高速鐵路V停作業(yè)感應電壓接地防護方案研究

李正康，高仕斌，韓正慶，馬戰(zhàn)磊，周文婕，顧 濤

0 引言

在對高速鐵路復線接觸網(wǎng)進行應急搶修時，由于檢修時限和生產(chǎn)運輸條件限制，需要進行V停作業(yè)，即某一行接觸網(wǎng)停電檢修而鄰線正常供電行車的檢修方式[1]。由于上下行線路間存在靜電耦合和電磁耦合，帶電側(cè)接觸網(wǎng)上的電壓和牽引負荷電流會在停電側(cè)接觸網(wǎng)上產(chǎn)生靜電感應電壓和電磁感應電壓，對檢修作業(yè)人員的人身安全產(chǎn)生威脅。因此，對高速鐵路接觸網(wǎng)V停作業(yè)感應電壓進行研究，定量得到感應電壓的大小，為停電檢修作業(yè)制定安全防護方案，減少感應電壓對作業(yè)人員的危害十分必要。針對電氣化鐵路牽引供電方式的不同，文獻[2，3]研究了接觸網(wǎng)V形天窗下直接供電 方式和帶回流線直接供電方式的感應電分析及近似計算方法，文獻[4]推導了高速鐵路復線并行線路感應電壓的計算公式。

目前已有的感應電壓計算方法大多基于公式推導，未針對車網(wǎng)耦合的實際情況進行精確計算。接觸網(wǎng)感應電壓精確計算的重點在于牽引網(wǎng)模型的建立，文獻[5]建立了集中參數(shù)的簡單牽引供電系統(tǒng)模型，而集中參數(shù)模型不能有效考察牽引網(wǎng)全線的變化情況[6，7]?；诖?，文獻[8，9]針對電氣化鐵路不同供電方式建立了統(tǒng)一復合鏈式網(wǎng)絡模型，利用牽引網(wǎng)不同單位長度的集中參數(shù)模型表征牽引網(wǎng)的電氣分布特性。在接觸網(wǎng)V停天窗感應電壓防護技術(shù)研究中，文獻[10]提出了應在感應電壓較大的地點增設地線，但未給出安裝地線的數(shù)量。文獻[11]則通過大量的測試數(shù)據(jù)，對接觸網(wǎng)V停作業(yè)區(qū)兩端加掛地線的距離進行了探討，但未針對實際檢修工作中的各種情況進行具體指導。

本文在分析感應電壓耦合原理的基礎上，結(jié)合已有的牽引網(wǎng)導體合并算法，在Simulink平臺搭建高速鐵路全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)模型，輸入實際線路的系統(tǒng)參數(shù)和測試得到的牽引網(wǎng)參數(shù)，對接觸網(wǎng)V停作業(yè)時停電線路的感應電壓進行精確計算，通過對比仿真分析和現(xiàn)場測試的結(jié)果驗證模型的有效性，進而研究帶電側(cè)列車工況、停電接觸網(wǎng)接地封線位置對感應電壓分布的影響，并針對實際檢修工作提出相應的接地防護措施。

1 感應電壓耦合原理分析

1.1 靜電感應電壓

我國高速鐵路普遍采用全并聯(lián)AT供電方式，V停天窗下解列成單線AT供電方式。帶電側(cè)接觸網(wǎng)和正饋線周圍會產(chǎn)生工頻電場，由于上下行之間的靜電耦合作用，會在停電側(cè)接觸網(wǎng)上分別產(chǎn)生方向相反的容性耦合電壓，其大小與帶電側(cè)接觸網(wǎng)電壓、正饋線電壓、上下行互電容和停電側(cè)接觸網(wǎng)對地電容的比值有關(guān)，而與帶電側(cè)牽引負荷電流及接觸網(wǎng)并行長度無關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場實測，當帶電側(cè)無列車取流，停電側(cè)接觸網(wǎng)上感應電壓最高可達3 000 V，嚴重威脅檢修人員的人身安全，因此在實際檢修中必須采取接地防護措施。根據(jù)《高速鐵路接觸網(wǎng)安全工作規(guī)則》第六十七條規(guī)定，V停停電作業(yè)兩接地線間距大于1 000 m時，需增設接地線。但在實際搶修工作中，如果由于時間和路況限制，不能滿足兩接地線間距小于1 000 m這一要求，此時需要采取進一步優(yōu)化的防護措施。

1.2 電磁感應電壓

當停電設備處在帶電設備產(chǎn)生的交變磁場中，由于互感耦合作用，在停電設備上會產(chǎn)生電磁感應電勢。在帶電側(cè)接觸網(wǎng)有列車運行時，接觸網(wǎng)、正饋線、鋼軌中流過的牽引負荷電流會產(chǎn)生交變的磁場，磁力線切割停電側(cè)接觸網(wǎng)，從而在停電側(cè)接觸網(wǎng)中產(chǎn)生沿接觸網(wǎng)分布的縱向電勢，該電磁感應電勢的大小與線路阻抗、帶電側(cè)列車取流、列車運行位置有關(guān)。正常運行時，電磁感應電勢可達數(shù)百伏，而且高速鐵路發(fā)生牽引網(wǎng)短路時，短路電流會達到正常牽引負荷的幾十倍，此時電磁感應電勢非常大，應予以高度重視。

2 仿真計算

2.1 高速鐵路全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)模型

高速鐵路牽引網(wǎng)是典型的多導體傳輸線系統(tǒng)，利用導體合并原則[12]，借助阻抗運算，通過等效降階過程可以消除計算過程中多導體傳輸線的某些導體[13]，對于上行側(cè)，將同一支接觸網(wǎng)的接觸線CW和承力索MW等值合并為T1，考慮到實際工程中鋼軌R和保護線PW每隔一定距離完全橫聯(lián)一次，故將保護線PW和同一軌道的2根鋼軌合并為R1，與正饋線F1形成3根平行導體，下行側(cè)也做同樣處理，可將復線AT牽引網(wǎng)等效為六導體傳輸線。若進一步將上下行R1、R2合并，當有貫通地線時，可將貫通地線一并合并為1根導體R[14]，最終得到高速鐵路全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)五導體模型。本文利用五導體模型對高速鐵路接觸網(wǎng)感應電壓進行分析計算。

2.2 仿真參數(shù)設置

對全并聯(lián)AT供電方式下接觸網(wǎng)V停作業(yè)感應電壓分布進行了仿真分析，仿真計算中系統(tǒng)參數(shù)選自合福線。具體的仿真條件見表1。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

2.3 計算模型

根據(jù)實際測試得到的牽引網(wǎng)參數(shù)，在Simulink中使用單位長度π型等效電路搭建子網(wǎng)模型。考慮導線的自阻抗、互阻抗、對地電容以及分布電容，將每隔1 km的牽引網(wǎng)子網(wǎng)封裝成1個模塊，級聯(lián)形成一段長度的牽引網(wǎng)分布參數(shù)模型。本次仿真模型中牽引網(wǎng)共24 km，與外部220 kV電源、牽引變壓器、AT所自耦變壓器、分區(qū)所自耦變壓器一起構(gòu)成高速鐵路全并聯(lián)AT接線圖，見圖1（a）。當下行接觸網(wǎng)經(jīng)斷路器實施斷電，而上行接觸網(wǎng)正常供電（V停）時，高速鐵路全并聯(lián)AT仿真模型見圖1（b）。該模型既保留了牽引網(wǎng)導線空間分布的特性，又考慮到分布參數(shù)的影響，可以對接觸網(wǎng)V停時牽引網(wǎng)各導線的感應電壓進行較為精確的計算，滿足高速、重載電氣化鐵路對牽引網(wǎng)精細化仿真的要求。

圖1 仿真模型

3 計算結(jié)果分析

在Simulink仿真平臺上搭建了高速鐵路全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)仿真模型后，輸入合福線系統(tǒng)參數(shù)和實際測試中獲得的線路參數(shù)，對比分析仿真結(jié)果、現(xiàn)場感應電壓測試值，證明了所建模型的有效性；在此基礎上研究帶電側(cè)列車取流、檢修線路安裝接地封線時感應電壓的分布；以人體工頻穩(wěn)態(tài)交流限值為約束，針對實際檢修工作提出相應的接地防護措施。本文分4種情況進行仿真，并分別進行仿真結(jié)果分析。

3.1 V停上行無車且下行不接地

V停天窗下，當上行接觸網(wǎng)無列車取流，下行接觸網(wǎng)停電且不安裝接地封線時，仿真得到了上行接觸線的空載電壓和下行接觸線的感應電壓分布曲線，見圖2。

圖2 V停無車時上下行電壓分布曲線

仿真結(jié)果表明，V停時牽引所上網(wǎng)點處感應電壓為3 150 V，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為3 000 V，兩者誤差僅為5%，仿真結(jié)果與實測結(jié)果較為吻合，證明了該仿真模型在V停上行無車且下行接觸網(wǎng)不安裝接地封線時的準確性。對感應電壓分布曲線進行分析可以得到，當上行接觸網(wǎng)無列車取流，下行接觸網(wǎng)不安裝接地封線時，感應電壓至少能達到3 000 V，對檢修人員的人身安全會產(chǎn)生致命威脅，必須采取接地防護措施。

3.2 V停上行無車且下行接地

本節(jié)針對V停上行無車且下行接觸網(wǎng)安裝接地封線的工況進行分析，其中接地封線安裝位置分別設置在變電所上網(wǎng)點、1/4供電臂處、AT所上網(wǎng)點以及分區(qū)所上網(wǎng)點，仿真結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比見表2～表5。

表2 變電所上網(wǎng)點接地時感應電壓對比 V

表3 1/4供電臂處接地時感應電壓對比 V

表4 AT所上網(wǎng)點接地時感應電壓對比 V

表5 分區(qū)所上網(wǎng)點接地時感應電壓對比 V

從表中數(shù)據(jù)可以得到，在區(qū)間上測得的感應電壓與仿真結(jié)果誤差較小，進一步驗證了所搭建的模型在計算V停單端安裝接地封線時感應電壓的有效性?？紤]到實際線路中AT所處為站場，存在側(cè)線的影響，并且變電所處有電力供電線的影響，同時在現(xiàn)場測試時變電所和AT所回流對地電位有較大影響[15]，因而在變電所上網(wǎng)點、AT所上網(wǎng)點處誤差較大。仿真得到4種不同位置安裝接地封線時的感應電壓分布曲線，如圖3所示。

圖3 V停時4種接地封線安裝位置下感應電壓分布

通過對比分析可以得到以下結(jié)論：

（1）V停作業(yè)時，當上行接觸網(wǎng)無列車取流，下行接觸網(wǎng)單端安裝接地封線時，感應電壓較不安裝接地封線時大幅降低，最大不超過120 V，與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)相符。

（2）綜合比較4種接地封線安裝位置下全線接觸網(wǎng)感應電壓可以看出，在變電所上網(wǎng)點安裝接地封線，全線感應電壓下降幅度最大，因此可以得出V停作業(yè)時，接地封線安裝位置越靠近牽引變電所（電源側(cè)），防護效果越好?，F(xiàn)場試驗中，在分區(qū)所上網(wǎng)點接地時，測得線路上的感應電壓出現(xiàn)最大值。

（3）若接地封線安裝在下行接觸網(wǎng)（停電側(cè)）線路中間位置，則對接地封線兩側(cè)均具有防護效果，并且靠近電源側(cè)防護范圍小于背電源側(cè)。現(xiàn)場試驗時在1/4供電臂處、AT所上網(wǎng)點接地時，接地點兩側(cè)感應電壓均較不接地時降低。

（4）單端接地封線防護范圍至少可達到6 km，可使下行接觸網(wǎng)感應電壓減小至人體工頻穩(wěn)態(tài)交流限值33 V以下[16]，但沒有涉及鄰線有列車取流的工況，因此需要針對鄰線有列車運行時感應電壓分布進行研究。

3.3 V停上行有車且下行單端接地

為研究上行有列車運行，下行接觸網(wǎng)安裝接地封線時的感應電壓分布規(guī)律，先研究上行列車在不同位置時下行接觸線的感應電壓分布，仿真結(jié)果見圖4，進而將列車設置在產(chǎn)生感應電壓最大值的位置，研究下行安裝接地封線時的感應電壓分布規(guī)律。其中測試點分別選在第一個AT段距變電所上網(wǎng)點6 km處（測試點1）和第二個AT段距AT所上網(wǎng)點6 km處（測試點2）。

圖4 下行接觸線感應電壓隨列車位置分布

從圖4得到，列車在上行接觸網(wǎng)變電所上網(wǎng)點及分區(qū)所上網(wǎng)點附近感應電壓較大，因此仿真過程分別在上行變電所上網(wǎng)點和分區(qū)所上網(wǎng)點附近設置列車，通過改變接地封線位置得到下行接觸線上測試點處感應電壓隨接地封線安裝位置的分布，進而確定接地封線的有效安裝范圍，仿真結(jié)果見圖5。由圖4、圖5可以得到如下結(jié)論：

圖5 感應電壓與接地封線安裝位置關(guān)系

（1）上行有列車運行，下行接觸網(wǎng)安裝接地封線時，兩個AT段內(nèi)的測試點感應電壓均較不安裝接地封線時大幅降低。其中，列車運行在上行接觸網(wǎng)變電所上網(wǎng)點附近時，感應電壓最大不超過100 V，但列車運行在上行接觸網(wǎng)分區(qū)所上網(wǎng)點附近時，由于上下行接觸網(wǎng)并行距離達到最大，耦合產(chǎn)生的感性感應電壓較大，即使接地封線位置靠近測試點，下行接觸線感應電壓仍較大。

（2）上行有列車運行時，接地封線安裝位置靠近測試點，測試點感應電壓降低，遠離測試點時，感應電壓逐漸升高，并且在測試點兩端相同距離安裝接地封線防護效果相當。

（3）列車靠近電源側(cè)時，接地封線的有效安裝范圍較大。列車在上行變電所上網(wǎng)點，下行接觸網(wǎng)不接地時，測試點1、測試點2的感應電壓分別為2 984、3 027 V；下行接觸網(wǎng)安裝接地封線時，測試點1、測試點2的感應電壓最大分別為79.42、85.83 V。列車運行在上行分區(qū)所上網(wǎng)點，下行接觸網(wǎng)不接地時，測試點1、測試點2的感應電壓分別為2 978、2 909 V；下行接觸網(wǎng)安裝接地封線時，測試點1、測試點2的感應電壓最大分別為404.4、337.3 V。列車靠近分區(qū)所時，應采取較列車在變電所更為嚴格的接地防護措施。

3.4 V停上行有車且下行兩端接地

在測試點附近進行單端接地時，因為上行列車位置的影響，下行感應電壓仍會超過人體工頻交流限值33 V，需要進一步研究在距測試點兩端各1、2 km處接地時，測試點感應電壓隨上行列車位置的分布規(guī)律。

測試點1選取在第一個AT段距離變電所上網(wǎng)點6 km處，仿真結(jié)果見圖6（a）?？梢钥闯?，在距測試點兩端各1 km處接地時，盡管上行有列車取流，但感應電壓均小于33 V，但在距測試點兩端各2 km處接地，當列車運行在測試點附近時，感應電壓會超過33 V，因此更加嚴格的安全防護措施是在距測試點兩端各1 km處進行接地。

進而在測試點2兩端各1 km處接地進行仿真驗證，測試點2選取在第二個AT段距離AT所上網(wǎng)點6 km處，仿真結(jié)果見圖6（b）。可以看出，當上行列車運行在測試點兩端接地封線的防護范圍之外時，即變電所至近電源側(cè)接地點區(qū)間和分區(qū)所至背電源側(cè)接地點區(qū)間，測試點2處的感應電壓幾乎為零；即使上行列車運行至測試點時，最大感應電壓也小于33 V，驗證了防護措施的有效性。

圖6 感應電壓隨列車位置分布

4 結(jié)論

本文在分析高速鐵路V停作業(yè)感應電壓耦合機理基礎上，搭建了高速鐵路全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)仿真模型，研究了帶電側(cè)接觸網(wǎng)列車取流、檢修線路安裝接地封線對感應電壓分布的影響，針對實際檢修工作提出了對應的接地防護方案。通過理論分析和仿真計算得到以下結(jié)論：

（1）當帶電側(cè)接觸網(wǎng)無列車取流，檢修接觸網(wǎng)不安裝接地封線，檢修接觸網(wǎng)上感應電壓至少能達到3 000 V，會對檢修人員的人身安全產(chǎn)生致命威脅，必須采取接地防護措施。

（2）當帶電側(cè)接觸網(wǎng)無列車取流，檢修接觸網(wǎng)單端安裝接地封線時，感應電壓會大幅降低，最大不超過120 V；接地封線安裝位置越靠近牽引變電所，防護效果越好，單端接地封線防護范圍至少可達到6 km；需要強調(diào)的是，此時未考慮外部并行電網(wǎng)的影響，若存在外部并行電網(wǎng)，則單端接地封線防護范圍應當更加保守；若接地封線安裝在檢修接觸網(wǎng)線路中間位置，則對接地封線兩側(cè)均具有防護效果，并且靠近電源側(cè)防護范圍小于背電源側(cè)，因此當檢修作業(yè)靠近電源側(cè)時應縮短檢修地點與接地封線的間距或增設接地封線。

（3）當帶電側(cè)有列車取流時，即使在測試點附近進行單端接地，感應電壓仍會超過人體工頻交流限值，需要增設接地封線。

（4）在距測試點兩端各1 km處接地，當帶電側(cè)列車運行在變電所至近電源側(cè)接地點區(qū)間和分區(qū)所至背電源側(cè)接地點區(qū)間，測試點的感應電壓幾乎為零；即使上行列車運行至測試點時，最大感應電壓也小于33 V。因此在檢修作業(yè)時，在距作業(yè)點兩端各1 km處進行安裝接地封線的防護措施已經(jīng)足夠安全，若作業(yè)地點接地封線防護范圍內(nèi)有架空電力線，則可將兩端接地封線間距進一步縮小，盡量將外部電網(wǎng)排除在接地封線防護范圍之外。