時(shí)速350公里中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組接地系統(tǒng)性能測(cè)試研究

劉寅秋，田 亮

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

高速動(dòng)車組作為一個(gè)由多設(shè)備和系統(tǒng)集成在一起的整體，其在運(yùn)行過程中的安全性非常重要。

我國使用的電動(dòng)車組主要供電制式為工頻單相交流25 kV，為保證主導(dǎo)電回路的工作電流及動(dòng)車組車體上的電流能通過軌道順利的回流到變電所，并確保車上人員的安全及電子設(shè)備的可靠運(yùn)行，動(dòng)車組必須具有良好的接地性能。

目前關(guān)于動(dòng)車組接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布局并沒有很完善的評(píng)價(jià)體系和標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，主機(jī)廠根據(jù)自己的實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，各主機(jī)廠的接地系統(tǒng)方案也大相徑庭，其中動(dòng)車組車體保護(hù)接地的方式主要包括直接接地和通過電阻接地等。

1 中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組接地系統(tǒng)性能試驗(yàn)

為全面了解速度為350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組（以下簡稱中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組）的各關(guān)鍵系統(tǒng)和部件性能，從2015年起在大西客專綜合試驗(yàn)段等地對(duì)首批2列中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組進(jìn)行了關(guān)鍵系統(tǒng)和部件服役性能試驗(yàn)，其中首次進(jìn)行了中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組接地系統(tǒng)性能試驗(yàn)。

1.1 中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組接地系統(tǒng)布局

中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的接地系統(tǒng)從功能上分為工作接地和保護(hù)接地。工作接地裝置與動(dòng)車組主變壓器一次側(cè)繞組接地端直接相連，工作電流通過接地裝置泄放至鋼軌。保護(hù)接地裝置通過電纜直接連接到車體上，車體電流通過保護(hù)接地裝置泄放至鋼軌。根據(jù)動(dòng)車組統(tǒng)型要求，中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的動(dòng)車采用齒輪箱方式，拖車采用軸端接地方式，如圖1所示。

圖1 齒輪箱接地（左）和軸端接地（右）

接地布置上，中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的工作接地在變壓器車（3、6車）的2、3、4軸通過3個(gè)軸端接地裝置冗余接地；1～8車每節(jié)車廂所有非工作接地車軸均設(shè)保護(hù)接地，在車體與保護(hù)接地裝置之間設(shè)置了接地電阻；每節(jié)車體間設(shè)置等電位連接電纜，重聯(lián)時(shí)重聯(lián)車鉤上設(shè)置等電位連接線，具體接地方式如圖2所示，圖中給出了1～4車的接地布置，5～8車與1～4車的接地呈對(duì)稱布置。

圖2 中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的接地系統(tǒng)布置

1.2 試驗(yàn)線路的接地系統(tǒng)

大西客專綜合試驗(yàn)段牽引供電系統(tǒng)采用AT供電方式。全線采用綜合接地系統(tǒng)，由貫通地線將沿線的牽引供電系統(tǒng)、電力供電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、通信及其他電子信息系統(tǒng)的工作接地、保護(hù)接地、防雷接地與建筑物、道床、站臺(tái)、橋梁、聲屏障等的結(jié)構(gòu)接地連成一體，構(gòu)建了整個(gè)綜合接地系統(tǒng)。

回流方面，在正線成排供電線支柱上設(shè)置了PW線，PW線通過信號(hào)扼流圈中點(diǎn)與鋼軌連接，間隔一般不大于1500 m，并接入綜合接地系統(tǒng)。被試動(dòng)車組在正線上行駛過程中，參與牽引回流的路徑主要包括：鋼軌、PW線、貫通地線及大地回流等。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析[1]

在現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，在1～4車的接地裝置導(dǎo)流線上安裝了電流傳感器，在1車1位轉(zhuǎn)向架安裝了車體至軸端的電壓傳感器，在重聯(lián)車鉤等電位線上安裝了電流傳感器，信號(hào)在車內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，同時(shí)采集動(dòng)車組速度、里程、網(wǎng)側(cè)電流等信息。

選用350 km/h速度級(jí)下的單列和重聯(lián)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)試過程中使用3車受電弓進(jìn)行受流。

1.3.1 單列運(yùn)行時(shí)的接地回流

試驗(yàn)中測(cè)試了TC01、M02、TP03、MH04這4節(jié)車的接地電流情況，接地電流分布如圖3～圖6所示，圖中以電流有效值的形式給出了動(dòng)車組在350 km/h恒速區(qū)段運(yùn)行時(shí)接地電流分布。

圖3 單列運(yùn)行1車接地電流

圖4 單列運(yùn)行2車接地電流

圖5 單列運(yùn)行3車接地電流

圖6 單列運(yùn)行4車接地電流

圖中統(tǒng)計(jì)值給出了接地電流有效值，實(shí)際測(cè)試中除統(tǒng)計(jì)電流量值外，還通過接地電流與牽引電流相位關(guān)系的比較來確定接地軸電流的流向，與牽引電流相位相同則表示接地電流由車體流向鋼軌，相反則表示有鋼軌電流通過接地裝置流回車體，1～4車每個(gè)軸接地點(diǎn)的電流相位分布見表1。需要注意的是在動(dòng)車組運(yùn)行全程，2車和4車接地電流的流向會(huì)隨動(dòng)車組所處位置不同而發(fā)生短時(shí)改變。

表1 接地電流與牽引電流的相位差 單位：（°）

從試驗(yàn)結(jié)果中可以總結(jié)出如下規(guī)律：

（1）所有接地軸電流具有一致的周期性變化規(guī)律，其變化周期長度約為1.4 km，通過與大西試驗(yàn)線軌道電路分布數(shù)據(jù)對(duì)比可知，其變化位置與軌道扼流變壓器布置位置重合。

（2）動(dòng)車組保護(hù)接地電流主要的泄放通道為TC01車的1軸和2軸，在動(dòng)車組反方向運(yùn)行時(shí)也進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試接地電流與正向行駛時(shí)大小相似，但大小變化趨勢(shì)正好相反。由于動(dòng)車組接地布置具有對(duì)稱性，從試驗(yàn)結(jié)果中可以推斷，行駛過程中TC01車與TC08車的接地電流變化趨勢(shì)相反，但接地電流加和與牽引電流的變化趨勢(shì)一致，接地電流從更靠近扼流變壓器側(cè)的接地軸流出。

（3）TP03車1軸接地電流始終由鋼軌回流至車體，電流有效值約90 A～110 A，由接地布置對(duì)稱性可知TP06車1軸也存在同樣的問題。

（4）M02、MH04車接地裝置與車體間安裝了100 mΩ的接地電阻，各軸接地電流較??；TC01車、TP03車接地軸未安裝接地電阻，形成了低阻通路，使?fàn)恳娏餍纬闪擞蒚P03、TP06車回流入車體再由TC01、TC08車泄放，車體在動(dòng)車組運(yùn)行過程中流動(dòng)著約250 A的工頻電流，且其流向隨動(dòng)車組位置的改變而變化。

1.3.2 重聯(lián)運(yùn)行時(shí)的補(bǔ)充試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中，2列中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組還進(jìn)行了重聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)，重聯(lián)端為被試動(dòng)車組的8車與另一車的1車相連，安裝傳感器的TC01車為重聯(lián)車頭車，在這種重聯(lián)方式下還測(cè)試了TC01車的接地回流及重聯(lián)車鉤等電位線的接地回流情況，具體測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 重聯(lián)運(yùn)行1車接地電流

圖8 重聯(lián)運(yùn)行重聯(lián)車鉤等電位線電流

從重聯(lián)試驗(yàn)結(jié)果中可以總結(jié)出如下規(guī)律：

（1）TC01車作為重聯(lián)動(dòng)車組的頭車，接地軸泄放電流有效值較單列下明顯增加，1軸接地電流達(dá)到300 A，2軸接地電流約達(dá)到280 A。

（2）重聯(lián)車鉤等電位線與動(dòng)車組車體相連，在運(yùn)行過程中車鉤等電位線形成了兩車之間的導(dǎo)電通路，兩側(cè)等電位線電流最大值均約為100 A，在動(dòng)車組靠近扼流變壓器時(shí)兩車之間流通電流最大，在動(dòng)車組處在兩扼流變壓器中間時(shí)兩車之間流通電流較小。

在對(duì)CRH380B系列動(dòng)車組的運(yùn)用過程中，曾出現(xiàn)因軌道回流不暢、動(dòng)車組接地點(diǎn)少而產(chǎn)生鋼軌絕緣節(jié)拉弧燒損和頭車轉(zhuǎn)向架傳感器過電壓擊穿等事故［2］，因此在中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組設(shè)計(jì)過程中，采用了全軸接地的形式，有效減少了傳感器過電壓擊穿，降低了頭車的車體-軸端電位差，但隨之而來則是出現(xiàn)了頭車接地電流過大，全車接地軸電流分配不均的問題。

2 中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組接地系統(tǒng)的仿真優(yōu)化

接地軸電流分配不均會(huì)導(dǎo)致接地裝置碳刷磨損不均，對(duì)檢修更換帶來影響，同時(shí)過多的接地裝置也會(huì)增加動(dòng)車組采購及運(yùn)用成本。

由于現(xiàn)場試驗(yàn)中改動(dòng)車體接地結(jié)構(gòu)操作困難，實(shí)施性較差，利用仿真軟件可建立動(dòng)車組接地系統(tǒng)包括牽引電流、車體等效電路、車體接地保護(hù)裝置、工作接地保護(hù)裝置以及鋼軌等效電路的仿真模型，從而找到能兼顧回流和過電壓的接地系統(tǒng)優(yōu)化方案。

2.1 動(dòng)車組接地系統(tǒng)模型

接地回流建模示意如圖9所示，由于主要研究工頻穩(wěn)態(tài)條件下動(dòng)車組接地系統(tǒng)性能，用1個(gè)交流電壓源直接代替牽引電流模型給動(dòng)車組供電。為了與現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)應(yīng)，仿真過程中采用的線路回流結(jié)構(gòu)為：軌道上每隔1.4 km設(shè)置一組扼流變壓器，并通過變壓器中心抽頭設(shè)置吸上線，將牽引回流引入架空PW線流回牽引變電所。車輛行駛在無砟軌道上，軌道每1.4 km通過接地線與綜合地線相連。仿真中為了簡化，將3個(gè)回流路徑進(jìn)行集總。建成的統(tǒng)合模型如圖10所示。

圖9 接地回流建模示意圖

圖10 仿真模型

2.2 動(dòng)車組接地系統(tǒng)仿真優(yōu)化

由于仿真區(qū)間是鋼軌上兩扼流變壓器組成的1.4 km長區(qū)間，在仿真過程中分別選取了動(dòng)車組處于靠近區(qū)間邊緣及在區(qū)間中部的工況，且車輛在滿負(fù)荷條件下運(yùn)行。統(tǒng)計(jì)每種工況下的接地電流、車間連接線電流、車體對(duì)地電位（工頻）。

改進(jìn)方案選擇了2種，第1種是為1、3、6、8車原來直接接地的接地軸分別增加了100 mΩ的接地電阻，使全車保護(hù)接地均通過電阻接地；第2種是去掉1、8車的全部接地裝置，車軸懸空。為了使各優(yōu)化方案具有統(tǒng)一的參照對(duì)象，還對(duì)原車方案進(jìn)行了仿真。

各方案的接地電流分布如圖11～圖13所示，電流使用有效值統(tǒng)計(jì)，電流正負(fù)代表電流的相位與牽引電流的關(guān)系，正代表與牽引電流相位相同，負(fù)代表與牽引電流相位相反。

圖11 原車方案的接地電流分布

圖11中可以看出，原車方案車輛位于區(qū)間中部時(shí)牽引回流通過3～6車接地裝置流回車體并向兩側(cè)流動(dòng)，集中從1、8車的1、2軸流入鋼軌；動(dòng)車組處于區(qū)間端部時(shí)車體電流趨向從靠近端部一側(cè)的接地裝置進(jìn)行回流。

圖12中可以看出，串聯(lián)接地電阻后，1、8車的1、2軸接地電流幅值有了明顯下降，電流有效值是原始配置下的一半左右，同時(shí)3、6車的1軸接地裝置由于增加了接地電阻，回流入車內(nèi)的牽引回流有效值由40 A左右降至了10 A，增加接地電阻確實(shí)起到了限值電流流回車體的作用。但增加接地電阻只能改變接地電流的幅值，不能完全阻止接地電流流回車內(nèi)，車內(nèi)仍存在環(huán)流。

圖12 增加電阻方案的接地電流分布

圖13中可以看出，減少接地軸后，動(dòng)車組牽引回流通過3～6車保護(hù)接地裝置流回車體并向兩側(cè)流動(dòng)，集中從2、7車的1、2軸流出車體。由于去掉1、8車接地裝置，同時(shí)2、7車接地裝置安裝有接地電阻，抑制了牽引回流流入車體的電流大小，其最大保護(hù)接地電流與加裝接地電阻的方案相當(dāng)，但是比后者要減少8個(gè)接地裝置。

圖13 減少接地點(diǎn)方案的接地電流分布

除接地電流的大小之外，還需要考慮各方案對(duì)車體電位抬升的影響。各方案中各車中心位置車體相對(duì)鋼軌的電位差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，統(tǒng)計(jì)值為工頻有效值，使用動(dòng)車組靠近扼流變壓器位置的工況進(jìn)行仿真。

從表2中可以看出，當(dāng)1車靠近扼流變壓器時(shí)，在3種工況中均為1車電位最高，而不論增加接地電阻或減少接地點(diǎn)，1車對(duì)地電位存在著明顯影響，其中減少接地點(diǎn)的影響更大。

表2 各方案車體電位統(tǒng)計(jì) 單位：V

綜合來看，增加接地電阻的方案能夠抑制接地電流在車體內(nèi)流動(dòng)，且車體穩(wěn)態(tài)電位抬升小于減少接地點(diǎn)的方案；去除頭車接地裝置的方案能夠抑制接地電流，但會(huì)明顯提升頭車的穩(wěn)態(tài)車體電位，并且能夠減少全車8組接地裝置及配套電纜。由于仿真值并不能完全表征實(shí)際運(yùn)用中的接地性能表現(xiàn)，各方案的實(shí)際效果還需要進(jìn)一步檢驗(yàn)。

3 結(jié)論

通過對(duì)速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組接地系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，基本摸清其接地系統(tǒng)特性，包括單列和重聯(lián)時(shí)各接地點(diǎn)電流分布，整車牽引回流流向特性等，為今后的研究工作積累了數(shù)據(jù)。通過對(duì)接地系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，分析了不同接地系統(tǒng)配置下車輛接地回流性能的工頻特性，找出了較為合理的解決現(xiàn)有動(dòng)車組接地系統(tǒng)接地電流過大問題的方案，下一步需要通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證方案合理性。