丁勇

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

高速動車組車體操作過電壓特性仿真分析與試驗驗證

丁勇

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

為分析高速動車組車載真空斷路器分、合時車體操作過電壓特性，基于某型動車組電氣結(jié)構(gòu)，構(gòu)建仿真模型，介紹現(xiàn)場試驗并給出試驗結(jié)果。仿真結(jié)果表明：2車過電壓值最大，達到5.12kV；2—6車依次減小，各車過電壓高頻振蕩周期都約為0.6μs，過電壓在7μs后衰減到幾百伏。仿真與試驗結(jié)果誤差率為3%～26%，仿真與試驗中各車過電壓高頻振蕩周期、衰減時間、分布特性具有較好的一致性。

高速動車組；操作過電壓；仿真模型；現(xiàn)場試驗

高速動車組在過分相、升降弓、短路故障等過程中頻繁操作主斷路器會引起暫態(tài)過電壓，該過電壓不僅加速車頂高壓部件絕緣老化甚至絕緣擊穿，耦合到車體上的過電壓還會對車載電子設(shè)備正常工作造成影響[1-7]。動車組操作過電壓主要指動車組車頂斷路器閉合或打開操作時在牽引供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的過電壓。在列車主電路轉(zhuǎn)換時（如主斷路器分?jǐn)啵?，線路中感性元件的電流迅速降低，其存儲的電磁能量會在線路的感性和容性元器件中形成振蕩，產(chǎn)生過電壓[8]。過電壓發(fā)生時，由于整個牽引供電系統(tǒng)都處于工作狀態(tài)，因此會在斷路器前后、受電弓、變壓器、高壓電纜等高壓部件上產(chǎn)生操作過電壓，而且由于車頂高壓電纜的屏蔽層通過車頂接地，會有操作過電壓耦合到車體上。高速動車組車體不僅是運載乘客的載體，也是車載電子設(shè)備的“參考地”，因此分析車體操作過電壓特性及分布趨勢具有重要意義。

1 動車組系統(tǒng)

1.1 主電路

基于某型動車組對操作過電壓進行分析，此動車組采用交-直-交傳動系統(tǒng)，且是動力分散的動力配置模式，編組示意見圖1。采用8輛編組，4動4拖，由2個動力單元組成，每個動力單元由2輛動車和2輛拖車組成。1個基本動力單元由1臺牽引變壓器、2臺牽引變流器、8臺牽引電機構(gòu)成，1臺牽引變流器驅(qū)動4臺牽引電機。2、3、6、7車是動力車，車下有牽引變流器和牽引電動機，在2車和6車下有牽引變壓器；1、4、5、8車為拖車。

圖1 動車組編組結(jié)構(gòu)

動車組編組主電路見圖2。正常運行時，列車采用單弓受流，另一受電弓處于折疊狀態(tài)。動車4號或6號受電弓，從接觸網(wǎng)25 kV、50 Hz的單相交流電源受電，通過主斷路器真空斷路器（Vacuum Circuit B reaker，VCB）連接到2號和6號2臺牽引變壓器原邊繞組上。電流通過車軸上的接地碳刷入地，接地碳刷通過接地電阻與鋼軌相連，回流至牽引變電所。主電路開閉由VCB控制。牽引變壓器牽引繞組設(shè)2組，原邊25 kV時，牽引繞組電壓1 500 V。繞組側(cè)電壓經(jīng)整流逆變過程傳送到牽引電機，驅(qū)動列車運行。

圖2 動車組編組主電路

1.2 高壓系統(tǒng)

高壓系統(tǒng)主要電氣設(shè)備包括受電弓、主斷路器、避雷器、電流互感器、接地保護開關(guān)等。高壓系統(tǒng)具備為全車供電、電氣保護、監(jiān)測網(wǎng)壓網(wǎng)流和在線絕緣檢測的能力。列車車體過電壓的產(chǎn)生與這些電氣設(shè)備的高壓電路布局及電氣連接有關(guān)，尤其與受電弓、VCB、牽引變壓器及相互間的高壓電纜密切相關(guān)。

1.3 接地系統(tǒng)

動車組接地系統(tǒng)主要包括兩部分，即主回路電氣工作接地和車體保護接地[9-10]。

工作接地是指列車通過受電弓從接觸網(wǎng)接受的電流，該電流供給車載電氣設(shè)備后再經(jīng)接地碳刷連接到車軸，經(jīng)車體接地系統(tǒng)流入鋼軌。工作接地設(shè)置在2、6車。

保護接地是指車體通過保護接地線與輪對相連。接地碳刷安裝在每節(jié)動車的車軸上，由于車體電阻較低，當(dāng)接地碳刷接地電阻不穩(wěn)定時，電流會通過車體接地點進入車體，導(dǎo)致車體局部環(huán)流。碳刷接地性能降低，車體接地系統(tǒng)電阻增加，車內(nèi)電流會通過轉(zhuǎn)向架與軸承箱處的絕緣橡膠泄漏到軸承箱，造成軸承電腐蝕。為防止接地碳刷的異常磨損、軸承電腐蝕，動車組車體采用串聯(lián)電阻器的接地方式，在車體與電刷之間串聯(lián)等值電阻器。接地電阻器值遠大于碳刷接地電阻，穩(wěn)定了車體接地電阻，使車體接地電流均勻，防止接地碳刷異常磨損、軸承電腐蝕。動車組保護接地設(shè)置在2、3、6、7車下，采用串聯(lián)接地電阻器的接地方式。

2 操作過電壓仿真分析

2.1 模型搭建

操作過電壓仿真模型見圖3。接觸網(wǎng)按集總參數(shù)模型考慮，簡單鏈型懸掛下供電臂長度為25 km。電氣化鐵路接觸網(wǎng)由承力索、接觸線、懸掛裝置及支撐裝置等構(gòu)成，在結(jié)構(gòu)上與電力輸電線路中的分裂導(dǎo)線類似，可按照分裂導(dǎo)線進行分析。根據(jù)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)計算可得，接觸網(wǎng)導(dǎo)線電阻值為4.45 Ω、電感值為35.7 mH，接觸網(wǎng)與鋼軌間的電容值為0.134 2 μF，動車組車頂電纜單位長度電阻為0.05 Ω/km、電容為0.32 μF/km、電感為0.17 m H/km，動車組高壓電纜長度為150 m。經(jīng)現(xiàn)場測量，碳刷接觸電阻等效電阻Rt取0.01 Ω，車體電阻RC為47 mΩ，車體電感LC為0.23 μH，車間連接電阻Rj為0.01 Ω；接地電阻器電阻為0.5 Ω；鋼軌單位長度電阻為0.135 Ω/km、電感為0.44 mH/km，每節(jié)車廂長25 m，計算得車下對應(yīng)鋼軌電阻Rg1、電感Lg1分別為3.375 0 mΩ、11.00 μH。相鄰車廂距離在1.5 m左右，對應(yīng)鋼軌電阻Rg2、電感Lg2分別為0.202 5 Ω、20.66 μH。仿真模型中，牽引變壓器采用與實際變壓器電氣特性相似的XFRM-Linear線性變壓器；牽引電動機在斷路器斷開時已經(jīng)處于不工作狀態(tài)，因此用1 kΩ的電阻R2近似等效VCB斷開時的負(fù)載狀態(tài)。模型中U、Ls、Rs、Cs分別為牽引變電所的電源、內(nèi)電抗、內(nèi)電阻及接觸網(wǎng)對地電容，接觸網(wǎng)的等效電阻、電感分別表示為RL、LL，Lm為電壓互感器勵磁電感。

2.2 仿真結(jié)果分析

操作過電壓是因變壓器勵磁電感與高壓電纜屏蔽層寄生電容及變壓器入口電容間的電磁振蕩引起的。由于高壓電纜的特殊結(jié)構(gòu)與工作環(huán)境，高壓電纜屏蔽層必須通過車頂接地，電纜線芯與車頂之間由于屏蔽層的存在會有寄生電容，從而會使操作過電壓通過屏蔽層接地點耦合到車體上，過高的車體電位會存在安全隱患，因此有必要對不同車體上的過電壓進行仿真分析。

由于此動車組的高壓電纜只敷設(shè)在2—6車，因此只仿真分析耦合到這幾節(jié)車廂的車體操作過電壓?？紤]最嚴(yán)重情況，在電源電壓相位是90°、電壓大小為39 kV同時操作位于4車和6車的VCB。斷路器打開瞬間耦合到2—6車車體上的操作過電壓仿真結(jié)果見圖4。可以看出，其過電壓峰值從2—6車分別為5.12 kV、4.45 kV、4.36 kV、4.35 kV、4.33 kV，其中2車過電壓最值最大，峰值最大達到5.12 kV，2—6車依次減小，4、5、6車過電壓峰值相差較小。2車過電壓峰值最大是因為2車車頂安裝有高壓互感器，其接地端子通過該車車頂接地，即該車過電壓不僅通過高壓電纜向車體耦合，還通過高壓互感器的接地點耦合，而其他車上的過電壓只通過高壓電纜接地點向車體耦合。各車過電壓高頻振蕩周期都約為0.6 μs，之后迅速衰減，過電壓在7 μs后衰減到幾百伏。整體來看，各車過電壓波形發(fā)展趨勢相同。

圖3 操作過電壓仿真模型

圖4 各車車體操作過電壓波形圖

3 現(xiàn)場試驗與仿真模型驗證

3.1 現(xiàn)場試驗

動車組過電壓試驗在某線路段進行，該線路為無砟軌道，牽引網(wǎng)為帶回流線的直接供電方式。試驗主要包括PC機、數(shù)據(jù)采集器、同軸電纜線、分壓器、接線夾子等設(shè)備。

動車組過電壓試驗原理見圖5。用接線夾子分別從動車車頂、鋼軌取2個接線點，車頂引出線接分壓器高壓端，鋼軌引出線接分壓器低壓端。分壓器低壓端的另外2個點分別接數(shù)據(jù)采集器高壓端與接地端，采集器的第三端輸出電壓信號，由同軸電纜輸入PC機顯示并保存。

圖5 動車組過電壓試驗原理

3.2 試驗結(jié)果分析

經(jīng)過多次試驗，選取其中與多次試驗結(jié)果平均值最為接近的一組數(shù)據(jù)。斷路器由閉合到斷開時各車體過電壓試驗結(jié)果波形見圖6?？梢钥闯觯?、3、4、5、6車過電壓峰值最大為4.67 kV、4.29 kV、3.68 kV、3.63 kV、3.17 kV，各車過電壓高頻振蕩周期在1.0 μs之內(nèi)，大都在6～10 μs后衰減到幾百伏。

3.3 對比分析

各車過電壓試驗結(jié)果和仿真結(jié)果最值對比見表1?？梢钥闯觯抡嬷灯毡楸仍囼炛荡?，誤差率（（仿真值-試驗值）/仿真值）在3%～26%，這是因為仿真考慮的是最嚴(yán)重情況，即網(wǎng)壓相位為90°時的各車過電壓仿真值，而現(xiàn)場試驗斷路器動作時很難控制和確定其網(wǎng)壓相位，因此仿真值偏大是正?，F(xiàn)象。各車仿真波形中過電壓高頻振蕩周期約為0.6 μs，試驗中高頻振蕩周期為1.0 μs以內(nèi)。仿真結(jié)果中各車在7 μs后衰減為幾百伏，試驗中在6～10 μs衰減為幾百伏。且仿真與試驗波形中各車的過電壓最大值都是從2—6車依次減小，即各車過電壓高頻振蕩周期、衰減時間、分布特性具有較好的一致性，因此該仿真模型具有一定的正確性和可靠性。

表1 不同車體過電壓仿真與試驗結(jié)果對比

4 結(jié)論

（1）仿真結(jié)果表明，斷路器打開瞬間，耦合到各車車體上的操作過電壓峰值從2車到6車分別為5.12 kV、4.45 kV、4.36 kV、4.35 kV、4.33 kV，其中受電弓所在的過電壓最值最大，峰值最大達到5.12 kV，2—6車依次減小，4、5、6車過電壓峰值相差較小，只有幾十伏；各車過電壓高頻振蕩周期都約為0.6 μs，之后迅速衰減，過電壓在7 μs后衰減到幾百伏。

圖6 各車車體過電壓試驗波形

（2）在對比分析仿真結(jié)果與試驗結(jié)果后，發(fā)現(xiàn)仿真值普遍比試驗值大，誤差率在3%～26%，這是因為仿真考慮的是最嚴(yán)重情況，即網(wǎng)壓相位為90°時的各車過電壓仿真值，而現(xiàn)場試驗斷路器動作時很難控制和確定其網(wǎng)壓相位，因此仿真值偏大是正?，F(xiàn)象。各車過電壓高頻振蕩周期、衰減時間、分布特性具有較好的一致性。

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Sim ulation Analysis & Experimental Verification of Switching Overvoltage Characteristics o f HS EMU Car Bodies

DING Yong
（CRRC Changchun Railway Vehicles Co Ltd，Changchun Jilin 130062，China）

In order to analyze the switching overvoltage characteristics of high-speed EMU car bodies when the vacuum circuit breaker is on and o ff, this paper builds a simulation model based on the electrical structure of EMU train of a certain type, and introduces a field test and its results. The simulation results show that the overvoltage value is at its maximum (5.12 kV) in Car 2, and is on the decline from Car 2 to 6. The overvoltage high-frequency oscillation periods of each car is about 0.6 μs, and the overvoltage decays to several hundred volts after 7 μs. The error rate of simulation and test results ranges between 3% and 26%. There is a consistency among the overvoltage high-frequency oscillation periods of all cars in the simulation and test, and it is the same with decay times and distribution characteristics.

HS EMU；switching overvoltage；simulation model； field test

U264.3

A

1001-683X（2017）09-0068-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.09.068

丁勇（1980—），男，高級工程師。E-mail：xnjdggq@163.com

責(zé)任編輯 高紅義

2017-04-12