動(dòng)車組運(yùn)行接地回流特性分析及優(yōu)化

高國強(qiáng)，桂志遠(yuǎn)，李宇星，刁超健，魏文賦，楊澤鋒

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031)

引言

高速鐵路動(dòng)車組運(yùn)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(dòng)車回流的重要通道，由于車體采用低阻抗的鋁合金材料，動(dòng)車運(yùn)行時(shí)鋼軌中的部分電流會(huì)經(jīng)過車體保護(hù)接地躥入車體形成車軌環(huán)流[2]。由于動(dòng)車運(yùn)行工況的復(fù)雜性以及車體結(jié)構(gòu)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(jīng)常更換。由于接地碳刷位于軸端金屬保護(hù)殼內(nèi)，難以直接觀察，接地電流分配不均給維護(hù)工作帶來不便。

關(guān)于高速鐵路動(dòng)車組接地回流系統(tǒng)的研究，主要集中在高速鐵路綜合接地系統(tǒng)的牽引回流分布、鋼軌泄漏電流導(dǎo)致的電位抬升以及動(dòng)車運(yùn)行中車體環(huán)流等方面[5-7]。意大利學(xué)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(jìn)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(guī)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(tǒng)存在的問題，對綜合接地方式給出了優(yōu)化措施，并提出了高速鐵路綜合接地系統(tǒng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[10]。文獻(xiàn)[11]對大型站場中存在的牽引回流不暢導(dǎo)致的軌道電位過高問題，提出在牽引變電站附近多架設(shè)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(dú)接地支柱底端與兩側(cè)鋼軌的扼流變中性點(diǎn)相連的措施。文獻(xiàn)[12]對高速鐵路綜合接地線展開研究，發(fā)現(xiàn)貫通地線對軌道電位有著良好的抑制效果。關(guān)于動(dòng)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(fā)現(xiàn)采用多點(diǎn)接地會(huì)帶來車體環(huán)流增大問題，工作接地方式的設(shè)置也會(huì)對于動(dòng)車組各保護(hù)接地電流分配產(chǎn)生影響。鄧學(xué)輝、陳盼等[15-16]結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)保護(hù)接地電流結(jié)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(jì)算，得出采用綜合接地系統(tǒng)，將綜合地線作為牽引供電系統(tǒng)回流組成部分，能有效改善回流系統(tǒng)電流分布，降低鋼軌電位。

本文利用PSCAD軟件建立了動(dòng)車過吸上線動(dòng)態(tài)仿真模型，并與動(dòng)車組現(xiàn)場的動(dòng)態(tài)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證對比，分析了動(dòng)車過吸上線過程中不同車體的各個(gè)軸端的工作接地、保護(hù)接地流經(jīng)的電流幅值大小，并給出了抑制保護(hù)接地電流大小并使保護(hù)接地電流分布均勻的有效方法。

1 動(dòng)車過吸上線過程

高速鐵路牽引網(wǎng)與動(dòng)車組共同構(gòu)成車網(wǎng)系統(tǒng)，其中牽引網(wǎng)由饋電線、接觸網(wǎng)、鋼軌與回流線組成。我國在高速鐵路建設(shè)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(dòng)車回流的重要通道，當(dāng)流過鋼軌的電流增大時(shí)，泄漏電流隨之增大會(huì)引起鋼軌電位的抬升，給軌道帶來通信干擾、設(shè)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(yīng)電壓，高速鐵路牽引網(wǎng)每隔約1.5 km設(shè)置吸上線與扼流變壓器，將鋼軌與回流線相連。

動(dòng)車組在高速運(yùn)行過程中，與吸上線的相對位置在移動(dòng)，回流回路中鋼軌和接觸網(wǎng)長度發(fā)生變化，回路的阻抗大小隨之改變，此時(shí)動(dòng)車組接地電流的大小和方向也會(huì)有所不同。動(dòng)車在過吸上線區(qū)間運(yùn)行時(shí)的示意如圖1所示。

圖1 動(dòng)車在吸上線區(qū)間運(yùn)行示意(單位：m)

根據(jù)動(dòng)車在吸上線區(qū)間運(yùn)行時(shí)的電路原理建立的PSCAD仿真模型如圖2所示。隨著動(dòng)車向左行駛，牽引網(wǎng)等值阻抗ZL，動(dòng)車距離左側(cè)吸上線2的軌道阻抗Z2，動(dòng)車距離右側(cè)吸上線3的軌道阻抗Z3不斷發(fā)生變化，其中ZL的表達(dá)式如下

ZL=(S-vt)×Zq

(1)

式中，S為動(dòng)車距離左側(cè)吸上線距離，m；v為動(dòng)車運(yùn)行速度，m/s；Zq為接觸網(wǎng)單位長度阻抗。

動(dòng)車全長200 m。當(dāng)動(dòng)車運(yùn)行時(shí)間t∈(0，S1/v)，S1=1 300 m，動(dòng)車組處于圖1所示位置時(shí)，此過程開關(guān)K1閉合，其余開關(guān)全部為打開狀態(tài)。動(dòng)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(shí)間發(fā)生變化，表達(dá)式如下

(2)

式中，Zg為鋼軌單位長度阻抗。

當(dāng)t=S1/v時(shí)，動(dòng)車組1車1軸輪對到達(dá)吸上線2處，動(dòng)車開始跨吸上線運(yùn)行。通過K2～K33開關(guān)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(shí)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(shí)K2打開同時(shí)K3閉合，此時(shí)2軸跨吸上線2。當(dāng)t=S3/v(S=1 500 m)時(shí)，8車4軸到達(dá)吸上線2處，動(dòng)車組過吸上線仿真結(jié)束。

圖2 動(dòng)態(tài)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(dá)式如下

(3)

設(shè)動(dòng)車組出發(fā)位置距變電所25 km，動(dòng)車組勻速運(yùn)行速度為300 km/h；典型牽引接觸網(wǎng)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(shí)變阻抗，利用可變RLC元件建模，計(jì)算設(shè)計(jì)外部控制信號(hào)使電阻與電感隨運(yùn)行時(shí)間變化。典型的供電所牽引變壓器參數(shù)如表1所示。

表1 牽引變壓器的主要參數(shù)

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(jié)果分析

該型動(dòng)車組采用多點(diǎn)分散接地方式，其拖車(1、3、6、8車)與動(dòng)車(2、4、5、7車)保護(hù)接地設(shè)置有所不同，拖車保護(hù)接地采用車體底部-軸端經(jīng)接地回流線直接接地方式，動(dòng)車保護(hù)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(dòng)車組接地方式接地系統(tǒng)如圖3所示，由于該動(dòng)車組的1～4車與5～8車車體結(jié)構(gòu)具有對稱性，主要選擇1～4車接地電流進(jìn)行分析。

圖3 動(dòng)車組接地方式接地系統(tǒng)示意

2.1 工作電流分析

動(dòng)車運(yùn)行時(shí)，升3車或6車受電弓從接觸網(wǎng)引流，通過變壓器一次繞組后經(jīng)工作接地連接到軸接地裝置處，每個(gè)變壓器車一次繞組末端連接3個(gè)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(dòng)車組在吸上線2、3之間運(yùn)行時(shí)，其工作接地電流呈現(xiàn)線性變化。在2軸電流逐漸增長的同時(shí)，3、4軸電流逐漸減??；在t=16.2 s時(shí)，2軸接地電流達(dá)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(shí)，軸端電流達(dá)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(fù)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(yùn)行過程中2、3、4軸端工作電流總和維持不變，這是由于動(dòng)車的工作電流大小主要由牽引功率決定，在動(dòng)車運(yùn)行速度不變時(shí)，3個(gè)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(dòng)車運(yùn)行與吸上線的相對位置移動(dòng)，回流接地線阻抗的大小改變，工作電流在3個(gè)軸端之間的分配比率發(fā)生變化。

2.2 保護(hù)電流分析

由于該8列動(dòng)車組前后4動(dòng)車車體結(jié)構(gòu)具有對稱性，仿真發(fā)現(xiàn)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(cè)運(yùn)行到吸上線2左側(cè)的接地電流波形，從波形上看，1、8車電流均呈“魚尾型”規(guī)律變化，隨吸上線相對位置的變化十分明顯。在t=0 s時(shí)，動(dòng)車組靠近右側(cè)吸上線3，鋼軌回流中的大部分電流從右側(cè)吸上線回到變電所，8車軸端距離右側(cè)吸上線3距離近，車體環(huán)流大部分從8車接地流入鋼軌，此時(shí)，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(dòng)車組逐漸向左側(cè)系上線2行駛遠(yuǎn)離右側(cè)吸上線3，1車流入鋼軌的接地電流增大，8車逐漸減小。當(dāng)t=15.6 s時(shí)，1車1軸到達(dá)左側(cè)吸上線2，短時(shí)間內(nèi)，1車1～4軸電流峰值在過吸上線時(shí)刻依次達(dá)到185，152，131，114 A最大值。當(dāng)t=17.7 s時(shí)，8車1軸到達(dá)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(dá)到146，133，124，110 A，在過吸上線時(shí)刻各軸端保護(hù)接地電流波形出現(xiàn)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(qū)間的電流波形。從波形上可以看出，當(dāng)動(dòng)車在兩吸上線之間時(shí)，2、4車的接地電流大小變化幅度不大，僅僅在過系上線時(shí)刻時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)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(dòng)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(dǎo)致2、4車整體電流偏小。同時(shí)，由于2車靠近1車，而車體電流又有較大部分經(jīng)1車流入鋼軌，導(dǎo)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(shí)，2、4車接地電流均會(huì)出現(xiàn)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(shí)刻電流波形變化過程及原因進(jìn)行分析，截取4車吸上線時(shí)刻的1～4軸電流波形如圖8所示。

圖8 4車過吸上線時(shí)接地電流波形

從圖8可以看出，在t=16.55 s時(shí)，4車1軸過吸上線，4車1軸和2軸的電流由正常運(yùn)行時(shí)的9 A增大到了14 A左右，而4車3、4軸的電流由正常運(yùn)行時(shí)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(shí)增大到了16 A左右。這是由于在1、2軸過吸上線時(shí)，由于同一轉(zhuǎn)向架下的兩個(gè)軸(1、2軸)之間相距較近，兩個(gè)軸的接地電流在靠近吸上線過程中會(huì)一起增大，此時(shí)車體電流主要從1、2軸流過，導(dǎo)致3、4軸電流出現(xiàn)急劇減小的過程。而在3、4軸過吸上線時(shí)，3、4軸的接地電流急劇增大，直到5車開始過吸上線時(shí)，車體電流又會(huì)經(jīng)車間連接線從5車1、2軸流入鋼軌，導(dǎo)致4車3、4軸電流急劇減小，出現(xiàn)圖6和圖7中的當(dāng)過吸上線時(shí)，軸端電流急劇減小-增大-減小-趨于穩(wěn)定的變化過程。

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

圖9 保護(hù)接地電流峰值分布

圖9中1-1代表1車1軸保護(hù)接地?？梢钥闯鲈趯?dòng)車現(xiàn)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(hù)接地電流均較小，最大電流幅值不超過15.9 A。過大的保護(hù)接地電流一方面會(huì)導(dǎo)致動(dòng)車組電磁環(huán)境變得更加惡劣，會(huì)對動(dòng)車組通信、控制等弱電設(shè)備的正常工作造成干擾[20]；另一方面，過大的接地電流會(huì)給接地碳刷帶來異常磨耗，電流分配不均對碳刷的維護(hù)帶來不便。

3 仿真與實(shí)測對比分析

為了驗(yàn)證仿真模型的正確性，當(dāng)動(dòng)車組運(yùn)行速度在300 km/h左右時(shí)，圖10給出了1車(4個(gè)保護(hù)接地)與3車(3個(gè)工作接地加1個(gè)保護(hù)接地)典型仿真波形與實(shí)測波形的對比。

圖10 1、3車接地電流仿真與實(shí)測波形對比

圖11 保護(hù)接地電流峰值分布

圖11給出了1～4車各保護(hù)接地電流仿真與實(shí)測峰值對比。通過仿真與實(shí)測的接地電流波形以及峰值對比可以看出，仿真與實(shí)測結(jié)果在波形上具有良好的一致性。實(shí)測結(jié)果中波形存在一些尖峰毛刺波動(dòng)，與仿真結(jié)果存在小幅度的偏差。這是由于動(dòng)車在實(shí)際運(yùn)行時(shí)路況比較復(fù)雜，可能存在上下坡，加速減速等情況會(huì)導(dǎo)致電流大小幅值發(fā)生偏差。其次，現(xiàn)場測試環(huán)境復(fù)雜，測試信號(hào)通過電纜傳輸?shù)讲杉O(shè)備時(shí)，會(huì)受到外部環(huán)境的干擾產(chǎn)生毛刺，尖峰波等。整體看來，仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)具有較好的耦合性，可以較準(zhǔn)確地還原出動(dòng)車組過吸上線時(shí)接地回流的變化規(guī)律，驗(yàn)證了仿真模型的可靠性。

4 優(yōu)化措施

從實(shí)測和仿真結(jié)果均可以看出，1、3車采用直接接地方式時(shí)保護(hù)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(huì)導(dǎo)致車體瞬態(tài)過電壓增大[21]。由于受電弓和VCB等高壓設(shè)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(shè)阻值為0.1Ω的接地電阻器。由上述分析，初步得到優(yōu)化方案1,如圖12所示。

圖12 優(yōu)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(dòng)車組保護(hù)接地電流峰值分布趨勢對比圖。從圖13可以看出，采用優(yōu)化方案1后，1車1～4軸的電流峰值整體呈現(xiàn)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(shí)觀察到各車電流分布仍舊不是很均勻，優(yōu)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(yīng)當(dāng)減小1、2軸電流值與3、4軸保持相近。因此，提出在各個(gè)軸端安裝阻值不同的接地電阻器優(yōu)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(huì)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(yōu)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(yōu)化方案2如圖14所示。

圖14 優(yōu)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(hù)接地電流峰值分布

表2 1～4車各保護(hù)接地電流峰值 A

注：1-1代表1車1軸保護(hù)接地

從圖15可以看出，優(yōu)化方案2較優(yōu)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(hù)接地電流峰值在各軸端均勻分配，各保護(hù)接地電流限制在72 A以下。

5 結(jié)論

通過建立仿真模型，分析了動(dòng)車組運(yùn)行過程中的接地回流特性，通過實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證了模型的可靠性，提出了優(yōu)化接地方式來改善接地回流特性，結(jié)論如下。

(1)動(dòng)車在吸上線過程中，軸端保護(hù)接地電流會(huì)呈“魚尾型”(或反方向)先增大后減小的趨勢。由于車體結(jié)構(gòu)的差異性，頭尾車和變壓器車的車體接地電流較大；保護(hù)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(hù)接地回路串接接地電阻器的優(yōu)化方案1后，保護(hù)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(guī)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(shí)，各車軸端接地電流分布變得均勻。