楊盼奎，賈步超

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接地電阻器對(duì)升降弓車體浪涌過(guò)電壓的影響

楊盼奎，賈步超

高速動(dòng)車組在升弓過(guò)程中過(guò)電壓通過(guò)車頂高壓電纜耦合到車體，引起車體暫態(tài)過(guò)電壓，嚴(yán)重威脅車載電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。為了分析在升弓過(guò)程中接地電阻器對(duì)車體浪涌過(guò)電壓的影響，基于某型動(dòng)車組構(gòu)建了高速動(dòng)車組升弓等效電路模型，仿真分析了車體過(guò)電壓的分布特性，定量分析了接地電阻器中電阻和電感對(duì)升弓過(guò)程車體浪涌過(guò)電壓的影響，為進(jìn)一步研究車體浪涌過(guò)電壓提供了理論基礎(chǔ)。

動(dòng)車組；升弓；過(guò)電壓；接地電阻器；試驗(yàn)

0 引言

鐵路作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈和常用交通工具，近十年來(lái)，建設(shè)規(guī)模和通車?yán)锍滩粩嘣黾樱瑒?dòng)車組技術(shù)也得到大力發(fā)展。鐵路接地系統(tǒng)是影響鐵路運(yùn)輸安全的重要部分，需保證主電路電流和設(shè)備外殼及車體產(chǎn)生的感應(yīng)電流流回到變電所，另外，沖擊電壓產(chǎn)生時(shí)，接地系統(tǒng)還是沖擊電流的泄放通道。

列車升弓瞬間，能量在電壓互感器的勵(lì)磁電感和高壓電纜線芯與屏蔽層之間的寄生電容間發(fā)生振蕩，形成過(guò)電壓。因過(guò)電壓引發(fā)故障的事件屢見(jiàn)不鮮，例如，2008年SS4型機(jī)車換端升弓過(guò)程中，機(jī)車放電間隙銅棒燒毀，同時(shí)受電弓與導(dǎo)線間電弧光將接觸網(wǎng)設(shè)備燒損[1，2]；2010年，SS7E137列車斷電降弓，導(dǎo)致車頂放電間隙擊穿，且靠近放電間隙處的支撐硅膠絕緣子有明顯放電燒傷閃絡(luò)痕跡。過(guò)電壓會(huì)通過(guò)高壓電纜屏蔽層和鋪設(shè)在車頂?shù)碾姎膺B接接地點(diǎn)耦合到車體上，形成車體過(guò)電壓。目前，升弓過(guò)電壓的研究主要采用試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方式[3～5]。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試和仿真發(fā)現(xiàn)，各車體過(guò)電壓基本呈振蕩衰減形式，電壓互感器低壓端所接車體的過(guò)電壓幅值最大，離該車體越遠(yuǎn)的車體過(guò)電壓越小。車體過(guò)電壓與升弓瞬間接觸網(wǎng)上牽引電壓的相位關(guān)系密切，當(dāng)牽引電壓相位為90°和270°時(shí)，過(guò)電壓最大，而當(dāng)相位為180°和0°時(shí)，過(guò)電壓最小。車體過(guò)電壓還與電壓互感器勵(lì)磁電感大小有關(guān)，勵(lì)磁電感越大，浪涌過(guò)電壓的幅值越小[3，4]；日本的相關(guān)研究結(jié)果表明，動(dòng)車組接地系統(tǒng)對(duì)車體浪涌電壓傳播特性的影響最大，而接地電阻器是接地系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，故分析接地電阻器對(duì)研究升弓車體過(guò)電壓的影響很有必要。

基于某型動(dòng)車組的接地方式，構(gòu)建列車升弓的等效電路模型，分別仿真分析接地電阻器中電阻和電感對(duì)車體浪涌過(guò)電壓的影響，為深入研究高速動(dòng)車組車體浪涌過(guò)電壓的相關(guān)影響因素提供理論基礎(chǔ)。

1 動(dòng)車組主電路結(jié)構(gòu)

該動(dòng)車組采用動(dòng)力分散結(jié)構(gòu)，其中8節(jié)為一個(gè)短編組，前后分為2個(gè)動(dòng)力單元，每個(gè)動(dòng)力單元兩動(dòng)兩拖構(gòu)成T-M-M-T結(jié)構(gòu)，動(dòng)車組電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。受電弓安裝在4號(hào)和6號(hào)車體上，動(dòng)車組在正常運(yùn)行工況中采用交流傳動(dòng)系統(tǒng)交-直-交的傳動(dòng)方式。受電弓通過(guò)接觸網(wǎng)受流后，利用高壓電纜傳輸?shù)?、6號(hào)車頂，經(jīng)電壓互感器、電流互感器和避雷器高壓端，再通過(guò)VCB斷路器傳輸?shù)綘恳儔浩?，變壓器副邊分別連接2、3車或6、7車的整流逆變裝置，通過(guò)整流逆變后，傳輸給牽引電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)車組運(yùn)行。主變壓器原邊低壓端連接工作接地，由于動(dòng)車組升弓時(shí)斷路器處于斷開(kāi)狀態(tài)，工作接地已切斷電路，在此不再詳細(xì)討論。

保護(hù)接地僅設(shè)置在動(dòng)車上，即2、3、6、7車。車體通過(guò)接地電阻器與接地碳刷相連，防止流過(guò)鋼軌的電流回流到車體上。

圖1 動(dòng)車組電路結(jié)構(gòu)

2 高速動(dòng)車組升弓浪涌過(guò)電壓分析

升弓過(guò)程中，車頂鋪設(shè)的高壓電纜產(chǎn)生浪涌過(guò)電壓，由于該電纜屏蔽層與車頂電氣連接，該過(guò)電壓將通過(guò)連接點(diǎn)傳播給車體，造成車體過(guò)電壓，利用Pspice軟件建立仿真模型，如圖2所示。

圖2 仿真模型

圖2中各參數(shù)如下：根據(jù)我國(guó)高鐵接觸網(wǎng)的典型參數(shù)，簡(jiǎn)單鏈形懸掛下供電臂長(zhǎng)度為25 km，接觸導(dǎo)線電阻S為4.45W、電感S為35.7 mH、與鋼軌間的電容S為0.134 2mF；在高速動(dòng)車組3、4、5、6車車頂鋪設(shè)高壓電纜，電纜參數(shù)為電阻 0.049W/km、電容0.32 μF/km、電感0.17 mH/km，每段長(zhǎng)度約為25 m；電壓互感器勵(lì)磁電感為 100.9 H；接地電阻器電阻d為0.5W，其中寄生電感m為20.3mH[6]；經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，碳刷接觸電阻t為0.01W，車體電阻C為2.8 mW、車體電感C為0.23 μH，車體間連接電阻j為0.01W。

通過(guò)控制開(kāi)關(guān)閉合保證受電弓在電源電壓波峰狀態(tài)時(shí)升起，由于車頂高壓電纜鋪設(shè)在3、4、5、6號(hào)車，故只考慮在動(dòng)車組升弓過(guò)程中3、4、5、6號(hào)車體上產(chǎn)生的浪涌過(guò)電壓，其仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 各車升弓浪涌過(guò)電壓分布情況

由圖3可以看出，各車體過(guò)電壓波形基本一致，3、4、5、6車車體過(guò)電壓幅值分別為8.55、4.3、3.77、3.47 kV；其中3車車體過(guò)電壓最高，因?yàn)樯瓡r(shí)車載主斷路器處于斷開(kāi)狀態(tài)，接入電路的僅有電壓互感器和車頂高壓電纜，電壓互感器低壓端連接在3號(hào)車頂上，因此，3車車體過(guò)電壓不僅可由高壓電纜屏蔽層耦合而來(lái)，還可來(lái)自電壓互感器，故3車車體過(guò)電壓最高；各車車體過(guò)電壓達(dá)最大值后，振蕩衰減，且振蕩周期隨時(shí)間擴(kuò)展，但基本在10ms內(nèi)衰減到500 V左右。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為測(cè)量車頂和鋼軌（軌道和車軸是等電位）之間的浪涌電壓并驗(yàn)證仿真模型的正確性，進(jìn)行靜態(tài)升弓瞬態(tài)浪涌電壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)原理和裝置分別如圖4、5所示。測(cè)試設(shè)備主要包括四通道高速數(shù)據(jù)采集器、分壓器和計(jì)算機(jī)。車頂和車軸分別連接到分壓器的高低壓端，分壓器輸出端連接數(shù)據(jù)采集器。采樣頻率設(shè)置為20 MHz，每完成一次升弓記錄一次數(shù)據(jù)，共記錄20次，最后取最大值。浪涌電壓信號(hào)波形傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行顯示，并進(jìn)行仿真結(jié)果驗(yàn)證。

圖4 試驗(yàn)原理

圖5 測(cè)試裝置

測(cè)得3車車體過(guò)電壓的波形如圖6所示，最大值達(dá)到7.91 kV，然后在10 μs內(nèi)衰減到幾百伏。對(duì)比實(shí)測(cè)和仿真波形（圖7）可以看出，仿真結(jié)果的最大值為8.55 kV，實(shí)測(cè)值與仿真值相比誤差為7.49%，但波形波動(dòng)和衰減情況基本一致。

經(jīng)實(shí)測(cè)，4、5、6車車體過(guò)電壓遵循3車過(guò)電壓測(cè)試波形相同的趨勢(shì)，最大值分別為4.12、3.51、3.32 kV，如表1所示?？梢钥闯觯鬈嚨膶?shí)測(cè)電壓分布情況與模擬結(jié)果比較吻合，誤差為4.19%～7.49%。出現(xiàn)誤差的原因是試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的升弓時(shí)刻接觸網(wǎng)電壓相位具有隨機(jī)性，而模擬的相位是90o，雖然采用多次試驗(yàn)取最大值的方式，但仍然不能保證試驗(yàn)時(shí)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓相位和仿真的網(wǎng)壓相位完全一致。因此，測(cè)試結(jié)果值高于模擬結(jié)果值是合理的。此外，車體和大地之間的寄生電容在模型中也未被考慮，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜，難以完全模擬。

圖6 3車車體過(guò)電壓實(shí)測(cè)波形

圖7 3車車體過(guò)電壓仿真波形

表1 最大升弓浪涌過(guò)電壓實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比

4 接地電阻器對(duì)車體浪涌過(guò)電壓的影響

車體和軸端之間的接地電阻器可避免電腐蝕、回流和電位浮動(dòng)的危害，接地電阻器中不僅存在電阻，還存在寄生電感，在本文中，接地電阻可等效為“電阻-電感”的串聯(lián)電路模型。為了分析接地電阻器對(duì)浪涌電壓的具體影響，分別改變仿真模型中接地電阻器的等效電阻值和電感值，討論3車車體浪涌過(guò)電壓隨不同電阻和電感值的變化情況。仿真結(jié)果列于表2和表3。為了易于顯示過(guò)電壓的變化趨勢(shì)，將表2和表3中的數(shù)據(jù)結(jié)果分別用圖8（a）和圖8（b）表示。

表2 過(guò)電壓幅值隨電感的變化

表3 過(guò)電壓幅值隨電阻的變化

圖8 過(guò)電壓幅值隨電感、電阻變化情況

從圖中可以看出，當(dāng)電感從4 μH變化到20 μH時(shí)，3車車體浪涌過(guò)電壓從1.7 kV增加到8.5 kV；當(dāng)電阻從0.5W變化到4W時(shí)，過(guò)電壓從8.55 kV僅增加到8.62 kV。結(jié)果表明，接地電阻器電阻和電感對(duì)車體浪涌過(guò)電壓幅值均有一定程度的影響，隨接地電阻器電感或電阻的增大而增大，但電感的影響更大，電阻的影響相對(duì)較小，可以忽略。

圖9 過(guò)電壓隨電阻器電感的波動(dòng)情況

圖9所示為過(guò)電壓隨電阻器電感的波動(dòng)情況，可以看出，接地電阻器電感量不僅影響過(guò)電壓的幅值，還影響過(guò)電壓的振蕩頻率，呈接地電阻器電感越小，振蕩周期越小的規(guī)律。

根據(jù)TB/T 3021-2001《鐵道機(jī)車車輛電子裝置》中的第12.2.6節(jié)的規(guī)定，車載電子設(shè)備所能承受的最大浪涌過(guò)電壓為2 kV[7]，因此接地電阻器寄生電感應(yīng)控制在3.35 μH以內(nèi)。

5 結(jié)論

本文基于牽引供電系統(tǒng)和動(dòng)車組實(shí)際電路結(jié)構(gòu)，建立升弓車體過(guò)電壓仿真模型，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證，分析了動(dòng)車組接地電阻器對(duì)車體過(guò)電壓的影響，得到如下結(jié)論：

（1）高速動(dòng)車在升弓時(shí)，車頂高壓電纜屏蔽層耦合是產(chǎn)生車體過(guò)電壓的根本原因，而接地電阻器的存在將抬升車體電位。各車體過(guò)電壓波形基本類似，達(dá)到最大值后，均呈振蕩形式衰減，電壓互感器低壓端所接的3車車體過(guò)電壓幅值最大，達(dá)到8.55 kV。

（2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)略低于仿真數(shù)據(jù)，誤差率在4.19%～7.49%之間。造成該情況的原因：仿真模型考慮的網(wǎng)壓相位是90°，而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)網(wǎng)壓相位不可控制。此外，仿真模型未考慮車體與地面鋼軌之間的電容。

（3）接地系統(tǒng)的高阻抗將抬高車體浪涌過(guò)電壓，而接地電阻器中的電感是主要因素，電阻的影響較小基本可以忽略；接地電阻器中的電感不僅影響過(guò)電壓幅值，還影響過(guò)電壓的振蕩周期，呈電感越大，過(guò)電壓幅值越大，振蕩周期越大的規(guī)律。

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[7] B/T 3021-2001 鐵道機(jī)車車輛電子裝置[S].

In process of high speed train running, the overvoltage is coupled to the train body through high voltage cables on the car roof, inducing transient overvoltage on the train body, endangers the safety operation of on-board electric equipment. In order to analyze the impact to the train body by the surge overvoltage caused by the earthing resistor during raising or lowering of pantograph, high speed EMU pantograph raising or lowering equivalent circuit model is established on the basis of a certain EMU, characteristics of overvoltage distribution on the train body are simulated and analyzed, impacts to the surge overvoltage on the car body caused by the resistance and inductance in the earthing resistor are analyzed quantitatively, providing theoretical basis for further researching of surge overvoltage on the train body.

EMU; raising of pantograph; overvoltage; earthing resistor; test

U266.2

B

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.021

1007-936X(2018)01-0084-04

2017-04-12

楊盼奎.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，工程師；

賈步超.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，高級(jí)工程師。