動車組過絕緣關節燃弧過程暫態仿真研究

石瑞霞，李紅梅

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動車組過絕緣關節燃弧過程暫態仿真研究

石瑞霞，李紅梅

分析動車組低速出入動車運用所（庫）通過絕緣關節時的燃弧過程，通過建立等效模型并借助Simulink仿真平臺，仿真分析了不同網壓差對絕緣關節電位差、牽引網暫態過電壓的影響。研究結果表明，燃弧與兩側網壓差、動車組運行速度及錨段關節設計有關。

動車組；絕緣關節；電弧；電磁暫態

0 引言

為滿足機械和電氣2方面的要求，電氣化鐵路接觸網常采用錨段關節形式實現供電分段。為保證供電靈活性，動車運用所（庫）一般由開閉所供電，其與車站站線供電單元保持相對獨立，通常在動車走行線設置絕緣關節，以滿足供電分段要求。動車組白天由動車運用所（庫）出庫至正線正常運營，晚上入庫接受檢修，出入運用所（庫）過程中需通過位于動車走行線上的絕緣錨段關節。受供電分段的設計或實際運營過程中的相關因素影響，絕緣關節兩端的供電單元可能存在一定的電壓波動和電位差，動車組從一個錨段運行到另一個錨段的過程中，受電弓與接觸線經歷由接觸到分離到再接觸狀態的轉換過程，并可能伴隨弓網燃弧現象。燃弧的出現不僅會灼燒接觸線和受電弓，甚至會導致動車組運行事故[1]。此外，弓網燃弧可能會導致暫態過電壓現象，威脅動車組及牽引網運行安全。因此，有必要對動車組通過絕緣關節產生的燃弧問題及其影響進行相關研究。

1 動車組過絕緣關節過程分析

在我國高速鐵路的設計和建設中，接觸網錨段絕緣關節通常采用四跨、五跨形式。目前，國內已開通運營的高鐵線路多采用五跨絕緣關節，分相區段及部分線路區段采用四跨關節及其組合形式[3]。以直線段五跨絕緣關節為例，動車組通過五跨絕緣關節過程如圖1所示。

圖1 動車組通過五跨絕緣關節示意圖

圖1中，接觸網五跨錨段關節拉出值按照“Z”字形布置。動車組通過絕緣關節過程中，假如動車組由位置b向位置a處運行，受電弓將從b錨段過渡到a錨段，弓網之間的燃弧可能伴隨如下幾個過程：

（1）受電弓運行于位置b處，逐漸接近a錨段，小于一定距離時，發生空氣絕緣擊穿，此時弓網間開始出現燃弧；

（2）受電弓運行于B、C絕緣關節中心柱中間等高點處時，將與a錨段接觸，在該位置，受電弓同時跨接a錨段與b錨段，兩側接觸網可能由電弧導通；

（3）受電弓繼續運行，由等高點運行至位置a為上述過程的反向過程，受電弓運行至位置a處，此時受電弓完全通過絕緣關節，并與a錨段完全接觸，弓網燃弧熄滅。

為滿足日益增長的運營需求，大型車站、始發站附近將設置動車組運用所（庫）或停車場，用以停靠更多動車組，且便于車輛日常維護檢修。通常情況下，停車場與車站正線和站線均由較近的牽引變電所或開閉所同一母線供電。圖2為動車組出、入庫過程中牽引網供電簡化示意圖。

圖2 動車組出、入庫供電示意圖

圖2中，動車組白天由停車場始發出庫，發往車站及正線，晚上返回到停車場接受維修檢查，期間均需經過動車走行線區段的絕緣關節。動車組出庫過程中，停車場區段列車集中運行，而車站幾乎無牽引負荷，接觸網絕緣關節兩側容易形成一定的電位差；動車組入庫過程同理。當電位差達到一定數值時，受電弓通過絕緣關節過程中會出現持續燃弧現象。圖3所示為我國某線路動車組通過絕緣關節過程中實拍的燃弧過程。

2 動車組過絕緣關節燃弧建模

針對圖1所示動車組出入庫過程中通過五跨絕緣關節發生燃弧，借助Simulink平臺建立如圖4所示等效模型。

圖4 動車通過絕緣關節等效模型

圖4中，A()、B()分別表示牽引變電所或開閉所母線電壓；s、s表示牽引變壓器等值電阻及電感，由于絕緣關節兩側接觸網由同一變電所供電，因此兩側電源等值模型參數理論上相等；A、A、A分別表示A側牽引網等值電阻、電感及電容，B、B、B表示B側牽引網線路等值參數；AB為五跨絕緣關節耦合電容；m、m為正常運行的動車組等效模型；arc為等效電弧模型，用動態電阻表示。根據我國某線路參數，由經典Carson模型[4]可得圖4模型中各參數及其計算值如表1。

表1 等效模型參數表

模擬動車組出、入庫通過絕緣關節燃弧的過程，可通過圖4中的開關1、2相互配合實現。假設動車組由A側向B側運行表示動車組出庫，根據第1節所述的3個過程，開關1閉合、2斷開即可等效過程（1），開關1、2均閉合即可等效過程（2），開關1斷開、2閉合即可等效過程（3）。調換左右兩側牽引網參數值即可模擬動車組入庫過程。

3 動車組過絕緣關節燃弧仿真

動車組入庫期間，停車場負載增加，而動車組出庫后，停車場基本處于空載狀態，這2種情況下均會造成絕緣關節兩側接觸網由于負載差異而產生電位差，從而引起弓網燃弧現象。

接觸網一跨錨段長度設計約為45～50 m，燃弧主要集中于B、C轉換柱中間的區段。動車組入庫期間，速度要求不超過10 km/h，出庫速度不受限制[1]，但由于出庫動車組啟動不久，速度一般不會太高。若按照10 km/h的運行速度，通過整個錨段關節時長約1～2 min。

為便于研究絕緣關節兩側電位差對燃弧的影響，設置圖4中A、B兩側接觸網長度相等，且均取1 km；通過改變兩側電源電壓的幅值大小，模擬由不同負載變化下不同電位差引起的燃弧過程。由于接觸網額定電壓值波動一般不超過2 kV，因此，設置左右兩側電源相位相等，電位差不超過 4 kV。為提高軟件運行效率，以下仿真整體縮短各個過程時間，選取等效電弧模型[5]。設置動車組由0時刻開始通過絕緣關節，0.5 s時刻開始出現燃弧，2.5 s時刻熄弧，即2.5 s時刻完全通過絕緣關節，整個燃弧過程持續2 s，總時長取3 s。以兩側電壓源額定電壓差2 kV為例，仿真得到動車組通過絕緣關節期間電弧波形及暫態電壓波形分別如圖5、圖6所示。

圖5 電弧仿真波形

圖6 接觸網電壓仿真波形

圖5為仿真所得電弧電流及電壓波形。由電弧電流波形可以明顯看到零點時刻的零休狀態，與國外弓網電弧試驗平臺測試電弧特性波形結果一致，由此可認為選取的電弧模型是有效的，圖4所示的等效電路仿真模型可用于分析動車組過絕緣關節產生燃弧的過程及影響。

圖6所示波形即為動車通過絕緣關節過程中燃弧對接觸網電壓的影響。圖中實線標注0.1～ 0.5 s期間，動車由接觸網滿載一側運行，設置接觸網額定電壓為25 kV，2.5～3 s期間，動車運行到接觸網空載一側，設置接觸網額定電壓為27 kV；虛線為0.5～2.5 s期間出現燃弧，且選取中間2個周期對電壓暫態波形進行放大處理。可以發現，0.5 s時刻，電壓出現暫態過電壓情況，且幅值達到43.5 kV，2.5 s時刻電弧熄滅，此時過電壓值也達到41.2 kV，高于額定電壓，且燃弧期間接觸網電壓諧波畸變率為9%。結果表明，動車通過絕緣關節期間，電弧是引起暫態過電壓及電壓波形畸變的重要原因。

按照以上設置，改變絕緣關節兩側電壓幅值，可得如表2所示不同額定電壓差對絕緣關節兩錨段間耦合電位差、暫態過電壓的影響。

表2 絕緣關節電位差、過電壓幅值與網壓差關系kV

表2中，當網壓差為4 kV時，絕緣關節電位差達到11.7 kV，此時瞬態過電壓最大為45 kV；而網壓差為零時，由于錨段關節之間的電容耦合作用，兩側電位差為7.6 kV，此時過電壓幅值最小為41.7 kV。本文的仿真僅考慮2 s內的持續燃弧，實際動車出入庫期間通過絕緣關節需要1～2 min，燃弧持續時間可能更久，過電壓可能伴隨整個過程。

從以上研究可以發現，動車通過絕緣關節過程中，燃弧不僅與兩側網壓差有關，還與動車組通過絕緣關節時間有關，即與動車組通過速度及絕緣關節設計相關。因此，平衡絕緣關節兩側牽引網負載、采用較短絕緣關節設計及適當提高動車組通過速度均可在一定程度上減少燃弧現象。

4 結語

動車組通過絕緣關節期間，受電弓從一個錨段跨接到另外一個錨段，弓網之間出現分離—再接觸過程，電弧將隨之產生。尤其是在車站與動車運用所之間，由于負荷差異大，列車通過速度低，弓網燃弧現象更加明顯。弓網燃弧不僅會燒損受電弓與接觸線，同時可能會造成長時間的持續過電壓，威脅牽引網及動車組運行安全。通過仿真分析，模擬了不同網壓差對絕緣關節電位差、牽引網暫態過電壓的影響。結果表明，從絕緣關節設計、動車組通過速度及牽引供電負荷分配3個角度進行優化，可減小動車組通過絕緣關節時的燃弧率，有助于提高高速鐵路運營的安全性。

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By analyzing the arcing process under passing through the insulated overlap section by EMU in a low speed as it enters into or departs from the EMU operation deport (shed), and by means of establishing the equivalent model, being assisted with Simulink simulation platform, the influences to the insulated potential difference and traction network transient over-voltage caused by different network potential differences are simulated and analyzed. The researching results show that the arcing relates to the network potential differences at both sides of network, running speed of EMU and design of overlap section.

EMU; insulated overlap section; arcing; electromagnetic transient

U225.4

B

1007-936X(2018)05-0037-04

2018-04-23

石瑞霞.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，高級工程師；

李紅梅.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，教授級高級工程師。