加定理及高斯定理，由式(3)计算出空间中任意一点的电场强度。

(3)

式中：Ex、Ey为输电导线及其镜像导线对场点(x，y)产生的x、y轴分量的电场强度(V/m)；E为空间中任意一点的合成场强大小(V/m)；r1，r2分别为原导线及镜像导线对场点的距离(m)。

4 模型搭建

4.1 人体模型搭建

位于站台候车的工作人员及旅客普遍处于站立姿态，根据成年人体的尺寸建立处于站姿状态的人体模型，如图1所示。

图1 人体模型

由表1可知人体各部分的参数值。

表1 人体模型尺寸

4.2 接触网模型建立

AT供电方式的接触网模型，由接触线，承力索，正馈线及保护线组成[16]，图2为某复线AT牵引供电方式牵引网导线空间分布图，同时也可作为无建筑且无列车停靠时的站台接触网计算模型。

图2 牵引网导线空间分布图

本文计算模型中各导线计算参数如下：接触线为TJ-120，计算半径6.6mm，电位27.5kV；承力索为TCJ-110，计算半径5.9mm，电位27.5kV；正馈线为LJ-185，计算半径7.7mm，电位-27.5kV；保护线为LJ-70，计算半径4.7mm，电位取250V[17]。

由于站台环境较为复杂，为方便计算和简化计算模型，把地面假设为无穷大导体面且电位为零；各导线表面等电位且彼此相互平行；在工频电压下视为二维准静态场来分析[3]。接触网站台模型的计算参数如表2所示。

表2 站台模型计算参数

4.3 考虑高度对电场强度的影响

根据成年人体的尺寸，普遍身高处在1.5m到2.0m之间。在MATLAB软件中绘制上图3所示的，分别在距地面高度1.5m，1.7m及2.0m处的电场强度随线路中心水平距离的变化曲线，如图3所示。

图3 不同高度的电场强度曲线

仿真数据显示，距地面高度分别在1.5m，1.7m及2.0m处，接触网下方不同位置电场强度也不同，越靠近线路侧电场强度越大，在线路中心正下方电场强度达到最大值分别为4034V/m，4684V/m，5556V/m，显然距离地面高度越高，波峰越高，但整体变化趋势基本一致。可见实际站台中接触网的距地高度不同，场强的变化也会有所不同。因为整体变化趋势不明显，且大多数成年人身高在1.5m以上，故取1.5m为下文综合考虑站台建筑及列车作用下对电场强度的屏蔽效果。

4.4 考虑建筑及列车影响的模型建立

为了综合考虑有、无列车停靠及有、无建筑物对空间电场的影响，牵引网供电方式保持不变，站台模型计算参数与前文一致，结合控制变量法分别建立有车无建筑，无车有建筑，有车有建筑的接触网模型。

图4 考虑建筑或列车停靠时的站台区域简图

如上图所示，研究分析站台公众活动区域，高度在1.5m处列车及建筑影响的水平方向上站台空间电场分布。

4.5 水平方向上的空间电场分布

运用MATLAB仿真，绘制出考虑列车与建筑对接触网牵引供电影响的，电场强度在1.5m处随距线路中心水平距离的变化曲线。高速铁路站台没有建筑物影响的情况下，图5分别为有、无列车停靠时接触网产生的空间电场分布图；图6给出了站台有建筑物影响的情况下，有、无列车停靠的空间电场分布。

图5 无建筑物影响的站台电场强度分布

图6 有建筑物影响的站台电场强度分布

由图5可知，无论有、无列车停靠，电场分布趋势基本一致，越靠近接触网导线的电场强度越大，接触线正下方工频电场强度普遍达到最大值，整体电场分布以接触线为中心向远处衰减。无列车停靠时电场强度最大值为4034V/m，且向远处衰减缓慢；有列车停靠时电场强度最大值为4913V/m，但向远处衰减极快，由此可见站台上停靠的列车可以明显改变工频电场的分布情况。

由图6可知，在有建筑物影响时，电场分布趋势并没有发生改变。无列车停靠时线路中心工频电场强度达到最大值为3821V/m，向远处衰减较慢；有列车停靠时电场强度最大值为4807V/m，向远处衰减极快，由此可见站台上的建筑及停靠的列车都会对空间电场存在着不同程度的屏蔽作用。

5 人体不同情况下体表场强大小

由于计算模型具有对称性，为研究工作人员及旅客处于不同情况下的体表场强大小，对单侧空间电场分布研究即可，取左侧站台边缘处，距站台边缘侧1m为白色安全线处及白色安全线外1m处三条线分别进行采样对比，得到图7站台候车时不同位置的人体关键部位场强。

图7 人体体表场强分布

由上述结果可得规律：对于AT牵引供电接触网，现实中站台上人体头部区域会出现电场强度的极大值，这与图3中不同高度的电场强度曲线保持一致，即高度越高，波峰越高，场强越大。一方面是因为头部与激励源即接触网导线的距离最近，另一方面人体在强电场中产生的感应电荷会集中分布在凹凸的外表面，头部聚集大量的感应电荷产生较大的场强。无列车停靠时的站台工作人员及旅客体表场强相差不大，可能由于建筑物距离接触网较远，产生的屏蔽效果并不明显；有列车停靠时头部、颈部、腰部及腿部的场强均在1000V/m以下，主要是因为列车车体大多为合金材料，电导率远大于建筑，而导体在强电场中发生静电感应现象产生了感应电荷，形成与外电场方向相反的电场，抵消了列车周围大部分场强。图5，图6的仿真结果与工作人员及旅客分别处于不同情况下的人体体表场强分布趋势基本一致，无列车停靠时空间电场分布较为平缓，有列车停靠时则衰减极快

根据有、无列车及有、无建筑对接触网牵引供电影响的分别在站台边缘处，白色安全线处及白色安全线外1m处三条采样线对人体头部区域的采样结果，计算得到表3四种模型下的屏蔽系数。

表3 头部电场强度的屏蔽系数

6 结论

本文通过模拟电荷法计算与MATLAB仿真对AT牵引供电的高速铁路接触网电场环境进行了数值计算，重点考虑了有、无列车及有、无建筑对接触网牵引供电影响的四种不同情况。结合控制变量法，通过数值计算与模拟结果，分别对站台边缘处，白色安全线处及白色安全线外1m处的人体关键部位场强及头部电场强度的屏蔽效果进行对比分析，验证了模型的可行性。得出以下结论：

1)通过不同高度的电场强度变化曲线，考虑建筑和列车停靠的影响，高速铁路站台公众活动区域电场分布情况表现为：垂直方向上距地面高度越高，波峰越高，场强越大；水平方向上以接触线为中心向远处衰减，接触线正下方场强普遍达到最大值。

2)建筑及列车都会对站台上的空间电场产生不同程度的影响，而建筑距离接触网较远，存在一定的屏蔽效果，但并不明显，仅为6%左右；列车停靠时对站台的空间电场屏蔽效果显著，在白色安全线处达到了86.0%，；当建筑与列车共同作用时，对空间电场的屏蔽效果最为明显，白色安全线处达到88.4%，屏蔽了绝大部分场强。

3)值得关注的是，当无建筑且无列车停靠时，站台边缘处人体头部区域的场强达到4621V/m，已经接近国际组织规定的5000V/m的电场曝露限值。所以旅客及工作人员在无列车停靠时也尽可能站在安全白线外候车。