動車組運行接地回流特性分析及優化

高國強，桂志遠，李宇星，刁超健，魏文賦，楊澤鋒

(西南交通大學電氣工程學院，成都 610031)

引言

高速鐵路動車組運行速度的提升需要更大的牽引電流來提供能量[1]，鋼軌是動車回流的重要通道，由于車體采用低阻抗的鋁合金材料，動車運行時鋼軌中的部分電流會經過車體保護接地躥入車體形成車軌環流[2]。由于動車運行工況的復雜性以及車體結構的差異性，車體各軸端接地電流大小容易分配不均，接地電流大的軸端接地碳刷磨耗加快[3-4]，需要經常更換。由于接地碳刷位于軸端金屬保護殼內，難以直接觀察，接地電流分配不均給維護工作帶來不便。

關于高速鐵路動車組接地回流系統的研究，主要集中在高速鐵路綜合接地系統的牽引回流分布、鋼軌泄漏電流導致的電位抬升以及動車運行中車體環流等方面[5-7]。意大利學者A.Mariscotti對交流和直流制式下的高速鐵路牽引回流以及由回流引起的鋼軌電位進行了研究，分析了在不同供電制式下高速鐵路牽引回流的分布規律以及引起的鋼軌電位抬升的幅值大小[8-9]。Z.Shouli就高速鐵路大地電阻率較高的路段中綜合接地系統存在的問題，對綜合接地方式給出了優化措施，并提出了高速鐵路綜合接地系統的評價標準[10]。文獻[11]對大型站場中存在的牽引回流不暢導致的軌道電位過高問題，提出在牽引變電站附近多架設兩條吸上線、將站場兩端的貫通地線與回流線相連和將單獨接地支柱底端與兩側鋼軌的扼流變中性點相連的措施。文獻[12]對高速鐵路綜合接地線展開研究，發現貫通地線對軌道電位有著良好的抑制效果。關于動車組集中與分散兩種不同的接地方式對接地回流的影響，魏曉斌等[13-14]基于仿真模型分析發現采用多點接地會帶來車體環流增大問題，工作接地方式的設置也會對于動車組各保護接地電流分配產生影響。鄧學輝、陳盼等[15-16]結合現場試驗保護接地電流結果，分析了工作電流幅值對接地回流的影響。鄧云川[17]通過仿真計算，得出采用綜合接地系統，將綜合地線作為牽引供電系統回流組成部分，能有效改善回流系統電流分布，降低鋼軌電位。

本文利用PSCAD軟件建立了動車過吸上線動態仿真模型，并與動車組現場的動態實測數據進行驗證對比，分析了動車過吸上線過程中不同車體的各個軸端的工作接地、保護接地流經的電流幅值大小，并給出了抑制保護接地電流大小并使保護接地電流分布均勻的有效方法。

1 動車過吸上線過程

高速鐵路牽引網與動車組共同構成車網系統，其中牽引網由饋電線、接觸網、鋼軌與回流線組成。我國在高速鐵路建設中，主要采用帶回流線的直接供電方式和AT供電方式。鋼軌作為動車回流的重要通道，當流過鋼軌的電流增大時，泄漏電流隨之增大會引起鋼軌電位的抬升，給軌道帶來通信干擾、設備損耗和人員安全問題[18-19]。為降低牽引電流在鋼軌線路上的感應電壓，高速鐵路牽引網每隔約1.5 km設置吸上線與扼流變壓器，將鋼軌與回流線相連。

動車組在高速運行過程中，與吸上線的相對位置在移動，回流回路中鋼軌和接觸網長度發生變化，回路的阻抗大小隨之改變，此時動車組接地電流的大小和方向也會有所不同。動車在過吸上線區間運行時的示意如圖1所示。

圖1 動車在吸上線區間運行示意(單位：m)

根據動車在吸上線區間運行時的電路原理建立的PSCAD仿真模型如圖2所示。隨著動車向左行駛，牽引網等值阻抗ZL，動車距離左側吸上線2的軌道阻抗Z2，動車距離右側吸上線3的軌道阻抗Z3不斷發生變化，其中ZL的表達式如下

ZL=(S-vt)×Zq

(1)

式中，S為動車距離左側吸上線距離，m；v為動車運行速度，m/s；Zq為接觸網單位長度阻抗。

動車全長200 m。當動車運行時間t∈(0，S1/v)，S1=1 300 m，動車組處于圖1所示位置時，此過程開關K1閉合，其余開關全部為打開狀態。動車組逐漸由吸上線3向吸上線2靠近，在此過程中Z2、Z3隨著時間發生變化，表達式如下

(2)

式中，Zg為鋼軌單位長度阻抗。

當t=S1/v時，動車組1車1軸輪對到達吸上線2處，動車開始跨吸上線運行。通過K2～K33開關組合操作來模擬各接地軸端處輪對依次過吸上線2，以1車1、2軸為例，t=S1/v時K1打開、K2閉合，表示1軸到吸上線2位置；1、2軸之間距離S2=2.5 m，t=S1/v+S2/v時K2打開同時K3閉合，此時2軸跨吸上線2。當t=S3/v(S=1 500 m)時，8車4軸到達吸上線2處，動車組過吸上線仿真結束。

圖2 動態過吸上線接地回流仿真模型

仿真過程中Z1、Z2、Z3線性變化表達式如下

(3)

設動車組出發位置距變電所25 km，動車組勻速運行速度為300 km/h；典型牽引接觸網單位電阻為0.145 mΩ/m，單位電感為3 μH/m；回流線電阻為0.14 Ω，電感為150 μH；鋼軌單位電阻為0.15 mΩ/m，單位電感為0.27 μH/m[13-14]。對于Z1、Z2、Z3、ZL等線性時變阻抗，利用可變RLC元件建模，計算設計外部控制信號使電阻與電感隨運行時間變化。典型的供電所牽引變壓器參數如表1所示。

表1 牽引變壓器的主要參數

變壓器等效電阻為

(4)

變壓器等效阻抗為

(5)

變壓器等效電感為

(6)

2 仿真結果分析

該型動車組采用多點分散接地方式，其拖車(1、3、6、8車)與動車(2、4、5、7車)保護接地設置有所不同，拖車保護接地采用車體底部-軸端經接地回流線直接接地方式，動車保護接地在車體底部-齒輪箱接地裝置之間的回流線中間串接了接地電阻器。該型動車組接地方式接地系統如圖3所示，由于該動車組的1～4車與5～8車車體結構具有對稱性，主要選擇1～4車接地電流進行分析。

圖3 動車組接地方式接地系統示意

2.1 工作電流分析

動車運行時，升3車或6車受電弓從接觸網引流，通過變壓器一次繞組后經工作接地連接到軸接地裝置處，每個變壓器車一次繞組末端連接3個工作接地，分別連接到車下的2、3、4軸端接地裝置處。3車2、3、4軸的工作接地的接地電流仿真波形如圖4所示。

圖4 3車工作接地電流仿真波形

從圖4可以看出，動車組在吸上線2、3之間運行時，其工作接地電流呈現線性變化。在2軸電流逐漸增長的同時，3、4軸電流逐漸減?。辉趖=16.2 s時，2軸接地電流達到最大值185 ，3、4軸電流降到最小值104，59 A；在3、4軸跨吸上線時，軸端電流達到最大值161，106 A，2軸電流突降到80 A；在3車過吸上線2之后，工作電流整體恢復1軸接地電流逐漸增大，3、4軸接地電流逐漸較小的變化趨勢。在運行過程中2、3、4軸端工作電流總和維持不變，這是由于動車的工作電流大小主要由牽引功率決定，在動車運行速度不變時，3個軸端工作接地電流之和等于變壓器原邊牽引供電電流。隨著動車運行與吸上線的相對位置移動，回流接地線阻抗的大小改變，工作電流在3個軸端之間的分配比率發生變化。

2.2 保護電流分析

由于該8列動車組前后4動車車體結構具有對稱性，仿真發現2車與7車、4車與5車接地電流波形相似，因此僅給出1、2、3、4、8車接地電流波形分別如圖5～圖7所示。

圖5為1、8車在從吸上線3左側運行到吸上線2左側的接地電流波形，從波形上看，1、8車電流均呈“魚尾型”規律變化，隨吸上線相對位置的變化十分明顯。在t=0 s時，動車組靠近右側吸上線3，鋼軌回流中的大部分電流從右側吸上線回到變電所，8車軸端距離右側吸上線3距離近，車體環流大部分從8車接地流入鋼軌，此時，8車接地電流相對較大，而1車電流較小。

圖5 1、8車各軸接地電流波形

隨著動車組逐漸向左側系上線2行駛遠離右側吸上線3，1車流入鋼軌的接地電流增大，8車逐漸減小。當t=15.6 s時，1車1軸到達左側吸上線2，短時間內，1車1～4軸電流峰值在過吸上線時刻依次達到185，152，131，114 A最大值。當t=17.7 s時，8車1軸到達吸上線處，8車開始過吸上線過程，其1～4軸電流峰值依次達到146，133，124，110 A，在過吸上線時刻各軸端保護接地電流波形出現明顯的尖峰。

圖6 2車各軸接地電流仿真波形

圖7 4車各軸接地電流仿真波形

圖6和圖7分別是2、4車的過吸上線區間的電流波形。從波形上可以看出，當動車在兩吸上線之間時，2、4車的接地電流大小變化幅度不大，僅僅在過系上線時刻時，出現一個尖峰波形。從電流幅值上可以看出，2、4車的電流幅值整體偏小，這是由于2、4車為動車，車體接地回路中串入的接地電阻增大了接地回流阻抗，導致2、4車整體電流偏小。同時，由于2車靠近1車，而車體電流又有較大部分經1車流入鋼軌，導致2車接地電流較4車更小。

從以上的仿真波形可以看出，在過吸上線時，2、4車接地電流均會出現先快速增大，再快速減小的“魚刺型”尖峰，各軸電流交替增大。以4車過吸上線為例，對過吸上線時刻電流波形變化過程及原因進行分析，截取4車吸上線時刻的1～4軸電流波形如圖8所示。

圖8 4車過吸上線時接地電流波形

從圖8可以看出，在t=16.55 s時，4車1軸過吸上線，4車1軸和2軸的電流由正常運行時的9 A增大到了14 A左右，而4車3、4軸的電流由正常運行時的8 A降到了5 A以下。而到了t=16.80 s，4車1、2軸的電流突降到了5 A左右，而4車3、4軸的接地電流同時增大到了16 A左右。這是由于在1、2軸過吸上線時，由于同一轉向架下的兩個軸(1、2軸)之間相距較近，兩個軸的接地電流在靠近吸上線過程中會一起增大，此時車體電流主要從1、2軸流過，導致3、4軸電流出現急劇減小的過程。而在3、4軸過吸上線時，3、4軸的接地電流急劇增大，直到5車開始過吸上線時，車體電流又會經車間連接線從5車1、2軸流入鋼軌，導致4車3、4軸電流急劇減小，出現圖6和圖7中的當過吸上線時，軸端電流急劇減小-增大-減小-趨于穩定的變化過程。

為了觀察各車的保護接地回流大小分布情況，繪制1～4車保護接地電流峰值折線圖如圖9所示。

圖9 保護接地電流峰值分布

圖9中1-1代表1車1軸保護接地?？梢钥闯鲈趯榆嚞F有的接地方式下仿真得到的各軸端接地電流分布差異很大，采用直接接地的1、3車軸端接地電流過大，1車1軸接地電流最大峰值為185 A；而采用串電阻接地的2、4車各保護接地電流均較小，最大電流幅值不超過15.9 A。過大的保護接地電流一方面會導致動車組電磁環境變得更加惡劣，會對動車組通信、控制等弱電設備的正常工作造成干擾[20]；另一方面，過大的接地電流會給接地碳刷帶來異常磨耗，電流分配不均對碳刷的維護帶來不便。

3 仿真與實測對比分析

為了驗證仿真模型的正確性，當動車組運行速度在300 km/h左右時，圖10給出了1車(4個保護接地)與3車(3個工作接地加1個保護接地)典型仿真波形與實測波形的對比。

圖10 1、3車接地電流仿真與實測波形對比

圖11 保護接地電流峰值分布

圖11給出了1～4車各保護接地電流仿真與實測峰值對比。通過仿真與實測的接地電流波形以及峰值對比可以看出，仿真與實測結果在波形上具有良好的一致性。實測結果中波形存在一些尖峰毛刺波動，與仿真結果存在小幅度的偏差。這是由于動車在實際運行時路況比較復雜，可能存在上下坡，加速減速等情況會導致電流大小幅值發生偏差。其次，現場測試環境復雜，測試信號通過電纜傳輸到采集設備時，會受到外部環境的干擾產生毛刺，尖峰波等。整體看來，仿真結果與實測數據具有較好的耦合性，可以較準確地還原出動車組過吸上線時接地回流的變化規律，驗證了仿真模型的可靠性。

4 優化措施

從實測和仿真結果均可以看出，1、3車采用直接接地方式時保護接地電流較大，因此考慮在接地回路串接接地電阻器來限流。由于接地電阻器往往帶有一定的寄生電感，寄生電感會導致車體瞬態過電壓增大[21]。由于受電弓和VCB等高壓設備在3車車頂并離4車較近，3、4車較1、2車過電壓幅值高[22]，且1車的接地電流較大，因此考慮在1、2車裝設阻值為0.1Ω的接地電阻器。由上述分析，初步得到優化方案1,如圖12所示。

圖12 優化方案1

圖13 兩種接地方案下電流峰值分布

圖13為兩種接地方案下動車組保護接地電流峰值分布趨勢對比圖。從圖13可以看出，采用優化方案1后，1車1～4軸的電流峰值整體呈現下降，分別由185,152,131,114A下降至64,51,28,20 A，可以得出接地電阻器對接地電流的有良好的抑制效果。同時觀察到各車電流分布仍舊不是很均勻，優化方案1中1車電流大幅度降低，但1車1、2軸電流的電流峰值與3、4軸仍有較大差距，應當減小1、2軸電流值與3、4軸保持相近。因此，提出在各個軸端安裝阻值不同的接地電阻器優化方法。即針對原接地回流分配大小的不同，在1車1、2軸安裝0.1 Ω接地電阻器，3、4軸安裝0.05 Ω的接地電阻器，這樣1車接地電流會更多選擇從3、4軸接地軸端流過，從而改善各軸電流分配均勻度。考慮到優化方案1中的3車1軸接地電流仍然保持在較高幅值，將就近的2車4軸采用直接接地方式來分流。綜合考慮得到的優化方案2如圖14所示。

圖14 優化方案2

由仿真得到的3種接地方式各接地電流峰值如表2所示，繪制成折線對比如圖15所示。

圖15 3種接地方案下保護接地電流峰值分布

表2 1～4車各保護接地電流峰值 A

注：1-1代表1車1軸保護接地

從圖15可以看出，優化方案2較優化方案1，電流峰值較大的1車1軸由67 A降到了50 A，1車2軸由56 A降到了45 A，3車1軸的由110 A降到了72 A，使保護接地電流峰值在各軸端均勻分配，各保護接地電流限制在72 A以下。

5 結論

通過建立仿真模型，分析了動車組運行過程中的接地回流特性，通過實測結果驗證了模型的可靠性，提出了優化接地方式來改善接地回流特性，結論如下。

(1)動車在吸上線過程中，軸端保護接地電流會呈“魚尾型”(或反方向)先增大后減小的趨勢。由于車體結構的差異性，頭尾車和變壓器車的車體接地電流較大；保護接地電阻器對電流回流具有較好的抑制效果。

(2)采用在1、8車保護接地回路串接接地電阻器的優化方案1后，保護接地電流得到有效抑制，但整體分布還是不均勻。

(3)采用不同規格的接地電阻器串接在1、2、7、8車接地回路中后，車體電流在得到抑制的同時，各車軸端接地電流分布變得均勻。