周利軍，李沃陽，周 猛，陳田東，謝立軍，王東陽

（1.西南交通大學電氣工程學院，四川成都 611756；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266109）

動車組具有運行速度高、載客量大、安全性高及舒適環(huán)保等優(yōu)點，在我國得到了迅速發(fā)展［1-4］。隨著動車組行車密度的增加與運行速度的提高，需要的牽引電流也增大，由此產(chǎn)生動車組對鋼軌間接地電流增大、鋼軌對地電位升高等現(xiàn)象，將造成軸承電腐蝕等問題，對鐵路系統(tǒng)設(shè)備的正常工作與沿線工作人員的安全產(chǎn)生威脅［5-8］。此外，由于車軸與接地碳刷間接觸電阻分布具有明顯分散性，不同接地點間產(chǎn)生電位差，在動車組車體內(nèi)形成局部環(huán)流并導(dǎo)致電流分配不均，造成動車組電磁兼容狀況劣化并給檢修帶來困難［9］。因此，為提高動車組安全運行的可靠性，針對動車組某一車軸保護接地電流幅值過大、車體環(huán)流與各軸保護接地電流分配不均等接地回流問題進行研究是必要的。

最早針對動車組接地回流的研究，源于對軸承電腐蝕和鋼軌對地電位過高等問題的關(guān)注［10-14］。針對接地回流對軸承帶來的影響，標準TB/T 2947—1999《列車干線供電技術(shù)條件》規(guī)定，為防止電流通過軸承造成其損害，應(yīng)在客車軸箱增設(shè)絕緣［15］。中車長客廠技術(shù)專家通過現(xiàn)場測試、對比分析等方法，針對CRH380B 型動車組軸承電腐蝕問題提出在轉(zhuǎn)向架上加裝保護接地裝置的優(yōu)化方案［16］。隨著對接地回流研究的深入，為進一步分析動車組接地回流特性，國內(nèi)外學者通過搭建接地回流系統(tǒng)電路模型對接地回流分配進行研究。蘭州交通大學學者針對電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中常見的AT 供電方式，通過對接地回流系統(tǒng)電路的仿真建模與計算，研究接地回流的分布規(guī)律［17］。北京鐵路局供電段技術(shù)專家基于多導(dǎo)體傳輸線模型，研究接觸網(wǎng)電氣參數(shù)的矩陣化計算方法［18］。意大利學者建立牽引系統(tǒng)分布式模型，結(jié)合理論推導(dǎo)研究幾種常用的牽引變電站配置下的牽引線阻抗參數(shù)［19］。西南交通大學學者針對動車組正常運行工況與過吸上線等特殊工況建立了接地回流系統(tǒng)電路模型，從改善工作接地方式和保護接地方式等多角度提出了對接地回流分配的優(yōu)化方案［20-23］。上述針對動車組接地回流的研究工作雖然得到了不同的優(yōu)化方案，但是這些方案基本側(cè)重于接地電流幅值的降低，對于車體環(huán)流和各軸保護接地電流分配不均問題的改善不夠明顯。并且，北京交通大學學者的研究表明，在鋼軌參數(shù)計算中應(yīng)考慮鋼軌的滲透深度和截面尺寸的影響，才能保證取值的準確性［24］，然而在動車組接地回流優(yōu)化的參數(shù)計算時很少考慮到這點。因此，需要綜合考慮上述3 個方面問題和鋼軌參數(shù)對動車組接地回流特性的影響，以便進一步研究動車組接地系統(tǒng)的優(yōu)化。

本文以供電條件類比于高鐵動車組的成都地鐵18 號線市域動車組為研究對象，考慮鋼軌滲透深度和截面尺寸的影響，采用Multisim 軟件建立市域動車組接地回流系統(tǒng)電路模型，并依據(jù)整車試驗規(guī)范搭建現(xiàn)場試驗平臺驗證其有效性；分析市域動車組在現(xiàn)有接地方式即直接接地和分散保護接地方式下正常和半列動力運行時的接地回流特性；綜合考慮直接接地與經(jīng)電阻接地、集中保護接地與分散保護接地的不同優(yōu)點，提出首先將軸端經(jīng)0.05 Ω 電阻接地、然后去除2 車1 軸和7 車2 軸接地保護線、最后將1 車2 軸和8 車1 軸直接接地的遞進優(yōu)化方案，并與現(xiàn)有接地方式進行對比。

1 市域動車組接地回流系統(tǒng)電路模型構(gòu)建與驗證

1.1 模型構(gòu)建

成都地鐵18 號線市域動車組的供電方式，區(qū)別于一般城軌車輛常見的直流750 V 第三軌供電方式和直流1 500 V 接觸網(wǎng)供電方式。由于需保證160 km·h-1速度下的高速運行，成都地鐵18 號線市域動車組采用了交流25 kV 柔性接觸網(wǎng)供電、走行軌回流方式，供電條件類比于高鐵動車組［25］。該市域動車組應(yīng)用動力分散的8 輛編組形式，動力配置方式為六動二拖，具體編組為M-M-T-M-MT-M-M（其中M 為動車，T 為拖車）。該市域動車組正常運行時采用單弓受流方式，3 車、6 車上的受電弓從接觸網(wǎng)得電后，牽引電流依次經(jīng)過車頂高壓電纜、接地開關(guān)、車頂隔離開關(guān)、避雷器、電壓互感器和電流互感器等車頂高壓設(shè)備后輸入牽引變壓器中，經(jīng)整流和逆變后為動車組上的牽引電動機供電。

該市域動車組的接地系統(tǒng)包括工作接地與保護接地。工作接地端口設(shè)置在3 車和6 車牽引變壓器的一次側(cè)末端，牽引電流通過該端口經(jīng)車輪流進鋼軌，并最終從吸上線回流到牽引變電所。保護接地則是將1 車—8 車的車體與鋼軌耦合形成多支路的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，有利于釋放故障電流和預(yù)防過電壓沖擊。成都地鐵18號線市域動車組接地系統(tǒng)如圖1所示。由圖1 可知：該市域動車組采用了直接接地和分散保護接地方式，工作接地與保護接地互相獨立，各車廂通過等電位車體連接線構(gòu)成等勢體。

圖1 市域動車組接地系統(tǒng)

車體等效模型如圖2所示。

圖2 車體等效模型（單位：cm）

為方便分析，將同一車軸的2 個接地通道等效在一起，采用Multisim 軟件建立市域動車組接地回流系統(tǒng)電路模型如圖3所示。圖中：Ls，Rs和Us為接觸網(wǎng)等效電感、電阻和電壓；Lc和Rc為同一車體2 個車軸間等效電感和電阻；Lj和Rj為前車體2軸至后車體1 軸間等效電感和電阻；Lg1和Rg1為同一車體2個車軸間對應(yīng)鋼軌的等效電感和電阻；Lg2和Rg2為前車體2軸至后車體1軸間對應(yīng)鋼軌的等效電感和電阻；Ll和Rl為1 車1 軸至左側(cè)吸上線間對應(yīng)鋼軌的等效電感和電阻；Lr和Rr為8 車2 軸至右側(cè)吸上線間的對應(yīng)鋼軌等效電感和電阻；Rt1為保護接地等效電阻；Rt2為工作接地等效電阻；Lm，Rm和Ci為牽引變壓器等效電感、電阻和電容。

圖3 市域動車組接地回流系統(tǒng)電路模型

成都地鐵18 號線市域動車組供電條件類比于高鐵動車組，因此接觸網(wǎng)仿真參數(shù)依照我國高鐵牽引網(wǎng)架設(shè)典型參數(shù)選?。汉唵捂溞蛻覓旃╇姳坶L度為25 km，按集中參數(shù)模型等效接觸網(wǎng)，其電壓Us為27.5 kV，電阻Rs為4.45 Ω，電感Ls為35.7 mH。經(jīng)實際測量，每節(jié)車體等效電阻約為0.05 Ω，等效電感約為0.5 H，保護接地等效電阻Rt1約為0.01 Ω，工作接地等效電阻Rt2約為0.01 Ω。依據(jù)圖2 比例歸算車體等效電阻和電感，取Rc為0.03 Ω，Lc為0.3 H；Rj為0.02 Ω，Lj為0.2 H。

由于鋼軌在工頻下具有集膚效應(yīng)，考慮鋼軌滲透深度和截面尺寸的影響，采用聶曼公式計算鋼軌單位長度電感L和電阻R分別為

其中，

式中：Rdc為鋼軌直流電阻，Ω·m-1；f為電流頻率，Hz；S為鋼軌橫截面積，m2；P為鋼軌橫截面周長，m；μr為鋼軌相對磁導(dǎo)率；ρ為鋼軌電阻率，Ω·m；β為參數(shù)，β形式上將鋼軌滲透深度和橫截面積聯(lián)系在一起，反映了鋼軌集膚效應(yīng)的影響。

按照我國鋼軌典型參數(shù)［24］，取Rdc=3.2×10-5Ω·m-1，f=50 Hz，S=6.57×10-3m2，P=0.62 m，μr=521，ρ=2.1×10-7Ω·m，代入上式得鋼軌單位長度電阻和電感分別為R=3.4×10-4Ω·m-1，L=6.6×10-7H·m-1。依據(jù)車體等效模型長度歸算，有Rg1=5.1 mΩ，Lg1=10 μΗ，Rg2=3.4 mΩ，Lg2=6.6 μΗ。由于該市域動車組的車體和接地方式均完全對稱，可只對4節(jié)車廂的接地回流狀況和保護接地系統(tǒng)優(yōu)化進行分析。

1.2 模型驗證

為驗證市域動車組接地回流系統(tǒng)電路模型的有效合理性，對接地回流分布情況進行現(xiàn)場實測。根據(jù)標準IEC 61133—2006《鐵道設(shè)施.鐵道車輛組裝后和運行前的整車試驗》的規(guī)定，對接地電流的測量采用動態(tài)離線數(shù)據(jù)采集的方法，主要儀器設(shè)備有福祿克i400s 高精度電流鉗（400 A 量程內(nèi)誤差僅為2%）、同軸電纜線、日本橫河DL850 示波器、PC機等。測試時將電流鉗夾在各軸接地測量點上，測量數(shù)據(jù)被采集儲存于放置在車廂內(nèi)的示波器中，試驗結(jié)束后通過PC 機上的上位機系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)進行處理。保護接地電流的試驗測試點與測試時示波器波形分別如圖4和圖5所示。

圖4 保護接地電流試驗測試點

圖5 測試時示波器波形

動車組運行時的起停和升降弓過程會導(dǎo)致測試的整體波形波動增大，故選取一段平穩(wěn)的波形經(jīng)簡單濾波后作為正常運行時的波形，由于試驗時吸上線靠左，Ll和Rl遠小于Lr和Rr，保護接地電流主要從前4 節(jié)車廂流過，故僅對前4 車廂回流狀況進行分析。

吸上線靠左時市域動車組正常運行時各車保護接地電流和3 車工作接地電流實測波形如圖6所示。圖6 中，市域動車組除3 車外的每個車軸有2個并聯(lián)接地通道，將同一車軸2 個并聯(lián)通道的電流相加后，并將其與基于Multisim 軟件和接地回流系統(tǒng)電路模型得到的仿真數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果見表1。

圖6 各車保護接地電流和3車工作接地電流實測波形

由表1 可知：仿真得到的各軸保護接地電流在幅值和相位上基本反映了實測情況，同樣體現(xiàn)出幅值較大，2 車環(huán)流明顯和各軸保護接地電流分配不均的問題。

表1 市域動車組保護接地電流仿真與實測對比

實測與仿真保護接地電流趨勢對比如圖7所示。由圖7 可知：仿真數(shù)據(jù)與實測結(jié)果對比存在少量誤差。原因主要有三：一是建立電路模型時存在一定的近似等效；二是市域動車組實際運行中牽引電流存在一定畸變；三是因為實測電流的測量原理是利用電流鉗通過自身閉合磁路感應(yīng)被測處電流產(chǎn)生的磁場，而在動車組運行進程中，電磁環(huán)境較為復(fù)雜，其他磁通量通過電流鉗閉合磁路會對實測電流值產(chǎn)生影響。以上分析表明，建立的市域動車組接地回流系統(tǒng)電路模型的有效性得到了驗證。

圖7 實測與仿真保護接地電流趨勢對比

2 接地回流特性分析及保護接地系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 現(xiàn)有接地方式下接地回流特性分析

由圖6和表1可知，當吸上線靠左時1車1軸保護接地電流的幅值較大，且其相位與工作接地電流的相位接近，說明此時市域動車組保護接地電流主要從1 車1 軸保護接地端流向鋼軌，頭車的保護接地電流幅值較大是由回流系統(tǒng)拓撲及車體和鋼軌阻抗等因素共同造成的。

結(jié)合表1 中保護接地電流的相位信息可知：各車各軸保護接地電流幅值、相位雖有區(qū)別，但波形變化形式基本一致；同一車體的不同車軸的保護接地電流在相位上存在差異，尤其2 車1 軸與2 車2軸保護接地電流的相位差超過90°，表明出現(xiàn)明顯的環(huán)流現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有二：一是動車組車體、車軸、鋼軌均有電感的存在，阻抗角的不同反映在保護接地電流上；二是由于保護接地線的存在，鋼軌和動車組車體形成并聯(lián)耦合體，而動車組車體的阻抗不大，故工作接地電流流經(jīng)鋼軌時，會經(jīng)過車軸上的保護接地線回流至動車組車體，在2 個車軸間形成環(huán)流，造成動車組電磁兼容的惡化。

為解決保護接地電流幅值較大，2 車環(huán)流明顯和各軸保護接地電流分配不均的問題，對保護接地系統(tǒng)進行優(yōu)化時，考慮到動車組運行中可能出現(xiàn)動力損失，即存在僅1 臺牽引變壓器為電動機供電、半列動力運行的情況，有必要對半列運行工況下保護接地電流分布進行研究。市域動車組正常運行和半列動力工況下各軸保護接地電流分布見表2，電流趨勢對比如圖8所示。由表2 和圖8 可知：半列動力故障時各軸電流變化趨勢基本不變，僅1 車1軸泄流大幅度減小，出現(xiàn)這種情況是由半列動力時牽引電流減少以及吸上線靠左時接地回流主要集中在前4 車等因素共同造成的。因此，對保護接地系統(tǒng)進行優(yōu)化過程中，同時改善正常運行與半列動力工況下保護接地電流分布是可行的。

表2 市域動車組正常運行和半列動力工況下保護接地電流分布

圖8 正常運行和半列動力工況下保護接地電流趨勢對比

2.2 保護接地系統(tǒng)優(yōu)化

在接地類型方面，動車組通常有直接接地與軸端經(jīng)電阻接地2 種［26］。其中，直接接地方式下動車組車體環(huán)流較大，易導(dǎo)致軸承電腐蝕并使動車組內(nèi)部電磁環(huán)境復(fù)雜，干擾通訊設(shè)備的正常通信；軸端經(jīng)合適阻值電阻接地的方案能使接地電流分布均勻并令動車組車體環(huán)流減小，有利于動車組安全可靠運行。按照接地方式的不同，可以將動車組保護接地分為集中保護接地和分散保護接地［26］。相較于分散保護接地方式，集中保護接地情況下的接地回流不會形成動車組車體環(huán)流，但相較于分散保護接地存在電流幅值較大、易導(dǎo)致軸承異常電腐蝕等問題。成都地鐵18 號線市域動車組現(xiàn)有接地系統(tǒng)采取直接接地和分散保護接地方式，在這種接地方式下存在保護接地電流幅值較大、車體存在環(huán)流等問題，因此有必要綜合多種接地方式的優(yōu)點對其進行優(yōu)化。

根據(jù)標準TB/T 2977—2000《鐵道車輛金屬部件的接地保護》規(guī)定［27］，客車金屬部件最多經(jīng)0.05 Ω電阻接地。為減輕電流幅值較大導(dǎo)致的軸承及接地碳刷異常磨損問題，首先采用優(yōu)化方案1進行保護接地系統(tǒng)優(yōu)化，即將直接接地方式修改為各軸經(jīng)0.05 Ω電阻接地。優(yōu)化方案1下正常運行和半列動力時各軸保護接地電流分布見表3。對比表2和表3 可知：正常運行時保護接地電流最大幅值由58.7 A 下降至33.7 A，降至現(xiàn)有接地方式下的57%；半列動力工況下保護接地電流幅值較大問題也同樣得到了優(yōu)化。

表3 優(yōu)化方案1下正常運行和半列動力工況下保護接地電流分布

優(yōu)化方案1 下回流分布如圖9所示。由表3 和圖9 可知：2 車1 軸與2 軸的接地電流相位差大于90°，保護接地電流從2 車的一軸流進從另一軸流出，在2 個轉(zhuǎn)向架之間形成了環(huán)流，加劇軸承與軸箱電腐蝕且使得動車組電磁兼容情況劣化；表明優(yōu)化方案1 下電流幅值獲得改善，但車體環(huán)流問題并未得到解決。

圖9 優(yōu)化方案1回流分布

進而，考慮集中保護接地在去除環(huán)流方面的優(yōu)勢，依照動車組對稱結(jié)構(gòu)，在優(yōu)化方案1的基礎(chǔ)上采用優(yōu)化方案2，即去除2 車1 軸和7 車2 軸的保護接地線，消除電流流出支路，使得原本從2 車2 軸流向2 車1 軸的電流由1 車泄往鋼軌。優(yōu)化方案2下正常運行和半列動力工況各軸保護接地電流分布見表4。對比表3 和表4 可知：1 車1 軸和1 車2 軸電流小幅度增加，即原本在2 車2 軸和2 車1 軸間形成的環(huán)流，由2 車2 軸流向1 車；同理，半列動力工況下1 車電流也有小幅度增加。優(yōu)化方案2 回流分布如圖10所示。由圖10 可知：保護接地電流由2車、3車和4車流入，1車流出。

表4 優(yōu)化方案2下正常運行和半列動力工況下保護接地電流分布

由表4 還可知：經(jīng)2 次優(yōu)化后的各軸保護接地電流分布相較原接地方式下的各軸保護接地電流分布已經(jīng)較為均勻，但同車2 個軸的電流幅值依舊存在相差懸殊的情況，1 車1 軸保護接地電流在正常運行時為1 車2 軸的2.47 倍，在半列動力時為1 車2軸的2.74倍。保護接地電流幅值是影響軸承腐蝕速度的重要因素，同車2 個車軸保護接地電流幅值相差過大，會給檢修作業(yè)帶來困難。

由圖10 回流分布可知，1 車2 個車軸流出的保護接地電流總和等于2 車、3 車和4 車流入的總和；為減小1 車2 個車軸保護接地電流的幅值差，可增大1 車2 軸流出的保護接地電流、相應(yīng)減小1 車1軸流出的保護接地電流。故優(yōu)化方案3在優(yōu)化方案2 的基礎(chǔ)上將1 車2 軸、8 車1 軸由經(jīng)0.05 Ω 電阻接地修改為直接接地。優(yōu)化方案3 下正常運行和半列動力工況時各軸保護接地電流分布見表5。

圖10 優(yōu)化方案2回流分布

對比表4 和表5 可知：優(yōu)化方案3 下各車2 個車軸間保護接地電流分配已較為均勻，1車1軸與1車2 軸保護接地電流幅值比由原本的2.47 倍下降至1.05 倍，同一車體2 個車軸保護接地電流幅值比最大的3 車的2 個車軸電流差僅為2.8 A；同理，半列動力工況下的保護接地電流分配不均情況也得到了優(yōu)化。

對比表2 和表5 可知：經(jīng)3 次優(yōu)化后，接地回流原本存在的保護接地電流幅值較大、動車組車體環(huán)流明顯、各軸保護接地電流分配不均等問題得到了明顯改善；經(jīng)優(yōu)化后正常運行時各軸保護接地電流最大幅值由58.7 A 下降至28.4 A，僅為原最大幅值的48.4%；車體環(huán)流被消除；各軸保護接地電流分配不均情況改善，同車2 個車軸保護接地電流幅值最大差值由54.8 A下降至2.8 A，僅為原幅值最大差值的5.2%。半列運行時各項指標也到了全方面優(yōu)化。

表5 優(yōu)化方案3下正常運行和半列動力工況下保護接地電流分布

3 結(jié)論

（1）建立考慮鋼軌滲透深度和截面尺寸影響的市域動車組接地回流系統(tǒng)電路模型，并通過試驗驗證了其有效性。

（2）保護接地電流主要通過頭車泄向鋼軌，流回牽引變電所完成回流過程，動車組半列動力運行時保護接地電流分布與正常運行時基本一致，正常運行時的保護接地系統(tǒng)優(yōu)化方案對半列動力運行同樣有效。

（3）軸端經(jīng)電阻接地方式相較于直接接地具有能使保護接地電流幅值較低且分配較均勻的優(yōu)點；集中保護接地在去除環(huán)流方面比分散保護接地更具優(yōu)勢。結(jié)合不同接地方式優(yōu)點提出的保護接地系統(tǒng)優(yōu)化方案3 對正常運行、半列動力時的回流特性各項指標均有優(yōu)化。正常運行時各軸保護接地電流最大幅值由58.7 A 下降至28.4 A，僅為原最大幅值的48.4%；車體環(huán)流被消除；各軸保護接地電流分配不均情況改善，同車2 個車軸保護接地電流幅值最大差值由54.8 A下降至2.8 A，僅為原幅值最大差值的5.2%。