接觸網(wǎng)斷線落在司機(jī)室車體的過電壓仿真分析

徐躍，馮玉明，白剛，王富強(qiáng)

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2.中國電子科技集團(tuán)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(yùn)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(yīng)，再加上風(fēng)雨和大氣環(huán)境的腐蝕，接觸網(wǎng)導(dǎo)線長期磨損，機(jī)械強(qiáng)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?fàn)恳冸娝鄳?yīng)供電臂觸發(fā)保護(hù)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(wù)、電務(wù)、通信等設(shè)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(hù)不發(fā)生動作，斷路器未跳閘，接觸網(wǎng)還在供電，導(dǎo)線懸于鐵路線路上方，動車組經(jīng)過時搭接到車頂導(dǎo)致高壓短路，在車體表面形成過電壓，會對車內(nèi)人員和設(shè)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(jī)室車頂時車體過電壓對車內(nèi)設(shè)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(jī)室車頂時司機(jī)室車體不同位置浪涌過電壓的傳輸特性，為司機(jī)室車體的過電壓防護(hù)設(shè)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(jī)。正常運(yùn)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(jī)。

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(jī)。電動機(jī)再將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動高速列車前進(jìn)。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(shè)備，時刻保護(hù)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(hù)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(hù)接地是指將車體通過接地裝置連接到鋼軌上，保護(hù)列車上的人員和設(shè)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?fàn)恳娏鞔胲圀w，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(gòu)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?？紤]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(shè)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(xiàn)[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(jī)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(jī)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(shè)置接觸網(wǎng)落在司機(jī)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(jī)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(dǎo)線落在司機(jī)室車體瞬間，車頂前端（A點）電位瞬間升高，最大電壓達(dá)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(dá)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(jī)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(biāo)TB/T3021-2001《鐵道機(jī)車車輛電子裝置》中的第12.2.6條的規(guī)定，車載電子設(shè)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(shè)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(jī)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(jī)室車頂時司機(jī)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(dǎo)線落在司機(jī)室車體會導(dǎo)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(jī)室車體產(chǎn)生的浪涌過電壓可能對車內(nèi)電子設(shè)備造成損壞，但是，對人體不存在安全隱患。