地铁牵引供电接触网系统电磁场空间分布研究

姚 磊

中铁十一局集团电务工程有限公司，湖北武汉 430070

针对本文所讨论的问题来说，地铁牵引供电接触网系统的主要功能是为地铁运行提供动力，同时，这一系统在运转过程中将会对周围环境中的电磁场分布产生一定影响。结合目前状况来说，关于地铁供电接触网电磁场空间分布的研究相对较少，相关的工作人员在对供电系统进行建设过程中无从参考，因此，本文将结合现阶段较为常用的两种供电方式对其电磁场空间分布进行研究。

1 地铁牵引供电接触网系统

1.1 DC750V接触轨供电

DC750V接触轨供电方式具备供电结构简单、供电状态稳定、故障率低、便于维护检修等特点。在这一系统的应用过程中，相关工作人员要注意以下几点问题：①安装保护罩。在城市轨道交通地面段或高架段，接触轨长时间的暴露在空气中，雨水等天气将很有可能导致接触轨出现腐蚀或损伤，因此，接触轨供电系统中必须配备保护罩。②使用接触轨的线路要全面封闭。在地铁行驶的过程中，工作人员或乘客触碰到接触轨或集电靴时很有可能发生触电而导致死亡等严重安全事故，因此，DC750V接触轨供电系统的使用必须建立在线路完全封闭的前提下。

1.2 DC1500V架空接触网供电

相比较于接触轨供电系统来说，DC1500V架空接触网供电方式的使用能够有效避免断线事故的发生，同时，当地铁出现区间停运事故时，需要被疏散的乘客及地面检修人员的安全也能得到更好的保证。但是，这一供电方式也存在一定缺陷，例如：架空接触网导线架设位置较高，不易于检修工作的展开；当系统内出现断线事故时，检修人员需要花费较长的时间确定故障位置并进行维修等。

综合以上内容，除了在供电电压上的区别之外，这两种供电方式在电气特性及技术性能等方面都存在着较大的差异，本文将在后续内容中研究这两种供电方式对电磁空间分布所带来的影响。

2 有限元法

简单来说，有限元法就是以变分原理和剖分插值为基础的一种数值计算方法。即将连续的求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体，对各个单元进行分析，并将这些分析结果组合在一起，进而得到对整个对象的分析结果。结合这一思想，有限元法的计算步骤如下：将场域剖分成有限个单元，单元间通过节点相连；在每个单元内部结合求解函数值与坐标之间的关系得到插值函数；将上一步骤中得到的函数带入能量泛函积分式，并将泛函离散化为多元函数，得到一个代数方程组；最后使用计算机求得场域内位函数分布的数值解。

由于有限元法自身的特性，这一计算方法被广泛的应用于连续介质和场之中，对于本文所讨论的地铁牵引供电接触网系统电磁场空间分布来说也同样适用，本文将在后续内容中结合有限元法对这一问题进行详细研究。

3 地铁接触网系统电磁场空间分布研究

3.1 DC750V接触轨供电系统

3.1.1 接触轨供电

接触轨是城市轨道交通线路敷设的与轨道平行的附加轨，因为这一特性，接触轨在实际的应用过程中也经常被称为第三轨，第三轨是接触轨供电方式模型中向电动车组提供电能的主要结构。接触轨供电方式模型中的主要参数如下：电压额定值为DC750V，电压允许波动范围为500～900V，最大持续电流有效值为3000A。这一供电方式具体的工作流程如下：供应给轨道交通的电流经过走行轨返回牵引变电所，接触轨接牵引变电所正极，走行轨接负极。

3.1.2 电磁分布

具体的求解思路如下：首先，利用有限元法将电磁场分布的求解区域剖分成有限个单元；其次，在各个单元中构造插值函数得到每个单元空间的电磁场；最后，利用各个单元的计算结果逼近得到整个区域的电磁场。对DC750V接触轨供电方式在有车和无车状态下的电场分布进行分析，可以得到：在有车的状况下，电场主要集中分布在接触轨周围，而在无车状况下，电场则分布在整个空间内。同时，无论有无车辆通行，这一系统中电位和电场强度最大的位置均在接触轨处。结合以上内容，可以分析出，DC750V接触轨供电方式磁场分布的特点如下：与电场分布类似，有无列车通行对这一供电系统内磁场的分布与强度并无影响，系统中磁场主要分布在接触轨和走行轨处，其中，接触轨处磁失位和磁感应强度最大。由于磁感应强度大小与电流密度强度大小是成正比的，因此，在DC750V供电方式中，接触轨的磁感应强度大于走行轨磁感应强度。

3.2 DC1500V架空接触网供电系统

3.2.1 架空接触网供电

本文主要对刚性架空接触网进行介绍，这里的刚性主要指的是刚性悬挂。这种悬挂方式相比较于柔性悬挂具备更好的安全性和适应性，在运行维护工作上的复杂性也更低一些。结合以上内容，DC1500V架空接触网主要采用绝缘子来悬挂刚性导线，类比来说，这一供电方式可以被视作将第三轨悬挂到了隧道顶部，这样的处理方式不但能够增加导线与地面之间的距离，同时也能降低车辆上方的空间。这一系统中具体的参数设置如下：接触线上的额定电压值为DC1500V，电压在1000～1800V的范围内波动，最大持续电流有效值为3000A。工作方式包括：提供给轨道交通的电流经过走行轨返回牵引变电所，接触线接牵引变电所正极，走行轨接负极。

3.2.2 电磁分布

这一系统中电磁场空间分布的求解方式与上文中完全一致，本文不再进行重复论述。对这一供电体系中的电场分布进行分析可以得到：在有车情况下，电位主要分布在接触线和汇流排处，无车状况下，电位则分布在整个空间内；对于电场强度来说，接触线和汇流排处是电场最强的位置，同时，这一特性并不会随着有车无车的状况而改变；对于电位的变化情况来说，整个空间内电位的大小与距离接触线和汇流排的远近成反比。结合以上内容，DC1500V架空接触网供电方式磁场分布特点如下：在这一系统中，磁失位主要分布在接触线、汇流排以及走行轨处，其中，走行轨处的磁失位最大，结合上文中的内容，接触线及汇流排处的电流密度要大于走行轨处的电流密度，而由于走行轨的磁导率远大于以上两种材料，因此，磁失位的最大值位于走行轨处。也就是说，供电系统中的磁场分布不仅与电流密度有关，同时也与磁导率有关。

3.3 两种供电方式电磁场分布比较

3.3.1 电场比较

上文中已经提到，架空接触网供电方式可以等同于将第三轨悬挂到隧道顶部，因此，这两种供电系统在电场分布上体现出的特性是大体相似的。接触轨供电方式中接触轨处电位最大，架空接触网供电方式中接触线及汇流排处电位最大。同时，这两种系统中电位的分布都会被通车情况影响，因此，相关人员在对城市轨道交通电场模型进行研究的过程中，应将机动车组是否运行也作为主要的影响因素之一进行考量。对于DC750V接触轨供电方式与DC1500V架空接触网供电方式之间的电气特性进行分析，前者在接触轨处电场最强，而为了提升静电安全性、降低泄漏电流，系统构建过程中应尽量采用高绝缘性的介质来支撑接触轨。对于DC1500V架空接触网供电方式来说，这一系统的应用虽然能对接触轨所表现出的电气特性进行改善，但同时，由于接触线和汇流排处的电场强度要高于DC750V接触轨供电方式的电场强度，因此，这一系统的构建应采用具备更高绝缘性的介质来悬挂汇流排。

3.3.2 磁场比较

接触轨属于良好的磁导体，而DC1500V架空接触网中的接触线和汇流排则属于非磁导体，因此，这两种供电系统在磁场分布上存在着较大的差异。在DC750V接触轨供电方式下，最大磁失位和磁感应强度在接触轨处，而在DC1500V架空接触网供电方式下，最大磁失位和磁感应强度则在走行轨处。对于磁场强度来说，DC750V接触轨供电系统中的磁场强度要更高一些，因此，相关的设计人员在工作过程中必须考虑到走行轨磁场对于轨道交通信号系统中信号线排布的影响。

4 结语

综上，在对相关概念进行介绍的基础上，本文结合有限元法对DC750V接触轨供电方式模型以及DC1500V架空接触网供电模型的电场分布以及磁场分布状况进行了分析，对分析结果进行研究发现，这两种供电方式在电气特性、技术性能等方面各有优缺。结合本文所讨论的内容，设计人员将能在地铁接触网工程设计中获取更多的理论支持和决策依据。

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