第9讲-接触网的电磁兼容与电气计算

设计院接触网培训,SWJTUDONG 2009.10,第,9,讲 接触网电磁兼容与电气计算,主讲人 董昭德,西南交通大学电气工程学院,2007.08.,成都,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.1,概述,不对称性供电网络,指利用大地作为反向导线为工作电流提供电气通路的强电线路，,特点,四周的电磁场处于不平衡状态，未被平衡的空间电磁场使处于其影响范围内的金属体或通信线路各点产生纵向感应电势，对处于其影响范围内的电子设备和生态系统产生不同程度的电磁干扰。,潜在危险,可能造成对人体和设备的实际损害：,故障电流或工作电流引起的电磁效应对设备及维护人员造成危害；,对通信线路产生音频干扰，故障及闪络损害、电击危险、电缆皮腐蚀；,对石油等金属管线形成电腐蚀、电击危险、爆炸危险等。,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.2,产生电磁干扰的主要根源,接触网的电晕放电和火花放电；,运行中的弓网离线引起的高频电磁波；,电力牵引车辆的换流过程；,牵引供电统中的开关设备和电气车辆开关设备在操作中的瞬态过程；,接触网静电感应；,牵引电流或者短路电流引起的交变电场和磁场干扰；,钢轨纵向感生电压；,钢轨泄漏电流；,接触网接地系统的入地电流等。,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.3,电磁兼容的基本概念,基本概念,1,电磁兼容（,Electromagnetic Compatibility,，缩写为,EMC,），是指各类设备或系统（包括生命系统）共处同一电磁环境下能正常完成各自功能并和谐共存的一种状态。,2,电容兼容技术（或电磁兼容学）,研究系统（或设备）内部或系统与系统之间的电磁干扰和电磁防护的一门学科。,3,电磁兼容学的研究内容,纷繁复杂、包罗万象,起因最初现在,公用通道,环境电磁学电气化铁路地球和宇宙体的电磁环境,高压输电线电磁脉冲电磁辐射,电磁生态（电磁过渡和电磁饥饿）,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.3,电磁兼容的基本概念,电磁干扰的频谱分类,工频干扰,(50Hz),，包括电力牵引系统和输配电系统，波长在,6000km,左右；,(2),甚低频干扰，频谱在,30kHz,以下，波长大于,10km,；,载频干扰，频谱在,10300kHz,，波长大于,1km,；,高压输电谐波干扰、交流电气铁道的谐波干扰均在此范围之内,(4),射频、视频干扰，频谱在,300kHz300MHz,，波长在,1 1000m,之间；,电子医疗设备、输电线电晕放电、高压设备和电力牵引系统的火花放电、内燃机、电动机、家用电器、照明电器等产生的干扰均在此范围之内；,(5),微波干扰，频谱在,300MHz300GHz,，波长在,1mm1m,之间；,包括特高频、超高频、极高频干扰,。,(6),雷电及核电磁脉冲干扰，由吉赫直至接近直流，范围很宽。,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.3,电磁兼容的基本概念,电磁干扰的危害,1,对电子设备的危害,强电磁干扰：电子设备,PN,结快速升温，直接影响设备的正常工作，使信息失误，控制失灵，引发各种事故。军事上：电子战、系统瘫痪、武器自爆；,电磁脉冲核爆：,(50100kV/m),三无世界,2,对燃油、燃气的危害,频率,2MHz13MHz,，,100W,1175m,，爆炸；,24MHz32MHz,场强达到,37V/m,，引起电弧和电火花放电引起燃油爆炸；,运输过程中燃油在车罐内晃动摩擦会造成电荷积累，发生静电放电，只要燃油蒸气和空气的混合比例满足一定条件，就会引起爆炸。,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.3,电磁兼容的基本概念,电磁干扰的危害,3,对生命体的危害 ：表现为热效应和非热效应,当辐射功率密度超过,10mW/cm2,时以热效应为主，临床症状主要表现为：头昏脑胀、失眠多梦、疲劳无力、记忆力减退、心悸等；其次是：头痛、四肢酸疼、食欲不振、脱发、体重下降、多汗；部分女工出现月经周期紊乱；男性暂时性不育，过大则会引起永久性不育。少数人员出现指颤，易激动，心动过缓和血压下降或心动过速和血压升高，白细胞数下降或增高。长时间在微波照射下将导致白内障以致视力完全丧失。,当辐射功率密度小于,1mW/cm2,时，对人体的危害以非热效应为主，长时间微波辐射可破坏脑组织细胞,使大脑皮质细胞活动能力减弱，已形成的条件反射受到抑制。反复经微波辐射可能引起神经系统机能紊乱。某些长时间在微波辐射强度较高的环境下工作的人员,曾出现过度疲劳、头痛、手发抖、心电图和脑电图变化、甲状腺活动性增强、血清蛋白增加、脱发、嗅觉迟钝、性功能衰退等症状，血液内白细胞和红细胞数目减少，血凝时间缩短。,第,4,讲电气化铁路的电磁兼容,9.3,电磁兼容的基本概念,电磁干扰的危害,表,4-1,某大学所作现场血象变化调查结果,职称,性别,年龄,高频工作前白细胞总量,从事高频工作后的白细胞总量,一个月,三个月,半年后,一年后,副教授,男,58,5500,2700,助教,男,28,5800,4800,4600,4200,4000,助教,男,28,6200,2700,助教,女,26,6500,2200,实验员,女,38,6000,2700,注：数据来源于高攸纲编著,电磁兼容总论,。,第,4,讲电气化铁路的电磁兼容,9.3,电磁兼容的基本概念,我国相关标准,1979,年、,1985,年、,1988,年、,1989,年先后多次制定和修订了一系列相关标准,9.3,电磁兼容的基本概念,我国相关标准,与电气化铁道电磁兼容相关的国家标准有：,GB15707,1995,，高压交流架空输送电线无线电干扰限制；,GB/T15708,95,，交流电气化铁道电力机车运行产生无线电辐射干扰测量方法；,GB/T15709,95,，交流电气化铁道接触网无线电辐射干扰测量方法。,电气化铁道对人体的影响,关于工频强电场对人体影响的机理，现有观点不太完全一致。,（奶牛的故事）,德国、俄罗斯、西班牙、日本等国多数文献均认为工频强电场对人体有明显的不利影响，而欧美某些国家则认为工频电站周围电磁污染严重，但线网附近环境污染较轻。,俄罗斯卫生部还是规定：,在强电场工作下的工作人员所能承受的容许标准为,5000V/m,。,根据,德国,DIN VDE0228,标准，,50Hz,单相交流电气化铁道的影响范围在城市为,500m,其他地区为,2000m,。一般而言，,25kV,交流电气化铁路的最大电场在,2.7kV/m,以下，对人体不会有影响；短时间内形成的磁场强度最大在,80A/m,以下，对人体不会有影响。,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.3,电磁兼容的基本概念,电气化铁道对人体的影响,数据来源：德肯贝林、普兹曼、师明德等编著,电气化铁道接触网,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.3,电磁兼容的基本概念,电气化铁道电磁兼容的研究内容,1,电气化铁路产生电磁干扰的主要根源,（,1,）不对称性电路产生的容性、感性和阻性耦合，包括接触网电压（容性）、网中电流（感性）；钢轨纵向感生电压和泄漏电流（阻性）；,（,2,）接触网的电晕放电和火花放电；,（,3,）运行中的弓网离线引起的电弧、电火花、高频电磁波；,（,4,）电力牵引车辆的换流过程；,（,5,）牵引供电统和电气车辆中的大功率开关设备在操作中的瞬态过程；,（,6,）接触网接地系统的入地电流等。,注：不对称性电路（系统）是指以大地作为工作电流通路的强电电路系统，电气化铁道、以大地作为反向电流通路的单相输电线路，以“双线大地”工作的三相输电系统均为典型的不对称电路系统。,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.3,电磁兼容的基本概念,电气化铁道电磁兼容的研究内容,2,弓网滑动和离线产生噪音干扰的特点,日本高速测量值：占总体噪音的,2035%,左右。,(1),离线电弧产生的噪音较大，最高达,100dB,；,（,2,）列在曲线区段行驶或减速时，弓线间噪音强度比加速时高,1520dB,；,（,3,）无线电噪音与电源频率同步，周期性产生，每一周期的噪音是一组数十微秒至数毫秒的脉冲群，其持续时间与列车运行情况有关，在电视画面上的干扰也大不相同；,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.3,电磁兼容的基本概念,电气化铁道电磁兼容的研究内容,3,电气化铁道电磁兼容的研究内容,（,1,）产生电磁干扰的根源研究；,（,2,）电气化铁道电磁干扰的实际危害研究；,（,3,）电气化铁道电磁干扰的防护措施、预测和检测手段；,（,4,）电气化铁道系统内部各子系统间的干扰和防护；,（,5,）电气化铁道对铁路一定区域内的重要军事设施的影响；,（,6,）电气化铁道对抗电磁干扰的技术研究。,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.3,电磁兼容的基本概念,电气化铁道电磁兼容的研究内容,4,研究方法,（,1,）加强电气化铁道电磁兼容的理论研究；,（,2,）重视电气化铁道电磁干扰测量技术研究；,（,3,）加强对电气化铁道的电磁干扰监测；,（,4,）通过仿真技术对干扰和防干扰技术进行研究；,（,5,）总结出接触网电磁干扰理论，制定出具体可行的防护措施和技术标准。,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.4,技术要求,新建时速,300350km/h,客运专线铁路设计暂行规定,：,（,1,）电力牵引对通信设施及油气管道的危险影响、对通信设施杂音干扰影响的计算方法及容许值，油库、液化气库等易燃易爆品库与客运专线的安全距离，应按国家及行业现行有关规定执行。对通信设施杂音干扰影响的计算还应考虑动车组产生的谐波特性。,（,2,）电力牵引对电视差转台、调幅广播收音台、短波、超短 波收信台、机场导航台、定向台、对空情报雷达站、短波无线电测向台等无线电台站的防护要求，应满足防护率或干扰电压限值等电气指标，并符合国家及行业现行有关规定。根据防护率或干扰电压限值及,350km/h,时电磁辐射强度计算出防护距离。,(3),在分析、计算客运专线电磁影响时，应考虑高架桥梁、城市环境等屏蔽效果；设置防护措施时，应保证客运专线行车安全。,(4),选择线路方案时，遇重要无线台站及国防设施时必须满足防护距离要求；对一般的台站经经济技术比较后无法绕避时，可采取整体或部分搬迁、改进接收天线、提高接收信号能力或架设导线列阵等技术措施。,(5),牵引供电、通信、信号等电气设备的设计应满足电磁兼容性的相关标准规定；接地系统设计应检验各种情况下的人身安全电压，并应符合相关规定。,课间休息！,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,接触网影响的分类,电气化铁路接触网的电磁干扰从其本质上可分为,容性藕合,（静电感应）干扰、,感性藕合,（电磁感应）干扰、,阻性藕合,（传导电流）干扰三种。前两种分别由牵引网的电压和牵引电流引起，而阻性藕合干扰是由于牵引电流流过钢轨一大地回路时,使大地的不同地点出现不同的电位所引起。,9.5,三大干扰的经典计算理论,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,基本概念,1,危险影响,工频基波电压和电流对处于影响范围内的金属体或通信线路产生的电磁影响。,2,干扰影响,牵引谐波电流对通信线路产生的杂音干扰，在音频范围内对通信设备的正常运行线路造成妨碍。,3,平行接近与斜接近,当通信线路进入电气化铁路影响范围内，计算其所受影响时，往往将受影响的区段称为接近段。接近段若与接触网平行，则称为平行接近，两线路的距离称为平行接近距离，接近段的长度称为平行接近长。,若该接近段的接近距离有均匀地增加或减少,(,即接近距离的变化超过平均值的,5%,时,),，则称为斜接近 。,9.5,三大干扰的经典计算理论,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,基本概念,4,交叉跨越,通信线路从铁路一边跨越至另一边时的称谓，计算交叉跨越的景响时应以跨接触网,50m,的两点为交叉跨越的界点。若在此范围内出现急剧改变方向点，则以该点为计算界点。,5,等值干扰电压,将接触网中各实际谐波电压在邻近通信线路上所引起的杂音电压归算至接触网中,800Hz,电压在邻近通信线路上所引起的杂音电压，此,800Hz,电压称为等值干扰电压。,6,等值干扰电流,将接触网中各实际谐波电流在邻近通信线路上所引起的杂音电流归算至接触网中,800Hz,电流在邻近通信线路上所引起的杂音电流，此,800Hz,电流称为等值干扰电压。,9.5,三大干扰的经典计算理论,静电感应电压计算用图,容性耦合（静电感应）影响,接触网带电后，其周围产生静电场，通过干扰效应使处在该电场内的导体和系统部件产生对地电压。,在实际计算中采用如下公式,对于简单悬挂,K,0.263,，对于链形悬挂,K,0.4,（单线）或,0.6,（复线）,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,5,米处广深线实测值：平均,3190,，计算值略有偏高,10%,以上，主要是没有考虑路础及其附近其它建筑物的影响，若考虑这一点，误差在,5%10%,之间。,容性耦合（静电感应）影响,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,容性耦合（静电感应）影响,在一般情况下，接触网附近的金属导线与接触网之间不可能一直处于平行状态，而是曲折变化复杂平行接近的，此时可将其分段进行计算然后累加，其理论计算公式为,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,接近段长度的算法,容性耦合（静电感应）影响,对于平行接近，取实际长度，对于斜接近，平均接近距离为,计算时，每一斜接近段两端的距离比不得大于,3,；若大于,3,则应分成若干段分别计算；此时的“平行接近长”是金属导线在接触网上的投影。若金属导线从铁路一边跨至另一边时，以距接触网,50m,远的两点为交叉跨越地段的界限。如在上述交叉跨越地段内有一条线路急剧改变方向时，则以该点为交叉跨越地段的界限。,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,感性耦合（电磁感应）影响,1,计算电磁感应影响应具备的技术参数：,（,1,）通信线路及其机械设备的类型；,（,2,）架空明线的接近长度和接近情况；,（,3,）牵引供电方式；,（,4,）牵引变电所位置及供电臂长度；,（,5,）正常工作状态的负荷电流和短路故障状态的电流曲线；,（,6,）其它相关资料：铁路沿线的大地导电率、钢轨屏蔽系数、金属导线或接触网支柱基础附近所有地上和地下金属设备等。,感性耦合（电磁感应）影响,2,计算公式,感性耦合影响是牵引电流引起的，接触网中电流（工作电流、短路电流、高次谐波电流）产生交变磁场，该交变磁场作用在接触网周围的金属设备和电缆上，在受到影响的金属设备和电缆中引起感应电流，使这些设备受到干扰或损坏。,没有考虑屏蔽作用,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,考虑屏蔽作用,感性耦合（电磁感应）影响,导线一大地回路对接触网而言是一个有源网络，而钢轨、电缆外皮、电缆芯线等可视为被感应的回路，其感应电流产生的磁场对接触网的磁场起反磁作用。分析某一被感应导线的感应电势应是所有在其上感应出的电势的相量和，不过工程上采用了近似式，把这种影响利用“屏蔽系数”这个概念来综合表达,屏蔽系数计算,屏蔽系数推荐值：,钢轨屏蔽系数：牵引变电所附近取,0.2,；双线牵引变电所,2000m,以外取,0.45,；单线牵引变电所,2000m,外取,0.55,。,回流线屏蔽系数：取为,0.550.7,。,受影响的电缆护套屏蔽系数：取,0.10.5,，对于电信电缆，取决于电缆金属护套的结构。,建筑物密集区取为,0.70.8,，农村地区取为,0.91.0,。,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,感性耦合（电磁感应）影响,对于两个导体大地回路间的单位长度互感，,50Hz,单相交流电气化铁路的单位长度互感的近似值,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,感性耦合（电磁感应）影响,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,感性耦合（电磁感应）影响,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,感性耦合（电磁感应）影响,对单相工频交流电气化铁路接触网短路电流的防护可参考下图取值进行设计,单相工频交流接触网的最大短路电流曲线图,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,阻性耦合影响,当弱电设备与强电设备接近时，除了产生前面所述的感性耦合和容性耦合外，还存在阻性耦合。该耦合将对弱电设备产生危险影响和干扰影响。由于阻性耦合，处于电气化铁道周边的电缆护套或其它金属体内存在阻性耦合电流，它使变电所周围的电信电缆发生电位升高，其大小取决于大地和各设备之间的接触电阻。,为了消除阻性耦合对人员和设备造成的危害，接触网周围一定区域中的所有金属部件都必须与综合接地系统连接，使其电位与大地相等。若做不到这一点，则应想法对受影响的电缆或其它金属体实施足够长的绝缘保护。,课间休息！,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,危险影响标准,金属导线的危险电压允许标准主要取决于危险电压可能产生的通过人体的电流及其作用时间，这取决于人体阻抗、外加电压和皮肤干燥程度。危险电压作用的时间越短，对人身安全的保证就越大。,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,危险影响标准,人体总阻抗与外加电压的关系,为确保设备安全和维护、操纵人员的人身安全，应规定金属导线受影响的允许标准：当外加电压为,100V,时，若人体总阻抗平均值为,4000,，国际电报电话咨询委员会,(CCITT),规定允许通过人体的最大电流不得大于,15mA,，所以，国际电工委员会标准规定：接触网正常状态下感应电压的最大限值为,60V,；短路条件下感应电压的最大限值为,430V,，德国,DVGW/VDE,规定长期为,65V,，短期为,500V,。,新建时速,300350,公里客运专线铁路设计暂行规定,下册第条解释说明中关于德国,DVGW/VDE,规定短期为,1000V,疑似错误。,外加电压（,V,）,人体总阻抗平均值 （欧）,50,10000,100,4000,500,1200,1000,1100,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,危险影响标准,危险电压的允许标准可归纳为下列几条：,(1),在接触网正常工作状态下，接触网附近的金属导线中感应的纵电动势不得超过,60V,；在特别困难的情况下允许达到,150V,，这时线路的维修必须采取特别防护措施。,(2),在接触网短路故障状态下，架空明线中感应电势不得超,430V,，而电缆芯线中感应电势不得超过电缆绝缘试验电压的,60%,。,(3),当人体同时触及到遭受静电影响的架空导线与地时，通过人体的静电感应电流不得超过,15mA,。,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,危险影响标准,关于标准技术频率范围内电磁场最大允许值的规定,接近段范围,IRPA,及,WHO,推荐,德国,1997,年,1,月强制指定,16.7Hz,50Hz,16.7Hz,50Hz,E(KV/m),B(,T),E(KV/m),B(,T),E(KV/m),B(,T),E(kV/m,）,B,（,T,）,范围,1,1 h/d,2 h/d,30,4000,永久地,31,400,范围,2,永久地,15,300,5,100,10,300,5,100,几小时,30,3000,15,1000,20,600,10,200,范围,1,：控制区域，一般可以接近，但确定的接近段为短时接近段。,范围,2,：所有无法预测的短时接近段的区域，如居住及办公建筑、运动场所，娱乐及修养设施。,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,危险影响标准,交流,25kV,接触网四周的磁场强度与接触网的悬挂形式、四周建筑物及其特性，接触网中流过电流大小有关，左图是德国相关部门计算和测定的当牵引电流为,1000A,时的电气化铁路磁场强度特征图。,从图中可见，增加回流线后，近距离的磁场强度降低三分之一，,4m,范围内的磁场强度降低一半，因此、安装回流线对降低磁场强度有明显作用；,从图中还可看出，德国的计算值和测量值之间有很好的一致性。,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,危险影响标准,对于,1x25 kV,直接供电、,2x25 kV AT,供电、带吸流变压器的,BT,供电，德国分别计算了列车所在区段,IIA,和远离列车的区段,I,的磁场，其结果如下图所示。,三种供电方式示意图,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,危险影响标准,对于,1x25 kV,直接供电、,2x25 kV AT,供电、带吸流变压器的,BT,供电，德国计算的列车在区段,IIA,和远离列车的区段,I,的磁场，其结果如下图所示。,列车电流为,1 kA,时钢轨上端,1,米处的磁场（区间,I,）,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,危险影响标准,对于,1x25 kV,直接供电、,2x25 kV AT,供电、带吸流变压器的,BT,供电，德国分别计算了列车所在区段,IIA,和远离列车的区段,I,的磁场，其结果如下图所示。,列车电流为,1 kA,时钢轨上端,1,米处的磁场（区间,II,）,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.5,三大干扰的经典计算理论,危险影响标准,带回流线和没带回流线的,Re 330,周围的磁场。,从图中可以清楚地看到接触网周围的磁场是怎么作用于导线的，从而周围的环境不会产生较高的接触电压。,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.6,牵引供电系统与电磁干扰防护配合,1,采用适当的供电方式,高速铁路一般采用通信容量大，保密性强，不受电磁干扰的光通信，但由于光波的不可分岐性，诸如红外线计轴，道口电话、区间电话等铁路区间的信息传递仍离不开架空明线或电缆。同时由于牵引电流加大，对弱电的电磁干扰能量将加大,其危险影响的防护还须加强。与常速电气化一样,高速铁路也需采用适当供电方式,预以危险影响及干扰防护的配合。,（,1,）在干扰防护要求高的大城市及通信局站、计算中心、大量市话电缆集中的地区采用,AT,或,BT,供电方式，而对防护要求不高的地区则采用投资低的直接供电方式；,（,2,）同相供电方式，同相供电可以减少甚或取消接触网的电分相，使电气化铁路牵引供电的电能质量得到根本改善，同时也能最大限度的降低负序和谐波对电力系统的干扰。西南交通大学和清华大学等高校目前正通过国家支撑项目对其进行深入研究。,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.6,牵引供电系统与电磁干扰防护配合,2,改善弓网性能,接触网的射频干扰是主要源于弓网离线。降低离线率的主要措施有：,（,1,）增加接触网的波动传播速度，采用强度高、密度小的银铜、镁铜、锡铜等接触导线，加大接触线和承力索的补偿张力，使列车运行速度小于波动传播速度的,70%,。,（,2,）采用与卷线张力近似的恒张力放线作业，减少接触网硬点，增加悬挂弹性。,（,3,）减少弓网接触压力偏差，将弓网动态接触压力保持在适当范围内。胶济线试验表明，当运行速度达,250km/h,时，接触压力会在,0250N,之间变化，应采取技术措施将弓网接触压力控制在,50N200N,内，以降低离线率，减小电磨耗和机械磨耗。,（,3,）优化接触网结构，采用强度高、重量轻、结构好的接触网零件。,（,4,）选择空气动态特性好、归算质量小、跟随性能好的受电弓，实现弓网最佳配合,减少受电弓个数，通过计算、仿真、试验，确定受电弓的最佳安装位置及其相互间的距离。防止多弓相互干扰产生附加振荡，增加离线次数。,以上措施不仅是电磁防护的需要，也是提高弓网受流质量、保证运行安全的实际需要。,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,9.6,牵引供电系统与电磁干扰防护配合,3,抑制高次谐波扩大,从抑制高次谐波扩大上配合对有线通信设施杂音干扰的防护。,对有线通信的杂音干扰主要是由接触网中的高次谐波介入到,3003400Hz,的音频带内引起的。其结果是产生杂音及热噪声，造成信噪比及通信质量下降。,交,-,直,-,交动车组高次谐波的特点：,1000Hz,以下比交,-,直机车少；在,10002000Hz,间的的高次谐波要比交直车多。根据日本,star21,走行试验报告分析：,1000Hz,以上谐波因馈电系统存在变压器漏抗和分布电容，有可能引起谐振。日本东北新干线,82%,区间具备引起谐振的条件,存在谐波扩大的可能性。其扩大必然会给,ATC,回路，有线通信回路等带来干扰。,因此牵引供电必须采取恰当的措施。为此，日本开发了,RC,高次谐波扩大抑制装置,接于谐波大的接触网的,T,、,R,、,F,线间，试验结果证明是有效的。,9.7,接触网工频电场和磁场分析,9.7.1,接触网电场分布计算,几点假设：,（,1,）接触网系统中，各导线均为平行于大地的长直圆柱导线；,（,2,）接触网系统中，各导线电流短时间内稳定，产生的电场为恒流电场；,（,3,）取承力索距接触线距离为,h-2/3f,max,，其中,h,为接触网结构高度，,f,max,为最大弛度。,9.7,接触网工频电场和磁场分析,9.7.1,接触网电场分布计算,镜像法用于线电荷与,无限大接地导电平面静电场边界问题,9.7,接触网工频电场和磁场分析,9.7.1,接触网电场分布计算,9.7,接触网工频电场和磁场分析,9.7.2,接触网磁场分布计算,复线区段“直接供电回流线”的磁场计算模型,单根导电体周边的磁场强度,9.8,过分相过电压分析,电力机车通过受电弓与接触线的滑动接触，,保持电气连接，取得电能。,交,-,直,-,交牵引电传动系统原理示意图,受电弓位置变化与电的关系,中性段上的耦合电压,取线间距为,500mm,，考虑接触线间电磁耦合效应，设等效耦合电容为,C,jz,根据节点电压法可得中性段上存在的感应电压：,中性线上的耦合电压,中性线上的感应电压只与两个电源的相位关系有关，代入线路实际参数计算。,平衡变压器接线方式下（两相电压相位相差,90,度），感应电压有效值约为,17kV,；,Yn,d11,接线方式下（两相电压相位差,120,度），感应电压为,12kV,。与现场测量值吻合。,接触线与中性线的断口电压差,Yn,d11,变压器,平衡变压器,在机车通过电分相的过程中，可以认为受电弓是,A,相接触线,(,或者中性段接触线）的延长线，当受电弓前端与中性段接触线（或者,B,相接触线）的间距非常小时，恰好电压差 的瞬时幅值能够击穿两者之间的空气间隙，就会产生电弧。,棒,-,棒电极的平均击穿场强,5.36kV/cm,，那么理论上能产生电弧的最大可能间距为：,变电所出口处关节式电分相分析模型,S1,先闭合，模拟机车在分相区域前受电弓与接触线的连接，,S2,闭合，模拟机车受电弓第一次跨接中性线和接触线的过程。,S1,断开，,S2,保持闭合，模拟机车分离接触线和中性线，而只与中性线连接的瞬间。,S2,闭合，,S3,闭合，模拟机车第二次连接接触线和中性线的过程。,S3,闭合，,S2,断开，模拟机车第二次分离中性线与接触线，最终只与接触线连接的过程。,开关,S1,、,S2,、,S3,模拟机车受电弓通过电分相时的转换过程,电压互感器等效电感、中性线的,T,形等效电感和中性线对地电容，三者连接于同一节点并接地，可以视为一个整体的元件。因为中性线等效电感很小，可以忽略，互感器等效感抗远大于中性线的对地容抗，约为后者的,30,倍，在此，上述三个元件混联的效果为容性，简化为电容,C,。,受电弓第一次同时跨接中性线与接触线的瞬间,零输入响应为,：,经过分析，将,i2,回路独立分析影响不大，有,任何一个二阶的常系数非齐次微分方程,其全相响应可以分解为,零输入相应,和,零状态响应,，分别讨论。,令,：,所以有：,又令：,当有电源激励的时候，设电源激励为：,其中,，,分别为电源的角频率和初相位。,该微分方程的通解由两个分量组成，,即非齐次方程的特解和对应的齐次方程的通解之和,。非齐次方程的,特解,一般取电路稳定状态下的电压值，即：,所以零状态响应下，电容电压的表达式为：,代入初始值：,零状态响应下齐次方程的通解表达式为：,进一步推导，得到齐次方程的,通解,的表达式为：,零状态响应为：,全响应为：,若此后还有第,二,次电弧连接，则电压初始值为此次全响应经过一定时间的衰减后的数值，代入计算。,理论波形与现场试验,-80,100,0,理论计算波形,现场试验波形,按照合闸空载线路过电压的计算方法，最大中性线瞬时对地电位为：,代入相关数据可得最大幅值为：,如果在线路电流过零之前，即电弧保持两线连接的状态下，由于电弧短、电阻不大，接触线和中性线的电势差别很小，可以近似认为相等，受电弓前进跨接中性线和接触线，不会产生新的（合闸）过电压。,若刚好在电流过零，电弧熄灭后未能重燃的情况下，受电弓前进跨接中性线和接触线，则相当于第二次合闸，这次合闸的后果将比第一次严重，因为：,等值回路呈容性阻抗，电流和电压相差,90,度，电流为零时，电压幅值恰好达到最大。,极短时间内（小于,0.01s,），上一次合闸产生的振荡过电压衰减不大，仍有很高幅值的残余，可以认为基本保持不变。,上一次合闸产生的振荡过电压谐波频率非常高，受电弓连接接触线和中性线的瞬间，振荡过电压的相位不确定，瞬时幅值也难以确定。如果上次合闸产生振荡过电压的瞬时幅值为负的最大值，而电源的电势为正的最大值，差值将非常大。,受电弓第一次离开中性段接触线并与,B,相接触线同时接触的瞬间,在第一个过渡区,(,接近一跨,),内同时跨接接触线和中性线。在此期间，电感、电容、电源进行能量交换,并且之前合闸产生的过电压，在过渡区域逐渐衰减。,按照一跨的过渡区计算，若机车,200km/h,的速度通过分相区，则需要,1s,；若机车以,100km/h,的速度通过，则需,2s,。这是一个较长的暂态过程，振荡过电压基本衰减结束，中性线的电压达到稳态，与电源电压一致。,暂态过程与受电弓进入电分相时，第一次通过电弧连接中性线和接触线的过程一致，令 为分离瞬间左侧电源的瞬时幅值，可得第一次分离中性线和接触线时刻，中性线对地电容上的电压全响应为：,那么，电弧是否能够重燃，再次通过受电弓连接到接触线呢？为解决这个问题，将断口电压的上升率和端口距离的变化率进行比较。,在受电弓离开接触线的瞬间，接触线电压与中性线电压相等，有,只要列车通过速度大于,80km/h,，就不会产生二次电弧。,理论上二次电弧合闸过电压的幅值的最大值为：,这种情况只发生在受电弓在电源电压为正（或负）峰值时断开，由于容性电流超前电源电压，此时电流为,0,，不会产生电弧，断开后，受电弓与接触线的断口的电压差逐渐变大，经过半个工频周期，若刚好在电源电压恢复到负（或正）峰值时候，击穿空气间隙，连接受电弓和接触线，此时会产生振荡电压。考虑棒,-,棒间隙的平均击穿场强为,5.36kV/cm,76kV,的电压差能击穿的空气间隙是,14.18cm,所以要想避免这种情况的发生，则机车必须在半个工频周期内将受电弓与接触线的间隙拉大到,14.18cm,以上：,正常线路上，电力机车都能满足这个速度要求。但是，货车，尤其是运行于山区的货车，速度本就不高，还需要在过分相之前退级，切断牵引电流，造成速度损失；再考虑到海拔高，空气稀薄的线路条件使得击穿间隙的平均场强还将降低，可见这个速度条件还是比较苛刻。,受电弓第二次跨接中性线与接触线接触的瞬间,相对于第一次受电弓跨接，二次受电弓跨接时车顶互感器的电压变化更大，这个电压的突变，更容易导致互感器出现涌流，导致互感器线圈铁磁饱和，使得等效电感降低，接近电容等效值（两者只差一个数量级），进而出现铁磁谐振，产生谐振过电压。,受电弓第二次离开中性线与接触线接触的瞬间,机车的速度损失更大。机车在进入分相前就已经切断了牵引电流，经过长达,300,米以上的无电运行状态，达到第二次受电弓分离接触线和中性线的位置时，机车的速度损失更大，将更有可能产生二次电弧。令 为分离瞬间右侧电源的瞬时幅值，可得第二次分离中性线和接触线时刻，中性线对地电容上的电压全响应为：,供电臂末端的电分相分析模型,与变电所出口处的关节式电分相不同，分区所处的关节式电分相需要考虑接触线的自身阻抗和分布电容对暂态过程的影响。,考虑到接触线的长度是中性线长度的近百倍，并且接触线的对地电容始终连接在电源上，电压变化量不大，可以忽略其影响，电压为,这种类型的关节式电分相与变电所出口处的关节式电分相相比，仅仅是等效电阻和电感变大，但是电路依然是振荡的，与前者的区别是衰减系数和振荡频率发生变化。其衰减系数和振荡频率随供电臂长度的函数图像如图所示。,结论与建议,过电分相产生的过电压的性质主要为合于空载容性线路的合闸过电压，与牵引载体本身无关，所以电力机车和动车组都会在通过关节式电分相时产生过电压。,受电弓通过电分相的四个阶段都会出现电弧，相应产生合闸过电压，两次跨接时刻的过电压幅值很高，而两次分离时候产生的过电压在机车速度条件满足时，幅值不大。,不论是分离还是跨接阶段，电弧的重燃的出现，将会使得振荡过电压的幅值更高，足以击穿放电间隙。,结论与建议,受电弓分离接触线和中性线时，速度大于,80.4km/h,就不会产生二次电弧；低于,51km/h,时就可能产生最大为,114kV,的过电压。,两次跨接时刻，高幅值的振荡过电压有可能引起车顶高压互感器的铁磁饱和，使得等效电感降低，接近中性线电容值，产生谐振。以谐振频率叠加在合闸过电压上，瞬时幅值更大，且不易衰减。第二次跨接中性线和接触线时，由于互感器初值小，电压突变更大，饱和可能性比第一次跨接时更大。,结论与建议,电弧重燃是引起过电压偏高的主要原因，可以考虑在两个断口处加强绝缘，改善电极形状，提高击穿电压水平，或设定固定电弧产生点，以利于对电弧的控制。,选择和设计关节式电分相的过程中，应进行线路合闸过电压计算，使得过电压幅值低于车顶放电间隙或避雷器的阀值，山区应考虑海拔和空气密度的对绝缘的影响。,保证绝缘配合的基础上，增强车顶的绝缘强度，提高耐受电压水平。,结论与建议,合闸过电压是一种操作过电压，持续时间短，为了保护其他电力设备，牵引变电所跳闸，以释放能量，是合理的，跳闸后，振荡电压被转移，采用自动重合闸或者强送电，一般都能够恢复正常供电。,为了保证重合闸动作的正确性，考虑到线路整体为容性，电弧跨接后电流超前电压,90,度，而跨接之前电流为感性，利用这个变化特征，可为智能重合闸提供参考。,祝大家午安！,第,9,讲电气化铁路的电磁兼容,