电气化铁路钢轨内阻抗计算研究*

王 东， 张友鹏， 赵 斌

(兰州交通大学 自动化与电气工程学院, 甘肃 兰州 730070)

0 引 言

钢轨作为电气化铁路牵引供电系统的重要组成部分，除了支撑和引导列车运行外，还是牵引电流回流和轨道电路信号电流的共同通道。钢轨阻抗是轨道电路设计中重要的一次侧参数，阻抗大小影响着轨道电路的传输性能[1]。钢轨内阻抗是钢轨阻抗计算中极为重要的一部分，精确计算钢轨内阻抗对于保证轨道电路传输性能和列车运行安全具有重要意义[2]。

交流电流流经钢轨时，由于集肤效应的存在，导致电流分布不均匀，主要集中分布在钢轨表面。集肤效应会导致钢轨交流电阻的增加和内电感的减少。对于圆柱形导体，考虑集肤效应计算导体内阻抗时，可以直接解析求解，但对于像钢轨这种具有不规则横截面的导体，直接求解内阻抗时较为困难。

目前对于考虑集肤效应计算不规则导体内阻抗时，一般采用将不规则导体等效为圆柱体模型的做法[3]。Silvester P等人理论研究了圆柱形导体的集肤效应，为钢轨内阻抗的计算提供了理论依据[4]；Dommel H W和Semlyen A等人分别通过对Bessel函数进行多项式近似和渐近展开计算了圆导线的内阻抗[5,6]；陈彩屏使用Bessel函数计算了大参数下空心圆导线的内阻抗[7]；Hill R J等人基于有限元法研究了钢轨交流内阻抗随电流、频率的变化规律，并与实测数据对比，表明有限元法可用于钢轨内阻抗的计算[8]，但计算所需资源较大；朱峰等人将钢轨等效为圆柱形导体，推导出内阻抗计算公式，并利用多项式近似对Bessel函数进行近似[9]，但是计算与仿真结果同实验数据相比误差较大。……