魏曉斌，魏文賦，桂志遠(yuǎn)，李宇星，楊澤鋒，吳廣寧

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

隨著動車組運(yùn)行速度的提升，安全問題一直倍受關(guān)注。在CRH380B型動車組運(yùn)行過程中，接地碳刷經(jīng)常被燒毀，流經(jīng)保護(hù)接地的電流也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期值，給列車的安全運(yùn)行留下隱患。因此，有必要對高速動車組的接地電流分配進(jìn)行深入地研究，并設(shè)計(jì)更優(yōu)良的接地系統(tǒng)。前人也研究過普通列車的接地系統(tǒng)，英國學(xué)者表明軸承的快速損耗老化是因?yàn)殡娏髁鬟^滾珠軸承發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)[1]；日本的千島伸雄發(fā)現(xiàn)不同的車軸維修周期參差不齊，從而改良了機(jī)車接地系統(tǒng)，為此也帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)利益[2]；日本學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)列車本體存在電流，為了抑制電流流過車體，在車體的接地線之間安裝了一個大小為0.5 Ω的電阻[3-4]，但該方法也衍生出另一些缺陷，在一系列過電壓發(fā)生時，車體的電位會迅速升高，甚至威脅到車上的弱電系統(tǒng)?，F(xiàn)在，也有很多研究人員對動車組的接地做過一定討論，裴春興等人分別介紹了國內(nèi)常見的幾種高速動車組的接地系統(tǒng)，并簡略分析了各自的優(yōu)劣[5-6]。張長青主要針對380A型動車組，介紹了該型動車組所采用的接地方案及對應(yīng)參數(shù)，最后闡述了該型動車組接地系統(tǒng)的可行性[7]。袁德強(qiáng)等人在380B及其長編組型動車組上對保護(hù)接地電流做了實(shí)測試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對這2種編組方式的接地系統(tǒng)均提出了改善措施[8-10]。劉東來分析了高速動車組接地環(huán)流形成的原理，搭建了關(guān)于接地系統(tǒng)的模型，通過仿真得出增加接地電阻的大小為0.5 Ω具有最佳效果[11]。北京交通大學(xué)的李石研究了CRH3型動車組的接地系統(tǒng)，除了CRH3本身接地方案以外，還重新構(gòu)造了另外4種接地形式，在仿真結(jié)果中通過比較保護(hù)電流的大小及車體電勢得出了相對較好的方式；另外，還闡明了動車組的保護(hù)電流變化情況與運(yùn)行工況密切相關(guān)[12-13]。此外，文獻(xiàn)[14]提到接地回流與列車的電磁兼容性也密切相關(guān)。本文以CRH3為載體，結(jié)合實(shí)際測試的波形數(shù)據(jù)分析了電流幅值的變化情況與不同時刻電流相位的分配情況；構(gòu)建了更為準(zhǔn)確的仿真模型來驗(yàn)證，該模型對于設(shè)計(jì)新的接地方案有指導(dǎo)意義。

1 主電路分析

1.1 機(jī)車主電路

CRH380B型動車組在國內(nèi)廣泛使用，整個系統(tǒng)為交流傳動式，2車和7車車體頂部各裝一張受電弓，當(dāng)一張受電弓從接觸網(wǎng)獲取電能時，另一張為備用，獲取的電流在2車與7車分別經(jīng)過一系列的高壓設(shè)備至牽引變壓器，再通過整流及逆變過程將電能輸送至相鄰車底的牽引電機(jī)，輸出動能。因此，整列動車采用8車編組，1、3、6、8車為動車，其余為拖車。其主電路見圖1。

圖1 列車主電路

1.2 接地系統(tǒng)

高速動車組接地系統(tǒng)可劃分為2部分，一部分是工作接地，另一部分是保護(hù)接地。工作接地為主變壓器一次端跨接至車軸接地碳刷的絕緣銅絞線，主電流通過它流至輪對，最后流經(jīng)鋼軌或其他通路返回至牽引變電所。保護(hù)接地則為車體跨接至車軸接地碳刷的絕緣銅絞線，其作用是使車體與鋼軌電勢保持一致。CRH3型動車組從德國西門子引入國內(nèi)時僅僅在列車中部裝有保護(hù)接地，由于 1車和8車不能很好地與鋼軌保持等電位，因此CRH380B在CRH3的基礎(chǔ)之上重新設(shè)置了保護(hù)接地點(diǎn)。新保護(hù)接地系統(tǒng)為1車加裝2個保護(hù)接地，分別設(shè)于第1、2軸；2車主要為牽引工作電流流出點(diǎn)，遂不裝保護(hù)接地；3車加裝2個保護(hù)接地，分別設(shè)于第2、3軸；4車保留2保護(hù)接地，分別設(shè)于第3、4軸；為保持動車組的前后對稱性，另一半列車保護(hù)接地的設(shè)置與前半列車呈鏡像對稱，具體見圖2。

圖2 380B型接地系統(tǒng)

1.3 AT供電

目前，AT供電系統(tǒng)在中國高速鐵路線路中普遍運(yùn)用，其優(yōu)勢主要為牽引阻抗小、供電距離長、電磁兼容性能好。AT供電方式即在牽引網(wǎng)中架設(shè)一根正饋線F，每相隔約15 km處在接觸線與正饋線之間并聯(lián)接入1臺繞組匝數(shù)w1：w2=1∶1的自耦變壓器。在AT所間每隔約1.5 km設(shè)1個絕緣節(jié)，絕緣節(jié)兩端各設(shè)1個扼流變壓器，原邊連接鋼軌，副邊連接弱電設(shè)備。2個扼流變壓器連接線的中點(diǎn)通過電纜與回流線相連，該電纜稱為吸上線，其作用為減小牽引電流對信號回路的影響。扼流變壓器對于牽引回流只起引導(dǎo)作用，因此將扼流變壓器與吸上線電纜等效為一電感l(wèi)。AT供電結(jié)構(gòu)見圖3，牽引變電所供給接觸網(wǎng)與饋線之間的電壓為55 kV，接觸網(wǎng)與鋼軌之間的電壓為27.5 kV。

圖3 AT供電結(jié)構(gòu)示意

2 模型的構(gòu)建

建模假設(shè)：

(1) 車體、鋼軌的阻抗均勻分布，與長度成正比。

(2) 因?yàn)轲伨€阻抗值遠(yuǎn)低于牽引回路鋼軌——大地阻抗值，因此，列車流出的工作電流幾乎全部流過兩邊的吸上線至饋線再流回牽引變電所，不會流入其他吸上線區(qū)間。

2.1 AT模型

本文AT模型的建立基于典型AT供電方式，T為接觸網(wǎng)，R為鋼軌，F(xiàn)為饋線，見圖4。選取牽引變電所及臨近的3個AT所為分析對象，AT所里面的主要元件為一次低壓端子和二次高壓端子直接相連的自耦變壓器。圖4中第一個相鄰AT所間牽引網(wǎng)的自阻抗及互阻抗用Z1表示；第二個相鄰AT所間的自、互阻抗作如下分割，位于中部的2條吸上線距離兩端AT所的阻抗都用Z0表示；列車行駛于中部吸上線區(qū)間時，列車至左側(cè)吸上線的阻抗用Z2表示，至右側(cè)吸上線的阻抗用Z3表示；為了模擬列車受吸上線的影響只需調(diào)節(jié)Z2、Z3的大小方能達(dá)到目的。

圖4 AT供電方式模型

2.2 車輛及接地模型

車體的結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖5，現(xiàn)場重復(fù)實(shí)測了單節(jié)車體縱向的電抗參數(shù)，經(jīng)過平均法即可得到整節(jié)車體的阻抗參數(shù)。因?yàn)檩S端接地碳刷通過接地線直接連至上端車體，因此車體參數(shù)可由車軸所在的位置進(jìn)行等比例分割，見圖6。頭車的第1、2號軸端設(shè)有接地線，但第1號軸往前的車體無電流流通，可舍去，1車分配比例見圖6(a)；2車沒有保護(hù)接地點(diǎn)，用單個阻抗代替便可；3車的第2、3號軸端設(shè)接地線，該車電阻、電抗的劃分比例見6(b)；4車的第3、4號軸端設(shè)接地線，故阻抗劃分比例見圖6(c)。后半列車與前半列呈鏡像對稱，故等效比例一致。2節(jié)車體間都設(shè)有連接線把整列車連成1個等勢體，每根連接線可等效為1個電阻，接地線、接地碳刷及輪對可等效為固定電阻。鋼軌阻抗的劃分原則與車體一致，亦是通過接地輪對所在位置把鋼軌進(jìn)行等比例劃分。建立的車體及接地系統(tǒng)模型見圖7。

圖5 車體結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位:m)

圖6 不同車阻抗等效比例

參數(shù)設(shè)置：現(xiàn)場重復(fù)測量再平均可得，單個車體的電阻值取0.002 8 Ω，電感值取2.78 μH，2車體的連接電阻取0.005 Ω，接地電阻取0.01 Ω。單位長度鋼軌阻抗為

根據(jù)聶曼公式

式中：p為鋼軌周長，m；ρ為鋼軌電阻率，Ω·m ；r為單位鋼軌電阻，Ω·m ；Li為單位電感，μH/m;ω為角速度，rad/s;f為電流頻率，Hz;μ為材料相對磁導(dǎo)系數(shù);p=0.62 m，鋼軌電阻率0.21×10-7Ω·m，磁導(dǎo)率μ=500[15]，頻率f=25 Hz，代入式有r=0.000 037 4 Ω/m，Li=0.143 μH/m。每節(jié)車廂長25 m，對應(yīng)鋼軌的電阻為0.001 8 Ω，電感為3.575 μH。

3 數(shù)據(jù)分析

在380B型動車組實(shí)際運(yùn)營中，發(fā)現(xiàn)1車或8車保護(hù)電流幅值最大，現(xiàn)做實(shí)驗(yàn)測取實(shí)際數(shù)據(jù)對其分析。實(shí)驗(yàn)示意圖見圖8，電流鉗測量軸端的電流數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)采集器儲存，PC機(jī)用于控制與顯示。實(shí)際測試見圖9。

圖8 實(shí)驗(yàn)示意

圖0 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)測保護(hù)接地電流分析

現(xiàn)場測試傳感器采樣頻率為1 000點(diǎn)/s。因?yàn)閯榆嚱M運(yùn)行工況復(fù)雜，速度變化范圍大等原因致使測取的整體數(shù)據(jù)波動范圍較大，于是從中截取較為平穩(wěn)的數(shù)據(jù)代表正常勻速運(yùn)行的數(shù)據(jù)。由于所測電流中1、8車電流幅值最大，以1、8車為例進(jìn)行說明。1、8車保護(hù)接地整體波形見圖10，圖10中保護(hù)接地電流呈周期性變化，周期約為20 s。動車組約以280 km/h的速度運(yùn)行，那么對應(yīng)一個周期的距離約為1 555 m，這正是2個吸上線間的距離，說明吸上線對保護(hù)接地的電流影響較大。由圖10(a)可知，1車電流隨列車運(yùn)行逐漸增加，20 s后達(dá)到最大值，然后突然減小；相反，8車電流見圖10(b)，1車電流最小時8車電流反而最大，當(dāng)列車?yán)^續(xù)運(yùn)行該電流慢慢變小，約20 s減至最小，緊接著驟然上升至最大值，接下來重復(fù)進(jìn)行下一個循環(huán)。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)列車在吸上線區(qū)間左側(cè)運(yùn)行時，幾乎所有的牽引回流會流經(jīng)左邊吸上線至饋線，加之左邊的吸上線靠近8車而遠(yuǎn)離1車，導(dǎo)致流經(jīng)8車的回路電流最大，流經(jīng)1車的回路電流最小。列車?yán)^續(xù)向前行駛并逐步靠近右側(cè)吸上線，8車距離左邊吸上線越來越遠(yuǎn)，1車距離右邊吸上線越來越近，于是流經(jīng)8車的接地電流越來越小，流過1車的會越來越大。繼續(xù)行駛當(dāng)1車抵達(dá)右側(cè)吸上線時，幾乎全部牽引回流會通過右側(cè)吸上線至饋線，則1車的接地電流達(dá)到最大，8車的接地電流最小。當(dāng)整個列車駛出本吸上線區(qū)間而進(jìn)入下一個吸上線區(qū)間時，相當(dāng)于又回到了初始狀態(tài)，在這個過程中，1車的接地電流會從最大值迅速減小至最小值，反而8車的接地電流會從最小值迅速增加到最大值。上述分析的變化趨勢與實(shí)測數(shù)據(jù)的變化趨勢一致，其余車也遵循同樣的規(guī)律。

圖10 1、8車整體保護(hù)電流波形

討論過保護(hù)電流的幅值變化趨勢后，仍有一個不容忽視的相位問題。弄清相位問題再結(jié)合幅值規(guī)律便可建立保護(hù)電流動態(tài)變化規(guī)律。設(shè)1個吸上線區(qū)間為1個周期，在同1個吸上線區(qū)間的左、中、右3個地方取數(shù)據(jù)，并規(guī)定把工作電流的流向作為基準(zhǔn)方向，觀察其余波形的方向。列車位于吸上線區(qū)間左側(cè)時保護(hù)接地電流實(shí)測波形見圖11，前半列車實(shí)測波形見圖11(a)，其中與基準(zhǔn)方向相同的是4車保護(hù)接地電流，相反的是1、3車保護(hù)接地電流，3車第2號軸接地電流幅值較大，其余相對較小。后半列車實(shí)測波形見圖11(b)，與基準(zhǔn)方向相同的是8車保護(hù)接地電流，方向相反的是5、6車保護(hù)接地電流，其中8車的保護(hù)接地電流幅值最大。綜上所述，此時刻全列車的接地電流的流向是從1、3、5、6車流進(jìn)車體，從4、8車流出車體。

圖11 左側(cè)實(shí)測保護(hù)電流波形

圖12 中部實(shí)測保護(hù)電流波形

列車在吸上線區(qū)間中間時全部保護(hù)電流實(shí)測波形見圖12，對比前、后半列車保護(hù)接地電流發(fā)現(xiàn)其大小及相位變化規(guī)律相同，與規(guī)定基準(zhǔn)方向相同的是1、8車并且電流幅值最大，其余車的保護(hù)電流方向均與基準(zhǔn)方向相反且越靠近列車中部其電流幅值越小。不難理解當(dāng)列車行至吸上線區(qū)間正中時，吸上線區(qū)間的車-網(wǎng)模型處于鏡像對稱，因此從左右吸上線流過的牽引回流相當(dāng)，當(dāng)2、7車的工作電流流至鋼軌后，一部分會經(jīng)過相鄰中間車的保護(hù)接地流上車體再從頭、尾車流出。綜上所述，此時刻全列車的接地電流的流向是從3、4、5、6號車流進(jìn)車體，從1、8號車流出車體。

列車在吸上線區(qū)間右側(cè)時前、后半列車保護(hù)電流波形分別見圖13(a)、圖13(b)。相較于在吸上線區(qū)間左側(cè)時，接地電流分布情況剛好相反。此時對于整列車，與規(guī)定基準(zhǔn)電流方向一致的只有1車和5車，其余車保護(hù)接地電流均與基準(zhǔn)電流方向相反，1車接地電流最大，表明這種情況下接地電流通過8、6、4、3車的接地流進(jìn)，再匯聚到1車流出車體，這就是頭車、尾車接地電流最大的原因，與之前幅值分析殊途同歸。綜上幾種情況得知，當(dāng)列車在行駛過程中，所有保護(hù)接地電流的流向持續(xù)變化，遵循原則為接地電流主要從離吸上線近的接地線流出，且越近匯聚的電流越大，隨著列車在吸上線區(qū)間的重復(fù)運(yùn)動，接地電流幅值及流向均呈周期性變化。

3.2 仿真保護(hù)接地電流分析

圖14 左側(cè)仿真保護(hù)電流波形

圖15 中部仿真保護(hù)電流波形

為了對上述實(shí)測波形分析進(jìn)行驗(yàn)證，利用本文已建立的車-網(wǎng)模型進(jìn)行仿真，改變Z2、Z3的阻抗值便可以仿真在吸上線區(qū)間內(nèi)左、中、右3個位置的情形。位于吸上線區(qū)間左側(cè)時各保護(hù)電流波形見圖14；位于吸上線區(qū)間中部各保護(hù)電流見圖15；位于吸上線區(qū)間右側(cè)各保護(hù)電流見圖16。比較實(shí)測波形與仿真結(jié)果，在仿真波形中，保護(hù)接地電流的流向變化規(guī)律與實(shí)測相位分析完全相同，但仿真結(jié)果的接地電流大小偏低，其影響因素可能是模型的建立和現(xiàn)實(shí)等效有偏差；工作電流的選取有些許偏?。惶暨x的實(shí)測數(shù)據(jù)工況與模擬工況不一致。此處少許接地電流大小偏差并不影響其整體方向及幅值的變化規(guī)律。因此，仿真結(jié)果進(jìn)一步證明了所構(gòu)建模型的可靠性以及對實(shí)測波形分析的正確性。

圖16 右側(cè)仿真保護(hù)電流波形

4 改進(jìn)措施

圖17 加0.1 Ω電阻仿真波形

由前面分析可知，兩端的電流幅值過大的根本原因是因?yàn)楫?dāng)一端靠近吸上線時，其余大部分電流都通過端部的接地流到鋼軌上，在端部形成1個匯聚點(diǎn)。因此，可以在這個匯流處設(shè)置1個接地電阻，限制端部電流的幅值。在1、8車的接地上加入0.1 Ω的電阻后列車位于在吸上線區(qū)間中部的波形見圖17，前半車與后半車波形一致，對比圖15可得，所有接地電流大幅降低。經(jīng)仿真，隨著電阻值增加，3車電流會逐漸超過1車電流，此時1車與3車電流最相近，故該接地電阻值為最佳。

5 結(jié)論

從實(shí)測保護(hù)電流波形及仿真驗(yàn)證可得以下結(jié)論：

(1) 通過接地點(diǎn)位置來劃分車體等效的方法及整個仿真模型是可靠的；保護(hù)電流受吸上線的影響呈周期性變化，越靠近吸上線的保護(hù)接地電流越大，越靠近中部電流越小；保護(hù)電流的最大值出現(xiàn)在1車與8車1軸經(jīng)過吸上線時，但它們不是同時出現(xiàn)。

(2) 在兩吸上線間運(yùn)行時，當(dāng)列車位于區(qū)段左端，電流主要從前半車保護(hù)接地流進(jìn)車體并集中于8車保護(hù)接地流出；當(dāng)列車位于區(qū)段中間時，電流從中部接地流進(jìn)并從頭車和尾車接地流出；當(dāng)列車位于區(qū)段右端，電流主要從后半車保護(hù)接地流進(jìn)并集中于1車接地流出。

(3) 當(dāng)給1、8車的保護(hù)接地加上一個0.1 Ω的接地電阻時，可以有效降低所有保護(hù)接地的電流幅值。