韓偉鋒,胡學(xué)永,肖石,吳廣寧,高國(guó)強(qiáng),劉東來(lái),楊坤松
(1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川成都610031;2.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心,山東青島266111)
近年來(lái),隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們對(duì)鐵路旅客列車運(yùn)輸?shù)陌踩浴⑹孢m性和速度提出了更高的要求。高速鐵路應(yīng)運(yùn)而生,經(jīng)過(guò)若干年的發(fā)展,我國(guó)高速鐵路的技術(shù)逐漸成熟,建設(shè)高速鐵路將是未來(lái)鐵路的發(fā)展趨勢(shì),同時(shí)高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全性得到人們的日益關(guān)注[1]。我國(guó)高速鐵路大都架設(shè)在空曠的野外和高架橋上,沒有避雷線的防護(hù),并且高速鐵路線路分布地域廣,接觸網(wǎng)遭受雷擊的概率較大。在列車行駛的接觸網(wǎng)段遭受雷擊時(shí),接觸網(wǎng)過(guò)電壓將會(huì)向車體內(nèi)傳輸。高速鐵路架設(shè)在高架橋上,延長(zhǎng)了綜合地線的長(zhǎng)度,增加了高速鐵路接地線的電阻和電感,接地電流較大時(shí)引起鋼軌電位抬升。列車內(nèi)的信號(hào)監(jiān)測(cè)與控制等電氣設(shè)備都是以車體作為“信號(hào)地”,列車車體過(guò)電壓將會(huì)危害車內(nèi)電氣設(shè)備的安全,影響列車的安全運(yùn)行。目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者致力于研究接觸網(wǎng)過(guò)電壓產(chǎn)生因素,對(duì)過(guò)分相、雷擊等工況時(shí)接觸網(wǎng)過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了詳盡闡述[2-5],但是缺乏對(duì)于接觸網(wǎng)過(guò)電壓對(duì)列車車體電壓的影響分析。Hatsukade分析研究了列車在升降弓時(shí)車體浪涌過(guò)電壓的產(chǎn)生因素,并提出了針對(duì)浪涌過(guò)電壓的抑制方法[6-7]。但車體浪涌過(guò)電壓與雷擊接觸網(wǎng)車體過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理不同,車體浪涌電流與雷電流在頻率和幅值上存在一定的差異,浪涌過(guò)電壓的抑制方法并不能較好地適用于抑制雷擊接觸網(wǎng)車體過(guò)電壓。因此,為確保高速列車的運(yùn)行安全可靠,有必要對(duì)高速列車車體過(guò)電壓產(chǎn)生原因進(jìn)行進(jìn)一步分析與研究。本文基于高速列車的車體接地方式,分析雷擊接觸網(wǎng)時(shí)引起列車車體電位突變的機(jī)理,并提出相應(yīng)的降低車體電位的建議。
圖1所示是8編組的高速列車結(jié)構(gòu)圖,2號(hào)、3號(hào)、6號(hào)和7號(hào)車體為動(dòng)車,其余車體為拖車。正常運(yùn)行時(shí),列車采用單弓受流,另一臺(tái)受電弓備用,處于折疊狀態(tài)。列車通過(guò)受電弓接受電流后,經(jīng)過(guò)高壓電纜、主斷路器,將電流傳送到2號(hào)和6號(hào)車廂的主變壓器,經(jīng)整流逆變過(guò)程,傳送至牽引電機(jī),驅(qū)動(dòng)列車前進(jìn)。2號(hào)、3號(hào)動(dòng)車與6號(hào)、7號(hào)動(dòng)車組成兩個(gè)動(dòng)力單元,圖2給出6號(hào)、7號(hào)車組成的動(dòng)力單元主電路結(jié)構(gòu)圖,左邊為車頂有受電弓車廂底部安裝有主變壓器的6號(hào)車體,右邊為7號(hào)車體,兩車體之間有跳線進(jìn)行電氣連接。
圖1 動(dòng)車組結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of EMU
圖2 主電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of main circuit
列車通過(guò)受電弓從接觸網(wǎng)接受的電流供給車載電氣設(shè)備使用后經(jīng)車體接地系統(tǒng)流入鋼軌,并通過(guò)綜合貫通地線入地,將電流回流至牽引變電所。為避免車體接地系統(tǒng)中的電流流過(guò)軸承,防止軸承電剝蝕,軸承箱與轉(zhuǎn)向架聯(lián)接處有橡膠絕緣。在正常情況下,車體通過(guò)接地碳刷與車軸上的集電環(huán)相連,碳刷裝置與車軸組成車體的接地系統(tǒng)[8~10]。
接地碳刷接觸電阻不穩(wěn)定,碳刷滑動(dòng)接觸電阻的變化使不同車體接地電阻不相等,造成各動(dòng)車車體接地電流不相等。接地電阻小的車體其接地電流大,流過(guò)該車體碳刷中的電流大,引起碳刷發(fā)熱過(guò)快,加速了碳刷的磨損,影響碳刷接觸性能。碳刷接觸性能降低,車體接地系統(tǒng)電阻增加,車內(nèi)電流可能會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)向架與軸承箱處的絕緣橡膠泄漏到軸承箱,通過(guò)軸承,造成軸承電腐蝕。為防止接地碳刷的異常磨損、軸承電腐蝕,高速列車車體采用串聯(lián)接地電阻器的接地方式,在車體與電刷之間串聯(lián)等值的電阻器(圖2中的R)。接地電阻器的阻值遠(yuǎn)大于碳刷接觸電阻,穩(wěn)定了車體接地電阻,使車體接地電流均勻,防止接地碳刷的異常磨損、軸承電腐蝕。
2.1.1 建模
高速列車車體通過(guò)碳刷與鋼軌相連,每個(gè)車體車軸上有4個(gè)碳刷,4個(gè)碳刷對(duì)稱分布在車底,都通過(guò)接地電阻器與車體連接。將每個(gè)車體車軸上的4個(gè)碳刷等效為1個(gè)接觸電阻,車體等效為1個(gè)阻抗。圖3所示是雷電流注入高速列車的等效電路結(jié)構(gòu)圖,Rc為車體阻抗,Rj為車體接地系統(tǒng)電阻(接地電阻器電阻和碳刷滑動(dòng)接觸等效電阻之和),R1和R3為相鄰車體間連線電阻,R2是4和5號(hào)車體以及車體間連線阻抗總和,雷電流等效為一個(gè)高頻沖擊電流源。
圖3 車體等效電路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of the body equivalent circuit
圖4 車體瞬時(shí)電位Fig.4 The instantaneous potential
車載避雷器采用氧化鋅避雷器,動(dòng)作電壓57kV,雷電流 i(t)在接觸網(wǎng)中引起的雷電壓u=0.5i(t)Z,其中:Z是為接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)波阻抗,取 Z=230 Ω[11]。由此可知:幾百安培的雷電流就足以使車載避雷器動(dòng)作,在分析幾十kA雷電流的注入引起車體過(guò)電壓過(guò)程中忽略雷電流上升沿避雷器未動(dòng)作的時(shí)間間隙,將避雷器等效為短路狀態(tài)。
雷電擊中接觸網(wǎng)導(dǎo)線后,雷電行波在接觸網(wǎng)導(dǎo)線雷擊點(diǎn)處向2個(gè)方向傳播,接觸網(wǎng)中雷電流為i0(t),雷電流在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生過(guò)電壓,車載避雷器動(dòng)作,雷電流通過(guò)避雷器流入車體。
2.1.2 仿真分析
雷電流采用Heidler函數(shù)模型,解析表達(dá)式為
其中:I0為峰值電流;η為峰值電流修正系數(shù);ks=t/τ1,n為電流陡度因子,一般情況下取n=10;τ1和τ2分別為雷電流的波頭時(shí)間和波尾時(shí)間。
根據(jù)圖3所給出的車體等效電路結(jié)構(gòu)圖,利用Matlab/Simulink軟件建立仿真模型,雷電流參數(shù)為2.6 μs/50 μs,峰值為 20 kA,接地電阻器的阻值為0.5 Ω,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,碳刷接觸電阻等效電阻值取0.01 Ω,車體阻抗為47 mΩ。車體瞬時(shí)電位變化如圖4所示,受電弓與避雷器所在6號(hào)車體中雷電流分量最大,其車體瞬時(shí)電勢(shì)峰值也最大,為3.24 kV。2號(hào)、3號(hào)和7號(hào)車體底端瞬時(shí)電位幅值分別為 1.87,1.90 和3.20 kV。
2.2.1 理論分析
當(dāng)雷電流在接觸網(wǎng)上傳播時(shí),接觸網(wǎng)周圍空間電場(chǎng)和磁場(chǎng)發(fā)生突變,列車車體為鋁合金材料,在瞬變的電磁場(chǎng)環(huán)境中,車體內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)流,如圖5所示。另外動(dòng)車車體通過(guò)接地系統(tǒng)與鋼軌相連,相鄰動(dòng)車車體與鋼軌間通過(guò)車體接地系統(tǒng)形成閉合回路,雷電流引起的瞬變電磁場(chǎng)在車體-鋼軌回路中產(chǎn)生大幅值的感應(yīng)電流,感應(yīng)電流流過(guò)接地系統(tǒng)引起車體電位瞬時(shí)抬升,造成車體過(guò)電壓。
圖5 車體-鋼軌回路Fig.5 The body-rail loops
雷電流在其周圍產(chǎn)生的電磁場(chǎng)為瞬變磁場(chǎng),本文依據(jù)麥克斯韋方程理論,利用偶極子法[12]分析計(jì)算接觸網(wǎng)中的雷電流在周圍空間產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。
圖6 向量關(guān)系Fig.6 Vector relationship
對(duì)線性、時(shí)不變、各向同性的均勻媒質(zhì)中麥克斯韋方程組可表示為
引進(jìn)定義矢量位A和標(biāo)量勢(shì)φ,根據(jù)洛倫茲條件能夠得到:
將式(3)代入式(2)則麥克斯韋方程可轉(zhuǎn)化為矢勢(shì)A和標(biāo)勢(shì)φ的達(dá)朗貝爾方程:
其動(dòng)態(tài)矢量位A的非齊次解為
代入式(3)得:
對(duì)式(7)積分求得空間某處的磁場(chǎng)強(qiáng)度:
車體-鋼軌回路所圍區(qū)域包括設(shè)備艙、轉(zhuǎn)向架和設(shè)備艙底面與軌面間的空氣,將設(shè)備艙和設(shè)備艙與軌面間空氣的磁導(dǎo)率簡(jiǎn)化為μ0,設(shè)備艙面板為鋁合金材料,轉(zhuǎn)向架假設(shè)為均勻剛質(zhì)材料,不同區(qū)域分界面滿足動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)邊界條件。車體-鋼軌回路中的感應(yīng)電勢(shì)為:
其中:s為回路等效面積,文獻(xiàn)[7]中給出了動(dòng)車組參數(shù):車體底面板距軌面1 300 mm,設(shè)備艙底面板距軌面200 mm,單體車長(zhǎng)26.5 m。對(duì)單個(gè)車體-鋼軌回路其等效電路如圖7所示。ig為回路中的感應(yīng)電流,Rc,Rj和Rg分別為車體電阻、車體接地電阻和鋼軌電阻,鋼軌電阻取0.2 Ω/km。
圖7 單個(gè)車體-鋼軌回路等效電路Fig.7 Equivalent circuit of single body-rail loop
2.2.2 仿真分析
通過(guò)對(duì)式(9)的積分運(yùn)算能夠得出車體-鋼軌回路電勢(shì),利用Matlab/Simulink建立車體-鋼軌回路的感應(yīng)電勢(shì)仿真模型,通過(guò)仿真得到各動(dòng)車車體的瞬時(shí)感應(yīng)電勢(shì),如圖8所示。車體與鋼軌之間的瞬時(shí)感應(yīng)電勢(shì)集中在雷電流的上升沿,在上升沿中點(diǎn)處達(dá)到最大值,在雷電流下降沿其值在零值附近。由式(9)可知:感應(yīng)電勢(shì)與雷電流的變化率有關(guān),在雷電流上升沿中點(diǎn)處,其變化率最大,感應(yīng)電勢(shì)達(dá)到峰值,在其下降沿,變化相對(duì)比較平緩,感應(yīng)電勢(shì)較弱。6號(hào)車體感應(yīng)電勢(shì)峰值最大,為18 kV,其他車體感應(yīng)電勢(shì)峰值分別為 7.8,16.8 和5.7 kV。由圖5可知:b回路的長(zhǎng)度是a和c回路長(zhǎng)度的3倍,結(jié)合式(9),回路感應(yīng)電勢(shì)與回路區(qū)域面積有關(guān),因此,b回路中的3號(hào)和6號(hào)車體接地系統(tǒng)兩端感應(yīng)電勢(shì)峰值大于2號(hào)和7號(hào)車體接地系統(tǒng)兩端的感應(yīng)電勢(shì)峰值。
與雷電流流過(guò)車體造成的車體瞬時(shí)電勢(shì)Ui相比較,接觸網(wǎng)中的雷電流對(duì)車體-鋼軌回路引起的車體瞬時(shí)感應(yīng)電勢(shì)Ug的幅值要大很多,但是感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)的脈寬較窄,只有5 μs;車體的瞬時(shí)感應(yīng)電勢(shì)Ug的幅值發(fā)生在雷電流的上升沿,瞬時(shí)電勢(shì)Ui的幅值與雷電流的幅值同步;Ug的幅值主要與雷電流的最大陡度有關(guān),幅值小、陡度大的雷電流的雷擊也會(huì)引發(fā)較大的車體感應(yīng)電勢(shì)。
圖8 車體瞬時(shí)感應(yīng)電勢(shì)Fig.8 Instantaneous induction potential
通過(guò)以上闡述,接觸網(wǎng)遭受雷擊時(shí),接觸網(wǎng)中的雷電流會(huì)在車體與鋼軌之間產(chǎn)生瞬時(shí)過(guò)電壓,過(guò)電壓包含2個(gè)分量:一是接觸網(wǎng)雷電流通過(guò)避雷器流入車體產(chǎn)生的過(guò)電壓Ui,二是接觸網(wǎng)中的雷電流在車體-鋼軌回路中產(chǎn)生的瞬時(shí)感應(yīng)電勢(shì)Ug。根據(jù)我國(guó)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T3021—2001鐵道機(jī)車車輛電子裝置標(biāo)準(zhǔn),列車上的電子裝置要能夠承受最低2 kV的浪涌電壓[13]。當(dāng)接觸網(wǎng)中雷電流峰值為20 kA時(shí),6號(hào)車體瞬時(shí)電勢(shì)峰值達(dá)19.6 kV(Ui和Ug的疊加值)。車體電勢(shì)的突變嚴(yán)重危害了電氣設(shè)備的安全,因此,應(yīng)采取相應(yīng)措施以抑制車體瞬時(shí)電位過(guò)電壓,保證車內(nèi)電氣設(shè)備的安全工作。
雷電流為高頻脈沖信號(hào),在一般情況下,雷電流的頻率為幾十甚至幾百kHz。利用電容器“通高頻阻低頻”的特性,在接地電阻器兩端并聯(lián)一定容值的電容器,降低在雷擊工況下車體接地系統(tǒng)的電阻值,而不影響工況下車體接地電阻。雷擊接觸網(wǎng)引起的車體瞬時(shí)電壓包含Ui和Ug2個(gè)分量,2個(gè)電壓分量到達(dá)幅值的時(shí)間不同,電壓信號(hào)脈寬相差較大,因此,單獨(dú)分析并聯(lián)濾波電容對(duì)2個(gè)電壓分量的幅值影響。以6號(hào)車體為例探討將車體浪涌電勢(shì)下降到安全值域內(nèi)所需并聯(lián)濾波電容器的容值。
當(dāng)接觸網(wǎng)的雷電流幅值為20 kA時(shí),在2.1中的仿真中流過(guò)6號(hào)列車車體的雷電流幅值最大,達(dá)到6.4 kA,在此雷電流下為使車體瞬時(shí)電勢(shì)不超過(guò)2 kV,濾波電容阻抗X≤0.18 Ω,雷電流脈寬為100 μs,得并聯(lián)濾波電容容 C≥88 μF。
圖4和圖8的對(duì)比表明:車體瞬時(shí)感應(yīng)電勢(shì)是車體瞬時(shí)電勢(shì)峰值的主要影響因素,降低車體感應(yīng)電勢(shì)才能更有效降低車體電勢(shì)峰值。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn),在接地電阻器兩端并聯(lián)88 μF電容,車體瞬時(shí)感應(yīng)電勢(shì)沒有被降低到安全范圍內(nèi)。
圖9所示為并聯(lián)220μF濾波電容后接觸網(wǎng)中雷電流為20 kA時(shí)6號(hào)車體瞬時(shí)電勢(shì),車體瞬時(shí)感應(yīng)電勢(shì)下降到1.5 kV,總電勢(shì)峰值也只有1.7 kV。
并聯(lián)濾波電容還能夠降低列車升降弓車體浪涌電勢(shì),但是,雷電信號(hào)以及浪涌信號(hào)都是高頻信號(hào),濾波電容中的雜散電感會(huì)影響電容對(duì)過(guò)電壓的抑制效果,因此選擇的濾波電容應(yīng)具有自感小、等效串聯(lián)電阻低和能經(jīng)受高電壓、大電流沖擊的特性。為保障濾波電容的使用壽命,為過(guò)電壓留有一定的裕度,電容器的耐壓值可選擇在2.5 kV。
加載1~100 kHz電源測(cè)量列車車體電感,電感約為2 μH。接地電阻器兩端并聯(lián)濾波電容后在雷電流與感應(yīng)電流回路利用式(10)計(jì)算得回路諧振頻率f,f約為7 kHz,與雷電流和雷電感應(yīng)電流的頻率不在1個(gè)數(shù)量級(jí),因此,不會(huì)引起電路的高頻諧振。
圖9 并聯(lián)220μF濾波電容后6號(hào)車體雷擊接觸網(wǎng)時(shí)車體瞬時(shí)電勢(shì)Fig.9 No.6 body’s Instantaneous potential after paralleling 220 μF filtering capacity when lightning catenary
回路感應(yīng)電勢(shì)與回路所圍面積有關(guān),因此,可以嘗試通過(guò)分割b回路來(lái)降低單個(gè)車體-鋼軌感應(yīng)電勢(shì)回路面積,從而降低回路感應(yīng)電勢(shì)。在圖10中,4號(hào)和5號(hào)車體上安裝相同的接地裝置,回路b被分為b1,b2和b3共3個(gè)回路。5個(gè)車體-鋼軌回路結(jié)構(gòu)相同,利用式(9)計(jì)算出在5個(gè)回路中的感應(yīng)電勢(shì)大致相同,回路阻抗相等,因此,各回路中感應(yīng)電流基本相等。3~6號(hào)車體分別存在于2個(gè)相鄰回路中,相鄰回路中的感應(yīng)電流在同一車體接地系統(tǒng)中方向相反,降低了這4個(gè)車體接地系統(tǒng)中的感應(yīng)電勢(shì)峰值,如圖11所示。3~5號(hào)車體瞬時(shí)電勢(shì)中幾乎不存在感應(yīng)電勢(shì)分量,6號(hào)車體瞬時(shí)電勢(shì)從18 kV降低到1.6 kV。2號(hào)和7號(hào)車體與沒有增加車體接地點(diǎn)相比其車體瞬時(shí)感應(yīng)電勢(shì)不變。
圖10 車體-鋼軌回路Fig.10 Modified body-rail loops
圖11表明增加車體接地點(diǎn)后,車體感應(yīng)電勢(shì)峰值最大值從18 kV下降到7.80 kV,但沒有完全解決雷擊接觸網(wǎng)時(shí)車體感應(yīng)過(guò)電壓?jiǎn)栴},2號(hào)和7號(hào)車體瞬時(shí)感應(yīng)電勢(shì)仍對(duì)車內(nèi)電氣設(shè)備安全存在一定的威脅。另外,增加車體接地點(diǎn)減小了流過(guò)單個(gè)車體的雷電流,降低因雷電流流過(guò)車體接地系統(tǒng)而引起車體電勢(shì)的抬升量。
圖11 增加車體接地點(diǎn)后車體瞬時(shí)感應(yīng)電勢(shì)Fig.11 Instantaneous induction potential after increasing body’s earth point
車體的接地電阻主要是接地電阻器,減小接地電阻器阻值能夠降低車體接地電阻,從而降低雷電流注入車體引起的車體電位抬升量,并在一定程度上降低車體與鋼軌之間的感應(yīng)電壓。但是,接地電阻器起著保護(hù)碳刷、防止軸承電腐蝕的作用,接地電阻器的阻值過(guò)小可能會(huì)加速碳刷的異常磨損,降低碳刷壽命,因此,通過(guò)減小接地電阻器電阻來(lái)降低車體瞬時(shí)電位峰值有一定的局限性。
(1)高速動(dòng)車組采用車體與碳刷間串聯(lián)接地電阻器的接地方式,接觸網(wǎng)遭受雷擊時(shí),將引起列車車體電勢(shì)瞬時(shí)抬升。車體瞬時(shí)電勢(shì)的幅值與雷電流的峰值、雷電流陡度以及車體接地系統(tǒng)的阻值有關(guān)。當(dāng)接觸網(wǎng)中雷電流峰值為20 kA時(shí),車體瞬時(shí)電勢(shì)峰值最大值達(dá)到18 kV,嚴(yán)重威脅到車內(nèi)電氣設(shè)備的安全。
(2)車體瞬時(shí)過(guò)電壓產(chǎn)生的途徑包括2個(gè)方面:一是雷電流流過(guò)車體接地系統(tǒng)引起的車體瞬時(shí)電勢(shì)變化;二是接觸網(wǎng)中的雷電流對(duì)車體-鋼軌回路中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。
(3)在接地電阻器兩端并聯(lián)濾波電容能夠有效降低雷擊接觸網(wǎng)時(shí)車體底部瞬時(shí)電勢(shì)的峰值,電容器電容不小于220 μF。增加車體接地點(diǎn),減小接地電阻器阻值也能夠在一定程度上降低車體瞬時(shí)電勢(shì)峰值。
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