基于高速鐵路典型車站牽引供電系統(tǒng)仿真模型的降低絕緣節(jié)兩端電位差方案

楊世武，李奕霖，陳?？?，崔　勇，王俊飛

(1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京　100044；2.中國鐵道科學(xué)研究院 標(biāo)準(zhǔn)計量研究所，北京　100081)

高速鐵路現(xiàn)場運營表明，若對于牽引電流瞬態(tài)電磁干擾的防護不完善，將導(dǎo)致高速鐵路站場內(nèi)軌道電路相關(guān)設(shè)備的故障，例如軌道電路短時“紅光帶”、絕緣節(jié)和信號電纜的燒損等。由于絕緣節(jié)是站內(nèi)軌道電路的重要組成部分，對列車位置的檢查以及對軌道電路信號的電氣隔離起著重要的作用，因此，避免絕緣節(jié)故障是保障高速鐵路正常運營的重要環(huán)節(jié)。在軌道電路故障診斷、信號傳輸與牽引電流干擾耦合及二者相互影響的仿真計算方面，孫上鵬、趙林海等提出了基于定性趨勢和遺傳算法等的軌道電路故障診斷方法[1-3]。為保證高速鐵路車站內(nèi)軌道電路可靠工作，對于平行或鄰近的軌道電路不能構(gòu)成迂回通道，工程設(shè)計中需要在站內(nèi)側(cè)線將牽引回流切斷，采用單側(cè)的回流連接方式，即所謂“一頭堵”[4-7]。劉家良等考慮了站場中橫向連接線等因素對信號傳輸?shù)挠绊懀瑢φ緝?nèi)迂回通道形成機理及影響因素進行了研究，給出了斷軌殘壓與迂回干擾疊加時最短迂回通道的參考數(shù)據(jù)[8-9]。總體上，目前現(xiàn)有文獻中對牽引電流和信號傳輸?shù)难芯慷鄶?shù)集中在線路區(qū)間條件下，而在車站條件下的較少。

在高速鐵路環(huán)境下，列車行駛在無砟軌道上，牽引電流更大，鋼軌的單位漏泄阻抗更高，因而造成鋼軌的電位更高；高鐵站內(nèi)大量采用大號碼道岔，允許的列車運行速度更大，故列車在側(cè)線發(fā)車或者從側(cè)線通過車站時，易形成較大的牽引電流，同時必然導(dǎo)致絕緣節(jié)兩端出現(xiàn)高的電位差。高速列車輪對通過牽引電流切斷點時，由于絕緣節(jié)兩端存在顯著的電位差，易造成拉弧現(xiàn)象，進而對絕緣節(jié)以及鋼軌造成損害[10]。電弧其實是一種放電形式，與電極間的距離和電壓等因素有關(guān)。一般在較小的間隙間產(chǎn)生電弧的門限條件很低，通常當(dāng)電位差達(dá)到約20 V時，只要有電流即可產(chǎn)生電弧，并且電弧中的溫度可以在瞬間達(dá)到4 000 K以上，因此可能導(dǎo)致絕緣節(jié)的隔離膠質(zhì)甚至鋼軌嚴(yán)重?zé)龘p，對其危害程度和產(chǎn)生原因已有系統(tǒng)性的分析[11-13]。模擬現(xiàn)場環(huán)境的實驗表明，在因牽引電流導(dǎo)致絕緣節(jié)兩端的電位差超過20 V條件下，高速列車輪對通過絕緣節(jié)時，極易產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，并且電弧放電的嚴(yán)重程度取決于絕緣節(jié)兩端電位差的大??；在此基礎(chǔ)上提出了通過回流匹配器來連通回流切斷點，從而減小電位差的理念[14]。由于高鐵站內(nèi)廣泛采用膠質(zhì)絕緣節(jié)，燒損后更換難度大，對列車運行效率造成影響。對此國內(nèi)的研究解決思路基本集中在通過改變回流切斷點的設(shè)置位置，以減小絕緣節(jié)兩端的電位差；比如工程化解決方案是將回流切斷點設(shè)置于牽引電流較小的接車側(cè)[15-16]，但此方案僅能在一定程度上減小電位差，無法從根源上消除電位差，并且在車站有反向發(fā)車進路時也沒有效果。國外研究也涉及類似的問題，但由于站場結(jié)構(gòu)簡單和軌道電路制式不同等原因，通常采用雙側(cè)回流，故此類問題極少出現(xiàn)[17]。

降低車站內(nèi)軌道電路絕緣節(jié)兩端電位差的問題在本質(zhì)上應(yīng)通過牽引供電和信號綜合研究和設(shè)計來解決，但目前尚未有文獻對此進行整體仿真建模。因此，本文對高速鐵路典型車站站場及其鄰接區(qū)間牽引供電系統(tǒng)進行建模，模擬計算列車運行時牽引電流變化引起站內(nèi)絕緣節(jié)兩端電位差，分析絕緣節(jié)兩端電位差的形成機理和主要影響因素，據(jù)此提出降低絕緣節(jié)兩端電位差的解決方案。

1　高鐵典型車站站場及其鄰接區(qū)間牽引供電系統(tǒng)的建模及絕緣節(jié)兩端電位差的計算

1.1　線路鋼軌及導(dǎo)線的主要參數(shù)

選取新建蘭新第二雙線YQB站站場及其鄰接區(qū)間的牽引供電系統(tǒng)進行建模(以下簡稱完整模型)，該站正線為雙線，并有2條側(cè)線。車站長1.849 km；鄰接區(qū)間，蘭州方向取7.151 km，烏魯木齊方向取6.000 km；則選取的線路總長為15.000 km。

車站及鄰接區(qū)間的股道均使用P60 kg·m-1鋼軌，接觸線采用CTHA-150銀銅合金線，正饋線采用LGJ-240鋼芯鋁絞線，保護線采用LGJ-95銅芯鋁絞線，貫通地線采用TJ-95的鋁合金絞線。根據(jù)各輸電導(dǎo)線材料的有效電阻和等效半徑，可求得其單位自阻抗[18-20]，結(jié)果見表1。

根據(jù)各輸電導(dǎo)線和鋼軌的單位自阻抗，可求得各輸電導(dǎo)線與鋼軌之間的單位互阻抗，分別為

ZTR=0.049 1+j0.321 3

ZFR=0.048 6+j0.295 6

ZPR=0.049 3+j0.352 8

ZGR=0.050 1+j0.680 5

式中：ZTR，ZFR，ZPR，ZGR分別為接觸線、正饋線、保護線和貫通地線與鋼軌之間的單位互阻抗，Ω·km-1。

表1　鋼軌及輸電導(dǎo)線的型號和單位自阻抗

1.2　模型的建立

我國高鐵采用AT(自耦變壓器)方式供電。對于該方式的牽引供電系統(tǒng)建模比較常見的方法有2種，一種是節(jié)點電壓方程法，另一種是連續(xù)方程法。采用連續(xù)方程法的優(yōu)點是，當(dāng)給出列車位置后，可以得到任意地點的電位和電流數(shù)據(jù)；其缺點是僅適用于單線條件，在雙線條件下加入橫向連接(簡稱橫連)線等配置后，由于受線路間參數(shù)影響，完整連續(xù)方程的建立和求解將非常困難，因此連續(xù)方程方法在實際中并不適用。節(jié)點電壓方程法為離散的數(shù)值方法，運用該方法可以很好地將各個輸電導(dǎo)線間的相互影響考慮進去，不僅在整體曲線上具有準(zhǔn)確性，還可靈活修正模型以反映現(xiàn)場的真實性。故本文選用節(jié)點電壓方程法進行建模，該方法的關(guān)鍵是根據(jù)需求選擇適當(dāng)?shù)拈g距和節(jié)點數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行如下等效：復(fù)線牽引網(wǎng)的上下行接觸線在AT所、牽引變電所以及分區(qū)所等地方均為并聯(lián)；上下行線鋼軌通過扼流變壓器的中點每隔一定距離進行橫向連接，且上下行線鋼軌每隔一定距離將與貫通電線以及保護線進行1次橫向連接，站內(nèi)股道的側(cè)線與正線在進站和出站的地方均進行1次橫向連接。節(jié)點間隔取250 m。借鑒單線車站建模方法[21]，建立的高速鐵路站場及其鄰接區(qū)間雙線全并聯(lián)牽引供電系統(tǒng)的仿真模型如圖1所示。

圖1中：Us為接觸網(wǎng)額定電壓；Z0為AT變壓器對地漏抗；ZS為牽引變電所二次側(cè)等效阻抗；R為每節(jié)點單位長度道砟漏泄電阻；V為節(jié)點電壓，Z為各導(dǎo)線的節(jié)點阻抗，其中下角標(biāo)r，g，f，p，t分別代表鋼軌、貫通地線、正饋線、保護線和接觸線，數(shù)字代表對應(yīng)的節(jié)點號；J為機械絕緣節(jié)；RⅠ和RⅡ分別為下、上行正線鋼軌，R3和R4分別為下行、上行側(cè)線鋼軌。以節(jié)點1為原點，給定列車位于坐標(biāo)x處，其運行電流為I，I1和I2均為AT變壓器中的電流。

圖1　高速鐵路站場及其鄰接區(qū)間雙線全并聯(lián)牽引供電系統(tǒng)的仿真模型

1.3　絕緣節(jié)兩端電位差的計算

根據(jù)圖1所示的模型，利用單線線路的節(jié)點方程[21]，加入保護線以及貫通地線，每隔1.5 km進行1次橫向連接，即下行正線和側(cè)線在31和37這兩點間進行橫連、上行正線和側(cè)線在109和115這兩點間進行橫連。定義Igr，Ipr，Itr1和Ifr分別為貫通地線、保護線、接觸線和正饋線與鋼軌間互感作用形成的等效電流源；Itr1和Itr2分別為列車所在位置處接觸線左側(cè)和右側(cè)2個方向的電流；Vtn為列車位置處的節(jié)點電壓，Ztx和Zty分別為列車所在位置處接觸線左側(cè)和右側(cè)的阻抗。從而可得到如下各節(jié)點電壓與電流的關(guān)系方程，其中節(jié)點3～30，33～36和39～60的方程省略。

節(jié)點1：

Ifr1-Igr1=0

節(jié)點2：

節(jié)點31：

節(jié)點32：

節(jié)點37：

節(jié)點38：

節(jié)點61：

Ipr1-Itr2-Ifr1-Igr1=0

根據(jù)列車所在位置以及AT變壓器處各導(dǎo)線的電流關(guān)系，有如下電流方程。

顯然，在AT變壓器處，有如下電壓方程。

2Vr1-Vt1-Vf1=0

2Vr61-Vt61-Vf61=0

由上述各節(jié)點的電壓與電流關(guān)系方程，可計算獲得絕緣節(jié)兩端的電壓，即可求得相應(yīng)的電位差。

2　絕緣節(jié)兩端電位差影響因素分析

由上述模型和計算公式可知，影響電位差的參數(shù)主要有列車牽引電流I、道砟漏泄電阻R以及橫向連接的位置。

2.1　列車牽引電流對絕緣節(jié)兩端電位差的影響

仿真參數(shù)取值：單位自阻抗和單位互阻抗按照1.1節(jié)取值；Us=25 000 V；AT變壓器對地漏泄阻抗取Z0=(0.1+ j0.45) Ω；牽引變電所二次側(cè)等效阻抗取ZS=0.5 Ω；上下行線鋼軌之間的橫向連接間距取1.5 km，無砟軌道的對地漏泄電阻取最不利條件(設(shè)計容許最大限值)的100 Ω·km，即R=400 Ω；每時隔1.5 km除進行上下行線鋼軌橫連外，鋼軌還與保護線橫連[21]。

依據(jù)上述各節(jié)點電壓與電流的關(guān)系方程，當(dāng)列車在車站側(cè)線上發(fā)車時，列車牽引電流分別取200，300，400，500 A，節(jié)點方程中其他參數(shù)不變，以絕緣節(jié)所在位置為坐標(biāo)零點，絕緣節(jié)右側(cè)軌道距絕緣節(jié)的距離為正，通過仿真計算，可得不同列車牽引電流對絕緣節(jié)兩端電位差的影響曲線如圖2所示。由于本文采用節(jié)點法，故得到的絕緣節(jié)兩端電位差曲線為折線，而非光滑的曲線。

圖2　不同列車牽引電流對絕緣節(jié)兩端電位差的影響曲線

由圖2可知：列車運行到絕緣節(jié)所在位置時，會造成絕緣節(jié)兩端的電位差達(dá)到最大值；絕緣節(jié)兩端的電位差與列車牽引電流存在密切聯(lián)系，隨著列車牽引電流的增加，絕緣節(jié)兩端的電位差將隨之增大；當(dāng)列車牽引電流減小至200 A時，絕緣節(jié)兩端的電位差可降至20 V以下。由此可見，當(dāng)列車在側(cè)線運行時，將列車牽引電流控制在200 A以內(nèi)，則可以將絕緣節(jié)兩端的電位差控制在20 V以下。

2.2　道砟漏泄電阻對絕緣節(jié)兩端電位差的影響

鐵路既有線均采用有砟軌道，高速鐵路多采用無砟軌道，相比有砟軌道，無砟軌道道砟漏泄電阻更高[22]。列車在側(cè)線運行時，牽引電流取500 A，道砟漏泄電阻分別取2，10，100 Ω·km，節(jié)點方程中其他參數(shù)不變，通過仿真計算，不同道砟漏泄電阻對絕緣節(jié)兩端電位差的影響如圖3所示。

由圖3可知：對于同一位置，道砟漏泄電阻越大，絕緣節(jié)兩端的電位差也相應(yīng)增大；在100 Ω·km時，絕緣節(jié)兩端的電位差為71 V，已超過60 V的安全接觸電壓[13]，會對現(xiàn)場維護人員的人身安全造成威脅。由于道砟漏泄電阻主要隨氣候而改變，故實際中無法通過調(diào)節(jié)該值來控制絕緣節(jié)兩端的電位差。

圖3　不同漏泄電阻對絕緣節(jié)兩端電位差的影響曲線

2.3　設(shè)置橫向連接線對絕緣節(jié)兩端電位差的影響

在高速鐵路綜合接地系統(tǒng)中，除了上下行線鋼軌扼流變壓器中點與貫通地線的橫向連接以外，鋼軌也每隔一定距離與鄰側(cè)鋼軌以及保護線等連接。根據(jù)工程設(shè)計規(guī)范，在不形成迂回通道的條件下，增加車站側(cè)線的橫向連接線，即在下行側(cè)線與正線間增加設(shè)置1條橫向連接線，此時迂回通道的距離大于2 700 m，符合軌道電路傳輸設(shè)計原則，此橫向連接線滿足站內(nèi)橫向連接距離L≥1.5 km[23]；道砟漏泄電阻取100 Ω·km，列車在側(cè)線運行的牽引電流分別取300，500， 800 A，節(jié)點方程中其他參數(shù)不變，通過仿真計算，增加橫向連接線后列車牽引電流對絕緣節(jié)兩端電位差的影響如圖4所示。

圖4　增加橫向連接線后列車牽引電流對絕緣節(jié)兩端電位差的影響曲線

對比圖4和圖2可知：絕緣節(jié)兩端的電位差已經(jīng)由原來的最高90 V顯著降低到最高42 V左右；當(dāng)列車牽引電流為300 A時，絕緣節(jié)兩端的電位差已經(jīng)降低到20 V以下；由此說明，增加橫向連接線后，絕緣節(jié)兩端電位差得到較好的抑制。

3　設(shè)置回流匹配器的解決方案

上述仿真計算結(jié)果表明，通過控制列車牽引電流和增加橫向連接線，均可以顯著減小絕緣節(jié)兩端的電位差，但仍不能根本消除絕緣節(jié)兩端的電位差，這是因為這2個方法均是在側(cè)線絕緣節(jié)處保留回流切斷點(即“一頭堵”)現(xiàn)有方案的基礎(chǔ)上改進的。因此，本文提出1種通過設(shè)置回流匹配器導(dǎo)通絕緣節(jié)兩端電流的解決方案，并分析其特性及可行性。

我國高速鐵路牽引供電采用工頻單相交流制，即牽引電流頻率為50 Hz，而軌道電路信號載頻分別為1 700，2 000，2 300，2 600 Hz，可見牽引電流頻率與信號頻率差別顯著。因此本方案的基本思路是：在車站側(cè)線回流切斷點處增加回流匹配器，使其連接絕緣節(jié)兩端的扼流變壓器，既可滿足低頻50 Hz牽引電流的暢通，又能滿足信號載頻條件下的有效隔離，即滿足不形成軌道電路迂回通道的要求。

根據(jù)以上思路設(shè)計的回流匹配器應(yīng)具有如下特性：在工頻時呈現(xiàn)足夠低的阻抗，以保證絕緣節(jié)兩端的牽引電流隨時導(dǎo)通，從而盡可能降低絕緣節(jié)兩端的電位差，使列車在側(cè)線運行時不會產(chǎn)生拉弧放電現(xiàn)象；同時，對軌道電路的載頻信號呈現(xiàn)足夠高的阻抗，從而起到有效隔離信號傳輸?shù)淖饔谩?/p>

由此設(shè)計的回流匹配器應(yīng)用示意圖如圖5所示。鑒于軌道電路信號頻率是供電系統(tǒng)工頻頻率的34倍以上，因此回流匹配器選用諧振方式結(jié)構(gòu)；本文借鑒我國客運專線車站內(nèi)軌道電路中BES(K)型扼流適配變壓器的結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)[24]，設(shè)計回流匹配器，其電路原理如圖6所示。

圖5　回流匹配器應(yīng)用示意圖

圖6　回流匹配器電路原理圖

回流匹配器的工作原理為：電容Ca1與電感La2構(gòu)成工頻50 Hz串聯(lián)諧振電路，其一次側(cè)(鋼軌側(cè))等效諧振阻抗約為0.01 Ω，假定列車以200 A牽引電流經(jīng)過此匹配器，易得此時絕緣節(jié)兩端的電位差值僅為2 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于產(chǎn)生拉弧需要的20 V以上條件，相當(dāng)于對50 Hz牽引電流短路，從而有效地避免了絕緣節(jié)燒損；回流匹配器中電容Ca2并聯(lián)在串聯(lián)諧振電路的右側(cè)，當(dāng)電容Ca2取不同數(shù)值時，可與變壓器感抗分別構(gòu)成對軌道電路頻率1 700，2 000，2 300和2 600 Hz的并聯(lián)諧振電路，易得此時該變壓器一次側(cè)呈現(xiàn)不小于17 Ω的高阻抗[25]，不會形成迂回通道條件，從而對軌道電路信號可以達(dá)到有效隔離。

4　結(jié)　論

(1)在確定高速鐵路牽引網(wǎng)供電系統(tǒng)基本參數(shù)的基礎(chǔ)上，選取典型站場，利用節(jié)點電壓方程法建立高鐵車站站場及其鄰接區(qū)間的全并聯(lián)AT牽引供電系統(tǒng)的仿真模型，分別就列車牽引電流、道砟漏泄電阻和設(shè)置橫向連接線3種因素對軌道電路絕緣節(jié)兩端電位差的影響進行模擬。結(jié)果表明：當(dāng)列車在車站側(cè)線通過或發(fā)車時，為使絕緣節(jié)兩端電位差不超過20 V，列車牽引電流應(yīng)控制在200 A以內(nèi)，或者在滿足信號設(shè)計規(guī)范條件下，增加設(shè)置橫向連接線。

(2)提出設(shè)置回流匹配器來連接機械絕緣節(jié)兩端扼流變壓器的解決方案。通過回流匹配器中的1個電容與1個電感構(gòu)成工頻50 Hz串聯(lián)諧振電路，使其對50 Hz牽引電流短路；通過回流匹配器中的另一個電容并聯(lián)在串聯(lián)諧振電路右側(cè)，與變壓器感抗構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，使其對軌道電路信號達(dá)到有效隔離，且不會形成迂回通道條件，從根源上避免拉弧現(xiàn)象的發(fā)生，從而有效地避免了絕緣節(jié)燒損。

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