接觸網(wǎng)斷線落在司機室車體的過電壓仿真分析

徐躍，馮玉明，白剛，王富強

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2.中國電子科技集團公司第三十三研究所，山西 太原 030032）

項目名稱：山西省重點研發(fā)計劃國際科技合作項目。

項目號：201803D421001。

動車組列車在高速運行的過程中，接觸網(wǎng)承受著巨大的拉力和摩擦力，弓網(wǎng)離線產(chǎn)生的弓網(wǎng)電弧以及電流的熱效應，再加上風雨和大氣環(huán)境的腐蝕，接觸網(wǎng)導線長期磨損，機械強度下降到一定程度時，會發(fā)生斷線。接觸網(wǎng)斷線后接地，使牽引變電所相應供電臂觸發(fā)保護動作，斷路器跳閘，供電系統(tǒng)中斷，鐵路行車中斷，對鐵路工務、電務、通信等設備造成不同程度的損害和影響。接觸網(wǎng)斷線后未接地，牽引變電所保護不發(fā)生動作，斷路器未跳閘，接觸網(wǎng)還在供電，導線懸于鐵路線路上方，動車組經(jīng)過時搭接到車頂導致高壓短路，在車體表面形成過電壓，會對車內(nèi)人員和設備的安全性會造成潛在隱患。為了評估接觸網(wǎng)斷線落在司機室車頂時車體過電壓對車內(nèi)設備和人員的安全性，本文分析了動車組主電氣回路，建立了車體過電壓電路模型，通過仿真分析了接觸網(wǎng)斷線落在動車司機室車頂時司機室車體不同位置浪涌過電壓的傳輸特性，為司機室車體的過電壓防護設計提供了理論依據(jù)。

1 動車組主電路分析

該型動車組為4動4拖（T—M—T—M—M—T—M—T）8輛編組，有兩個基本牽引動力單元，每個基本牽引動力單元由2個動車和2個拖車組成。每個動車有1個帶牽引控制單元的牽引變流器，以及4個并聯(lián)的牽引電動機。正常運行時，列車采用單弓受流，另一受電弓處于折疊狀態(tài)。受電弓位于3號車和6號車上方，其中2、4、5、7為動力車，1、3、6、8為拖車。1、2、3、4車和5、6、7、8車為兩個獨立的動力單元，每個牽引傳動單元主要包括受電弓、牽引主變壓器、變流器和牽引電動機。

主電路回路如圖1所示，動車組正常工作時，通過3號車（或6號車）受電弓從接觸網(wǎng)滑動受流獲得27.5kV，50Hz的單相交流電（另一個受電弓折疊處于備用狀態(tài)），牽引電流通過斷路器后傳輸?shù)綘恳髯儔浩鞯脑吚@組，主變壓器的牽引繞組分別向各自的變流器分配要求的功率和規(guī)定的電壓，牽引功率經(jīng)過變流器先整流再逆變，最后，傳輸至牽引電動機。電動機再將電能轉(zhuǎn)換為機械能，進而驅(qū)動高速列車前進。主電路中出現(xiàn)的避雷器、電壓互感器、電流互感器等是作為保障高速動車組行車安全的高壓設備，時刻保護著動車組免受過電壓危害、監(jiān)測工作電壓電流，保證列車的正常行駛。

圖1 動車組主電路圖

高速動車組接地系統(tǒng)主要包括兩部分，即主電氣回路的工作接地和車體保護接地。工作接地是指受電弓從接觸網(wǎng)受流，通過高壓電纜流經(jīng)避雷器、電壓互感器、電流互感器、主斷路器傳輸?shù)杰囕d牽引變壓器一次側(cè)，變壓器一次側(cè)末端輸出點直接與工作接地裝置連接，工作接地裝置通過接地碳刷與車軸上的集電環(huán)相連，車軸通過輪對連接到鋼軌，經(jīng)由地線回流至牽引變電所。保護接地是指將車體通過接地裝置連接到鋼軌上，保護列車上的人員和設備在故障或不同工況狀態(tài)下免受高電壓的傷害，為傳播到車體上的過電壓大電流提供泄放通道。

該型動車組的牽引變壓器位于3車和6車，工作接地點分散安裝在各車車底轉(zhuǎn)向架下面的輪對上。單節(jié)車廂前、后轉(zhuǎn)向架各自的兩對輪對中，一對為工作地，另一對為安全地。為防止牽引電流串入車體，在車體正下方安裝了接地電阻，采用接地電纜連接接地電阻和轉(zhuǎn)向架軸端，以實現(xiàn)車體接地。

2 仿真模型構建

動車組過電壓模型由供電系統(tǒng)和動車組兩部分組成。供電系統(tǒng)由牽引變電所、饋線、接觸網(wǎng)、鋼軌、回流線組成。牽引變電所供電電壓為27.5kV。考慮簡單鏈型懸掛直接供電方式的單線電氣化鐵路牽引網(wǎng)，基于Carson理論，等效電阻、電感、對地電容分別為3.4Ω、0.0341mH和0.283μF。動車組模型包括高壓電纜、車載動力系統(tǒng)、車廂和接地系統(tǒng)。高壓電纜型號為TENAX-Train-Plux，受電弓到主斷路器之間高壓電纜長度約為2m，高壓電纜鋪設在3到6車，其中3車和6車的高壓電纜長20m，4車和5車的高壓電纜長26m。單位長度電纜的電阻、電感、電容分別為0.2mΩ/m、0.17μH/m和0.32μF/m。車廂模型等效為由橫向和縱向的電阻、電感組成的環(huán)形電路，查閱文獻[7，8]可知鋁合金車體橫向電阻為12.8mΩ、電感為5.78μH，縱向電阻為2.8mΩ、電感為0.61μH。該型動車采用串聯(lián)電阻器的接地方式，接地電阻安裝在車廂的正下方，電阻值為50mΩ，然后，由12m的接地電纜分別連接在車底前后的兩個轉(zhuǎn)向架軸端，等效電阻和電感分別為2.4mΩ和2.04μH。此外，接地碳刷處的電阻約為5.03mΩ。據(jù)此得到動車組升降弓過電壓仿真模型如圖2所示。

圖2 動車組過電壓仿真模型

虛線圓圈部分表示接觸網(wǎng)在斷點處斷開，然后，落在司機室（1號車）車頂。模型中的A、B、C、D、E、F點為電壓探針的位置，分別表示司機室車廂車頂前端、車頂后端、車底前端、車底后端四個端點和車底前后輪的兩個接地碳刷。

3 仿真結(jié)果分析

供電電源為27.5kV的工頻正弦波，設置接觸網(wǎng)落在司機室車頂瞬間網(wǎng)壓相位角為90°，車體不同位置浪涌過電壓仿真結(jié)果如下。

由上圖可知，司機室車體不同位置的浪涌過電壓變化趨勢基本一致，在200μs內(nèi)快速衰減，之后在小范圍內(nèi)波動。接觸網(wǎng)導線落在司機室車體瞬間，車頂前端（A點）電位瞬間升高，最大電壓達到了22kV；然后，過電壓沿橫向和縱向傳播，在車頂后端和車底前端，最大電壓分別達到了17kV和19kV；前輪和后輪的接地碳刷靠近鋼軌（大地），過電壓電位較小，最大幅值約為130V。司機室車體全長26m，車廂高度約為4m，由此計算得到過電壓橫向傳輸衰減速度為192.3V/m，縱向傳輸衰減速度為750V/m。車體為各向同性的鋁合金材質(zhì)，車體橫向長度大于縱向長度且接地端位于車底，所以縱向過電壓衰減速度快于橫向衰減速度。根據(jù)鐵標TB/T3021-2001《鐵道機車車輛電子裝置》中的第12.2.6條的規(guī)定，車載電子設備所能承受的最大浪涌過電壓為2kV，小于車體浪涌過電壓，可能對車內(nèi)電子設備造成損壞。人在站立狀態(tài)的身高和臂展約為2m，人體電阻約為2000Ω，2m長鋁合金車體的電阻約為1.4mΩ，壓降約為1.5kV，此時，通過人體的電流約為0.5μA，不會對人體造成安全隱患。

圖3 升弓司機室車體過電壓仿真波形

4 結(jié)語

通過分析動車組主電氣回路，建立了車體過電壓電路模型，并仿真求解了接觸網(wǎng)斷線落在動車司機室車頂時司機室車體不同位置浪涌過電壓的傳輸特性，具體結(jié)論如下：（1）接觸網(wǎng)導線落在司機室車體會導致車體電位瞬間升高，由于接觸網(wǎng)對地電容、車體電感和電阻的存在，過電壓發(fā)生震蕩并在短時間內(nèi)快速衰減。（2）車體為各向同性的鋁合金材料，車體橫向長度大于縱向高度且接地端位于車底，所以，車體過電壓沿車體縱向的衰減速度要快于沿橫向的衰減速度。（3）接觸網(wǎng)斷線落在司機室車體產(chǎn)生的浪涌過電壓可能對車內(nèi)電子設備造成損壞，但是，對人體不存在安全隱患。