市域列車接地回流動(dòng)態(tài)變化規(guī)律分析與優(yōu)化

石 慧

(上海申鐵投資有限公司 上海 200030)

1 引言

隨著市域列車運(yùn)行速度不斷提升，其牽引電流不斷增加，接地回流造成軸承電化學(xué)腐蝕和接地碳刷異常磨損的情況也越來越嚴(yán)重[1-2]。運(yùn)行工況的復(fù)雜性與車身結(jié)構(gòu)的差異性會(huì)造成動(dòng)車組各接地軸電流分布不均[3]。不均勻的電流分布導(dǎo)致各軸接地碳刷磨損程度各不相同，給維護(hù)工作帶來不便[4]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)接地回流的研究主要集中在接地回流幅值和相位的研究[5]。千島伸雄等[6]對(duì)動(dòng)車組的車體參數(shù)進(jìn)行了測試，并且通過仿真分析發(fā)現(xiàn)在接地裝置上串聯(lián)0.5 Ω 的電阻器可以有效地抑制動(dòng)車組的接地回流，但是該方法的弊端是會(huì)引起車體電位的抬升。文獻(xiàn)[7-8]發(fā)現(xiàn)靠近工作接地點(diǎn)的保護(hù)接地回流最大，取消保護(hù)接地點(diǎn)可以有效抑制接地回流，增加變壓器的工作接地點(diǎn)可以有效抑制各車軸的工作接地電流。文獻(xiàn)[9-12]建立了動(dòng)車組接地系統(tǒng)的電路仿真模型，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)鋼軌上的牽引電流會(huì)從距離工作接地點(diǎn)最近的保護(hù)接地線上流入車體，最后由頭、尾車的保護(hù)接地線流向鋼軌，并且提出了動(dòng)車組接地系統(tǒng)的優(yōu)化方案。文獻(xiàn)[13-16]建立了直接供電方式與AT 供電方式下動(dòng)車組過吸上線動(dòng)態(tài)過程模型，著重分析了動(dòng)車組在過吸上線區(qū)間時(shí)接地電流的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，從接地電流的幅值和相位兩個(gè)方面揭示了接地回流的分布特性。文獻(xiàn)[17-20]建立了動(dòng)車組過吸上線、過絕緣節(jié)接地系統(tǒng)的等效模型，分析了編組形式、運(yùn)營線路、運(yùn)營列車共臂等因素對(duì)動(dòng)車組接地回流造成的影響。

本文使用Matlab/Simulink仿真軟件構(gòu)建了市域列車在整個(gè)供電區(qū)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)接地回流的動(dòng)態(tài)分布模型，研究了市域列車接地回流的分布趨勢(shì)和相位變化，提出接地回流“等效值”的概念，并提出市域列車接地系統(tǒng)的優(yōu)化方法。

2 市域列車接地回流仿真模型構(gòu)建

圖1 為某型市域列車接地系統(tǒng)。從接地系統(tǒng)的形式來看，該型市域列車的保護(hù)接地為分散接地方式。該車3 車和6 車的2、3、4 軸為工作接地，其接地方式為直接接地方式；市域列車除工作接地軸以外的其他車軸均安裝保護(hù)接地。市域列車的頭車與尾車屬于拖車，因此它們的保護(hù)接地方式為直接接地方式，3 車與6 車的1 號(hào)軸屬于保護(hù)接地中的直接接地方式；市域列車的2、4、5、7 車屬于動(dòng)車，動(dòng)車的接地方式全部設(shè)置為串電阻接地方式，其中接地電阻器的阻值為100 mΩ。此外，各車中間采用車間連接線進(jìn)行貫通銜接，以實(shí)現(xiàn)各車間相等的電勢(shì)。

圖1 某型市域列車接地系統(tǒng)

將牽引變電所等效為電壓源串聯(lián)阻抗的形式，電源電壓為27.5 kV，變電所電阻為0.249 6 Ω，電感為12.64 mH。將牽引網(wǎng)等值成一條導(dǎo)線，牽引網(wǎng)的單位電阻為0.145 mΩ/m，單位電感為1.3 μH/m。車載牽引變壓器等效成模型中的單相變壓器，二次側(cè)等效負(fù)載電阻為0.56 Ω，等效負(fù)載電感為0.32 mH?；亓骶€等值單位電阻為0.14 Ω/m，等值單位電感為150 μH/m。根據(jù)現(xiàn)場測試得到車體參數(shù)與接地系統(tǒng)參數(shù)。

根據(jù)高速鐵路實(shí)際工況將供電區(qū)間進(jìn)行劃分如圖2 所示。直接供電方式設(shè)置供電區(qū)間長度為25 km，每隔1.5 km 設(shè)置一條吸上線。供電區(qū)間右端的吸上線為吸上線1，吸上線17 為供電區(qū)間最左端的吸上線，則供電區(qū)間被吸上線劃分為16 個(gè)區(qū)域，兩個(gè)吸上線之間的區(qū)域稱為吸上線區(qū)間，從右到左依次為區(qū)間1 到區(qū)間16。市域列車行駛的方向是從吸上線17 向吸上線1 行駛。根據(jù)上述建模，搭建出市域列車接地回流動(dòng)態(tài)過程的仿真模型如圖3 所示。

圖2 供電區(qū)間劃分示意圖

圖3 接地回流動(dòng)態(tài)過程仿真模型

3 仿真結(jié)果分析

在本文中所建立的仿真模型是以8 編組市域列車為原型，因?yàn)槭杏蛄熊嚨臉?gòu)造是對(duì)稱的，在進(jìn)行仿真分析時(shí)，僅需要對(duì)3 車的工作接地回流進(jìn)行分析即可。

3.1 工作接地電流分析

圖4 為3 車工作接地的接地回流變化趨勢(shì)圖。從圖4 可以看出，3 車2 軸、3 車3 軸以及3 車4軸的工作接地電流都呈現(xiàn)隨時(shí)間的推延先逐漸減小后緩慢增大的態(tài)勢(shì)。當(dāng)列車從左側(cè)牽引變電所行至供電區(qū)間中間時(shí)，工作接地電流緩慢減小直至最小，此時(shí)3 車2 軸到4 軸的工作接地電流依次是132 A、134 A 以及77 A。當(dāng)列車越靠近右側(cè)牽引變電所時(shí)，工作接地電流逐漸增大，其中3車2 軸工作接地電流最大為174 A。整個(gè)過程中，3 車4 軸的工作接地電流最小，一直處于100 A以下。

圖4 3 車接地電流

根據(jù)市域列車接地電流的熱效應(yīng)，將市域列車不斷變化的接地電流等效成一個(gè)表示電流熱效應(yīng)的值，并且將該值命名成“等效值”。在分析市域列車3 車的接地電流時(shí)，峰值只能代表市域列車某一時(shí)刻接地回流的狀態(tài)，不具有普遍意義，而等效值可以從整體上反映出接地電流對(duì)軸承箱造成的影響。在這里等效值的計(jì)算過程如下：接地電流波形到該采樣時(shí)刻為止與x軸所形成封閉圖形的面積S1除以該采樣時(shí)間t，即Iequal=S1/t，代表接地電流在時(shí)間上的積累，而電流有效值代表接地電流在采樣時(shí)刻內(nèi)的熱效應(yīng)相同的直流值。

從圖5 可以看出，工作接地電流等效值基本呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，這和圖4 保持了一致。如表1 所示為各軸工作接地電流等效值的初始值和結(jié)束時(shí)刻的等效值，結(jié)束時(shí)刻的等效值都小于初始時(shí)刻的等效值。在對(duì)市域列車接地系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，采用結(jié)束時(shí)刻接地電流的等效值代表市域列車接地電流在整個(gè)供電區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生的熱效應(yīng)。

表1 3 車各軸工作接地電流等效值

圖5 3 車接地電流等效值變化圖

3.2 保護(hù)接地電流分析

因?yàn)槭杏蛄熊囓圀w的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，1、2、4車1～4 軸的保護(hù)接地電流變化趨勢(shì)分別與8、7、5車保護(hù)接地電流相似，所以只需要分析1、2、4 車的保護(hù)接地電流。

如圖6 所示，市域列車從右側(cè)牽引變電所運(yùn)行至左側(cè)牽引變電所期間，1 車1 軸接地電流最大，1車2 軸次之，1 車3 軸與1 車4 軸的接地電流交替增大。整體上看，市域列車1 車的接地電流呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。初始狀態(tài)下，由于鋼軌電阻，大部分接地電流會(huì)由靠近右側(cè)牽引變電所的8 車接地系統(tǒng)流回，導(dǎo)致市域列車1 車各軸的保護(hù)接地電流較小，分別為58 A、41 A、10 A、9.1 A。隨著列車向左運(yùn)行，與右側(cè)牽引變電所之間的阻抗逐漸增大，導(dǎo)致接地電流逐漸降低；與左側(cè)牽引變電所之間的阻抗逐漸降低，導(dǎo)致通過1 車接地系統(tǒng)流向牽引變電所的電流逐漸增大，到仿真結(jié)束，1 車1、2、3、4 軸的接地電流分別達(dá)到112 A、70 A、25 A、4.3 A。

圖6 1 車接地電流

圖7 顯示了1 車1～4 軸接地電流等效值的分布情況。從圖7 可以看出，仿真開始時(shí)1 車1 軸接地電流等效值為23 A，隨后出現(xiàn)波浪形逐漸上升的態(tài)勢(shì)，然后在第二個(gè)吸上線區(qū)間開始，1 車1 軸接地電流等效值總體呈線性上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)槭杏蛄熊囅蛴倚旭偟乃俣缺３植蛔?，?0 m/s，導(dǎo)致動(dòng)車與左側(cè)牽引變電所之間的阻抗成線性變化，從而接地電流等效值近似呈線性變化。到市域列車運(yùn)行至左側(cè)牽引變電所時(shí)，1 車1 軸接地電流的等效值為50 A。1 車2 軸接地電流等效值的變化趨勢(shì)與1車1 軸相似，而1 車3 軸和1 車4 軸的保護(hù)接地電流變化較小。具體各軸保護(hù)接地電流等效值如表2所示。

表2 1 車、2 車和4 車各軸保護(hù)接地電流等效值

圖7 1 車接地電流等效值變化圖

圖8 顯示了市域列車在供電區(qū)段內(nèi)正常行駛時(shí)，2 車1～4 軸的保護(hù)接地電流波形變化呈周期性變化，總體趨勢(shì)是先減小后增大。2 車的保護(hù)接地回流變化與3 車的工作接地電流趨勢(shì)相似，因?yàn)?車初始時(shí)刻接地電流較大，導(dǎo)致從2 車流回車體的電流也較大；隨著3 車接地電流減小，2 車的接地回流也減小；反之，隨著3 車接地電流增大，2 車的接地回流也增加。

圖8 2 車接地電流

圖9 顯示了市域列車在供電區(qū)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)，4車各軸的保護(hù)接地電流呈周期性變化：緩慢增加、急劇上升、迅速下降、再緩慢增加。相比于1 車，4車的各軸接地電流較小，因?yàn)椴捎么娮璞Ｗo(hù)接地方式，電阻器阻礙鋼軌回流車體的電流。在吸上線區(qū)間，4 車接地電流平穩(wěn)；過吸上線時(shí)刻則出現(xiàn)“魚刺”型尖峰。

圖9 4 車接地電流

從圖10 和圖11 中可以看出，2 車和4 車的接地電流等效值的整體變化都較為平穩(wěn)，4 車的接地電流等效值變化稍有波動(dòng)。2 車和4 車接地電流初始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻等效值如表2 所示。

圖10 2 車接地電流等效值變化圖

圖11 4 車接地電流等效值變化圖

4 模型驗(yàn)證和接地優(yōu)化方案

將實(shí)測和仿真接地電流波形進(jìn)行對(duì)比來驗(yàn)證模型，進(jìn)一步探明接地電流的影響因素，最后根據(jù)接地電流的熱效應(yīng)，將市域列車不斷變化的接地電流等效成一個(gè)固定的電流等效值，進(jìn)而對(duì)市域列車接地系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 實(shí)測與仿真對(duì)比

本文針對(duì)該型市域列車進(jìn)行了接地回流的現(xiàn)場測試試驗(yàn)，測試了1、2、3、4 車的接地電流，列車速度為300 km/h。圖12 為實(shí)測接地電流波形與仿真接地電流波形對(duì)比，1、2、3 以及4 車的接地電流的波形周期性與幅值和實(shí)測較為吻合。實(shí)測波形中的周期時(shí)間和接地電流幅值與仿真波形存在一些誤差，可能由于實(shí)際測試中列車速度不均勻、工況中的上下坡等因素導(dǎo)致牽引功率波動(dòng)，繼而引起電流變化。在測試中，使用FLUKE i1000s 電流鉗測量接地電流，該型電流鉗的誤差范圍為0.5 A，設(shè)備本身誤差和信號(hào)傳輸損耗都可能對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。同時(shí)，牽引供電系統(tǒng)中的諧波也可能造成結(jié)果偏差。由于仿真僅僅考慮車速、功率、網(wǎng)壓都為理想狀態(tài)的情況，故仿真與實(shí)測存在一定誤差也是合理的?？傮w而言，試驗(yàn)較好地驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖12 實(shí)測與仿真波形

4.2 影響因素分析

4.2.1 工作接地方式的影響

將市域列車的接地方式進(jìn)行如下更改：① 將3車的2、4 軸設(shè)置為工作接地；② 將3 車的1、4軸設(shè)置為保護(hù)接地；③ 將市域列車3 車所有接地軸全部設(shè)為工作接地，接著對(duì)比三種工作方式下，接地電流等效值的分布。

從圖13 可以看出，在2 路工作接地方式下，市域列車3 車2 軸與3 車3 軸接地電流等效值處于較高水平，雖然工作接地電流在兩軸之間分布較為平均，但是由于接地電流過大，會(huì)導(dǎo)致市域列車的接地碳刷磨損加劇，大大減少了接地碳刷的使用壽命。在采用3 路工作接地方式下，市域列車2 軸、3 軸工作接地電流等效值分布較為平均，4 軸工作接地電流等效值相對(duì)較小，3 路工作接地方式接地電流等效值明顯下降，對(duì)接地碳刷的影響相有明顯的改善，但是工作接地電流仍然存在分布不均的現(xiàn)象。相比于3 路工作接地，當(dāng)工作接地設(shè)置為4 路時(shí)接地電流等效值明顯降低，并且當(dāng)市域列車4 路工作接地時(shí)接地電流的分布也更加均勻。

圖13 三種工作接地方式下接地回流對(duì)比圖

4.2.2 保護(hù)接地方式的影響

將市域列車所有的保護(hù)接地全部改為串聯(lián)電阻接地方式，并且將所有電阻器阻值分別設(shè)置為0.001 Ω、0.005 Ω、0.01 Ω、0.05 Ω、0.1 Ω、0.2 Ω、0.4 Ω，仿真出各軸的接地電流等效值，如圖14所示。

圖14 不同保護(hù)接地方式下接地電流等效值

從圖14 可以看出，1 車各軸的接地電流與接地電阻器阻值呈負(fù)相關(guān)，除此之外，市域列車的2、3、4 車接地電流同樣隨著接地電阻器阻值的增大而逐漸減小。當(dāng)接地電阻器阻值設(shè)置為0.001 Ω 時(shí)，接地電流分布極不均勻，當(dāng)市域列車的保護(hù)接地電阻器阻值逐步增加時(shí)，市域列車所有保護(hù)接地軸號(hào)的電流均逐漸下降，各軸接地電流等效值之差也逐漸減小，各車接地電流均勻程度不斷提高。

由圖15 可知，當(dāng)接地電阻器的阻值在0.03～0.1 Ω 時(shí)，市域列車的接地電流與車體電位都處于較小的數(shù)量級(jí)，所以，保護(hù)接地電阻器的阻值的范圍應(yīng)在0.03～0.1 Ω。

圖15 接地電流與車體電位變化圖

4.3 優(yōu)化方案

將市域列車三路工作接地方式改為4 路工作接地方式，將3 車2、3、4 軸、6 車2、3、4 軸、2 車4 軸、7 車4 軸設(shè)置為工作接地，所有保護(hù)接地均串聯(lián)接地電阻器，接地電阻器阻值全部設(shè)置為0.05 Ω。

優(yōu)化前后市域列車接地電流等效值對(duì)比如圖16 所示。從圖16 可以看出，優(yōu)化前1 車和3 車是接地電流主要集中的位置，1 車接地電流等效值最大為53 A，最小為5 A；對(duì)于3 車而言，保護(hù)接地電流的最大等效值出現(xiàn)在3 車1 軸，其值為51 A；優(yōu)化前市域列車接地電流等效值的最小值位于2 車1 軸，其值為0.6 A；接地電流等效值最大的差值為52.4 A，其分布極不均勻。優(yōu)化后，市域列車接地電流等效值的最大值位于1 車1 軸，為17 A，最小值位于2 車2 軸，為2.8 A，最大值與最小值之間的差值為14.2 A，可見優(yōu)化后市域列車接地電流均勻程度得到了較大改善。

圖16 優(yōu)化前后接地電流分布圖

5 結(jié)論

本文就市域列車接地回流動(dòng)態(tài)過程問題進(jìn)行深入研究，構(gòu)建了動(dòng)車在一個(gè)供電區(qū)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)接地回流動(dòng)態(tài)過程的仿真模型，系統(tǒng)地分析了市域列車工作過程中不同輪軸工作接地與保護(hù)接地電流的變化規(guī)律，利用現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明仿真模型的準(zhǔn)確性，提出了市域列車接地系統(tǒng)的優(yōu)化方案。主要結(jié)論如下所述。

(1) 在供電區(qū)間內(nèi)行駛時(shí)，市域列車3 車工作接地電流呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)；1 車保護(hù)接地電流呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)；2 車與4 車的保護(hù)接地電流變化趨勢(shì)與3 車相似。

(2) 相較于2 路和3 路工作接地，4 路工作接地方式電流等效值更小，并且接地電流分布更加均勻。在每個(gè)保護(hù)接地都采用串聯(lián)接地電阻器方式時(shí)，增大接地電阻器阻值，能夠有效抑制接地電流的等效值，同時(shí)使各軸接地電流分布更加均勻。保護(hù)接地電阻器的阻值的范圍建議設(shè)置在0.03～0.1 Ω。

(3) 采用所有保護(hù)接地都安裝接地電阻器，且電阻器阻值設(shè)置為0.05 Ω 時(shí)，保護(hù)接地電流最大等效值明顯降低，接地電流分布均勻性有較大的提升。