高速列車(chē)接地系統(tǒng)對(duì)車(chē)體電流及過(guò)電壓分布的影響分析

孫 寧，陳 爭(zhēng)，巨長(zhǎng)磊，靳耀耀，曹 野，王梓靖

(1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司,青島 266033; 2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都 611756)

引言

隨著高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)時(shí)速及載重能力的不斷提高,列車(chē)的牽引功率容量也隨之增加,且高速列車(chē)的移動(dòng)接地方式與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的固定接地方式有所不同,需要保證列車(chē)在實(shí)際線(xiàn)路中遭遇暫態(tài)工況時(shí)能有效抑制車(chē)體過(guò)電壓,這給牽引供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。高速列車(chē)接地系統(tǒng)由工作接地和保護(hù)接地構(gòu)成[1]。其中,工作接地為牽引供電系統(tǒng)提供了回流通道,而保護(hù)接地與鋼軌相連,為車(chē)載設(shè)備提供了參考地電位。在高速列車(chē)實(shí)際運(yùn)行時(shí),工作與保護(hù)接地共用鋼軌泄流,因此,從工作接地流出的牽引電流易通過(guò)周?chē)谋Ｗo(hù)接地輪對(duì)重新竄上車(chē)體,同時(shí)車(chē)上的牽引電流也會(huì)通過(guò)其他保護(hù)接地流入鋼軌,形成“車(chē)-軌”環(huán)流[2]。

針對(duì)高速列車(chē)過(guò)分相過(guò)電壓學(xué)者們開(kāi)展了相關(guān)研究,文獻(xiàn)[3]指出車(chē)軸處的持續(xù)接地電流會(huì)導(dǎo)致齒輪箱溫度不斷升高,加速熱傳感器的絕緣老化。文獻(xiàn)[4]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試并結(jié)合數(shù)學(xué)模型計(jì)算,基于列車(chē)接地參數(shù)搭建仿真模型,分析接地電流隨列車(chē)運(yùn)行工況的改變而變化。文獻(xiàn)[5-6]采用控制變量的方法依次改變接地的位置和電阻值,探究不同的接地方式和接地參數(shù)對(duì)高速列車(chē)接地電流分布的影響。文獻(xiàn)[7-8]指出車(chē)體過(guò)電壓有兩種來(lái)源:一種是接觸網(wǎng)的雷擊感應(yīng)過(guò)電壓,當(dāng)這部分過(guò)電壓超過(guò)避雷器所能限制的閾值時(shí),感應(yīng)雷過(guò)電壓會(huì)傳到車(chē)體造成車(chē)體過(guò)電壓;另一種是在列車(chē)正常運(yùn)行時(shí),常常由于列車(chē)啟停時(shí)的升降弓操作和過(guò)分相時(shí)通斷斷路器引起的電磁耦合過(guò)電壓,這種過(guò)電壓通常能夠通過(guò)高壓電纜傳到車(chē)體引起車(chē)體過(guò)電壓。文獻(xiàn)[9]指出車(chē)體過(guò)電壓會(huì)對(duì)車(chē)軸輪軸的絕緣物質(zhì)造成極大危害,當(dāng)絕緣被擊穿時(shí),電流流過(guò)軸承干擾車(chē)載傳感器。

此外,高壓牽引系統(tǒng)中的不同設(shè)備間相互影響,會(huì)造成震蕩過(guò)電壓。文獻(xiàn)[10-11]提出電容器串聯(lián)SiC電阻器能有效降低車(chē)體過(guò)電壓,通過(guò)車(chē)軌耦合模型詳細(xì)闡述了列車(chē)升降弓時(shí)操作過(guò)電壓的產(chǎn)生機(jī)理。文獻(xiàn)[12-15]提出利用同相供電技術(shù)可使各供電臂牽引電流相位統(tǒng)一,消除供電臂與車(chē)載VCB之間的中性部分。但此方案由于不再安裝接地電阻,會(huì)增大回流電流,而且考慮成本問(wèn)題,對(duì)所有運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路上進(jìn)行同相供電改造很難實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[16]指出列車(chē)過(guò)分相過(guò)電壓實(shí)質(zhì)主要為合閘過(guò)電壓與諧振過(guò)電壓,且高速列車(chē)在駛離電分相時(shí)有更高概率產(chǎn)生過(guò)電壓。文獻(xiàn)[17-18]對(duì)列車(chē)過(guò)分相進(jìn)行了系統(tǒng)建模,指出列車(chē)過(guò)分相時(shí)真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的車(chē)體過(guò)電壓與開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)刻的網(wǎng)壓相角密切相關(guān),并提出了一種通過(guò)改進(jìn)高速列車(chē)接地布局以抑制過(guò)分相時(shí)浪涌過(guò)電壓的措施。文獻(xiàn)[19-20]將高速鐵路過(guò)電分相細(xì)分為6個(gè)暫態(tài)過(guò)程,并通過(guò)理論分析計(jì)算了列車(chē)過(guò)分相時(shí)各個(gè)暫態(tài)過(guò)程的過(guò)電壓幅值。針對(duì)電流問(wèn)題,文獻(xiàn)[4]也提出了改變接地阻抗的方式來(lái)進(jìn)行抑制。

目前,對(duì)于高速列車(chē)過(guò)分相過(guò)電壓研究主要集中在對(duì)過(guò)電壓機(jī)理剖析以及對(duì)過(guò)電壓幅值、產(chǎn)生過(guò)程分析,對(duì)過(guò)分相過(guò)電壓傳導(dǎo)至車(chē)體后所造成的車(chē)體電位紊亂等影響研究較少,且缺少具體的優(yōu)化方案。綜上,亟需對(duì)高速列車(chē)過(guò)分相過(guò)電壓的分布規(guī)律及優(yōu)化進(jìn)行深入研究?；谏鲜龇治?從提升高速列車(chē)服役性能著手,以降低過(guò)電壓與車(chē)體電流為指標(biāo),對(duì)接地系統(tǒng)的性能優(yōu)劣進(jìn)行研究。為以后制定更符合工程實(shí)際的接地標(biāo)準(zhǔn)提供參考,對(duì)高速列車(chē)提速及長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展和安全運(yùn)行具有重要意義。

1 高速列車(chē)供電回流系統(tǒng)建模方法

1.1 車(chē)載牽引供電系統(tǒng)

為使高速列車(chē)供電系統(tǒng)和車(chē)上回流系統(tǒng)建模更加清晰準(zhǔn)確,首先對(duì)車(chē)載牽引供電回流系統(tǒng)中各關(guān)鍵設(shè)備的布局及聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行詳細(xì)介紹,如圖1所示。當(dāng)高速列車(chē)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí),列車(chē)通過(guò)受電弓碳滑板與接觸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)電接觸,將來(lái)自牽引變電所的電能傳遞到動(dòng)車(chē)車(chē)頂上的受電弓;然后,牽引電流途經(jīng)高壓電纜傳輸至車(chē)載牽引變壓器,再經(jīng)牽引變壓器降壓后為車(chē)載變流器及牽引電機(jī)供給電能。其中,車(chē)載牽引變壓器一次繞組輸出端與工作接地輪對(duì)直接相連,通過(guò)“輪-軌”滾動(dòng)電接觸將牽引電流導(dǎo)入鋼軌中,最終回饋至地面牽引變電所。

圖1 車(chē)輛編組和主電路元件順序Fig.1 The set of train and the component order of main circuit

當(dāng)列車(chē)在正常狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),并不會(huì)同時(shí)升起兩個(gè)受電弓。兩受電弓之間連接有高壓電纜線(xiàn),在列車(chē)運(yùn)行時(shí)只需要升起其中一個(gè)弓受流即可,另一個(gè)受電弓也會(huì)從高壓電纜線(xiàn)得到電流。由于動(dòng)車(chē)啟停頻繁,在升降弓與過(guò)分相通斷VCB時(shí)極易產(chǎn)生電弧并伴隨著過(guò)電壓沖擊,易危及車(chē)載電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。

1.2 高速列車(chē)過(guò)分相時(shí)VCB工作原理

列車(chē)在自動(dòng)過(guò)分相過(guò)程中,采用4個(gè)位置傳感器監(jiān)測(cè)列車(chē)與分相區(qū)間的相對(duì)距離,如圖2所示。其中,位置傳感器1號(hào)和2號(hào)設(shè)置在電分相段的前方(A相供電臂下方的軌道旁),相距約為70 m,傳感器2號(hào)與分相段相距約為30 m。位置傳感器3號(hào)和4號(hào)埋設(shè)在分相段的后方(B相供電臂下方的軌道旁),相距約為70 m,傳感器3與分相段末端相距約為30 m。當(dāng)高速列車(chē)經(jīng)由A相供電臂行駛經(jīng)過(guò)傳感器1號(hào)時(shí),傳感器1號(hào)向車(chē)載的過(guò)分相裝置發(fā)出預(yù)警信號(hào),車(chē)載裝置在收到預(yù)警信號(hào)后就會(huì)切除車(chē)載變壓器二次側(cè)的繞組負(fù)載。在高速列車(chē)行駛70 m進(jìn)入傳感器2號(hào)區(qū)域后,傳感器2號(hào)便向高速列車(chē)發(fā)出切除牽引負(fù)荷的信號(hào),車(chē)上的VCB會(huì)在收到該信號(hào)后分閘,高速列車(chē)依靠慣性駛?cè)胫行远?。?dāng)高速列車(chē)滑行至傳感器3號(hào)處,切換至B相供電臂獲取電能,并操作VCB合閘,當(dāng)列車(chē)滑行至傳感器4號(hào)處時(shí),恢復(fù)對(duì)車(chē)載變壓器二次側(cè)供電。

圖2 車(chē)載自動(dòng)過(guò)分相過(guò)程(單位:m)Fig.2 The automatic progress of passing through phase-split section (unit: m)

1.3 車(chē)體及接地系統(tǒng)阻抗參數(shù)采集

為分析列車(chē)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中接地電流及車(chē)體過(guò)電壓的分布規(guī)律,需要對(duì)高速列車(chē)的“車(chē)-所-網(wǎng)”牽引供電及回流系統(tǒng)進(jìn)行等效電路的建模。首先,采用RCL阻抗測(cè)試儀對(duì)車(chē)體的阻抗參數(shù)進(jìn)行采集。在采集阻抗之前,需要減去測(cè)試所用的線(xiàn)阻抗(測(cè)試點(diǎn)與RCL記錄儀之間的阻抗),才能得到準(zhǔn)確的車(chē)廂阻抗參數(shù)。車(chē)體測(cè)試參數(shù)如下:車(chē)廂橫向電阻RAB、橫向電感LAB、縱向電阻RCD、縱向電感LCD。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 車(chē)廂阻抗參數(shù)實(shí)測(cè)值Tab.1 The experimental resistance value of carriage

將測(cè)點(diǎn)與實(shí)際測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng),并將實(shí)際測(cè)量的數(shù)值導(dǎo)入至模型中,得到車(chē)廂等值電路圖。由于車(chē)體阻抗之間存在復(fù)雜的并聯(lián)關(guān)系,因此實(shí)測(cè)得到的車(chē)體橫向、縱向阻抗實(shí)際上分別為AB、CD測(cè)點(diǎn)之間的阻抗,需要進(jìn)行換算才能得到等值電路模型中在對(duì)應(yīng)方向上的電阻值和電感值。根據(jù)電阻并聯(lián)公式,實(shí)際測(cè)量的阻抗參數(shù)與等值電路中橫向和縱向的電阻電感參數(shù)關(guān)系為

(1)

(2)

被測(cè)高速列車(chē)的動(dòng)力車(chē)廂(TM)保護(hù)接地系統(tǒng)由裸黃銅線(xiàn)和有一定阻值的接地電阻器構(gòu)成,拖動(dòng)車(chē)廂(TR)的保護(hù)接地僅包含裸黃銅線(xiàn)。車(chē)體下方各接地線(xiàn)的阻抗由RCL記錄儀測(cè)量,實(shí)際測(cè)量接線(xiàn)與電路模型對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 車(chē)載接地系統(tǒng)等效電路Fig.3 The equivalent circuit of grounding system

經(jīng)過(guò)均值處理后,測(cè)量多次所得的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 接地阻抗參數(shù)實(shí)測(cè)值Tab.2 Experimental resistance value of grounding system

2 “車(chē)-所-網(wǎng)”供電回流系統(tǒng)等效模型構(gòu)建過(guò)程

2.1 牽引變壓器等效電路構(gòu)建

被測(cè)車(chē)的車(chē)載牽引變壓器關(guān)鍵電氣技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 車(chē)載單相心式變壓器主要技術(shù)參數(shù)Tab.3 The main technical parameters of train-mounted single-phase cardioid transformer

高速列車(chē)在進(jìn)行過(guò)分相、升降弓等暫態(tài)工況操作時(shí),會(huì)先將牽引變壓器二次側(cè)的輔助繞組切除。此時(shí),變壓器處于空載狀態(tài),得到空載牽引變壓器暫態(tài)導(dǎo)納等效公式如下

(5)

(6)

將暫態(tài)等效公式中的并聯(lián)導(dǎo)納轉(zhuǎn)換成串聯(lián)阻抗ZT形式,則有

(7)

二次側(cè)負(fù)載在高速列車(chē)以額定功率穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)可以等效為

(8)

變壓器二次側(cè)的總電阻值等于二次側(cè)繞組的電阻值與二次側(cè)負(fù)載的等效電阻值之和,即Rf=0.608 Ω。

2.2 “車(chē)-軌-網(wǎng)”耦合牽引供電系統(tǒng)等效模型

圖4為該高速列車(chē)的接地布置。3、6車(chē)廂下方設(shè)置了3條工作接地線(xiàn),因此3、6車(chē)廂下方僅有1條保護(hù)接地線(xiàn)。除3、6車(chē)廂外,其他車(chē)廂在4個(gè)輪軸均設(shè)置了保護(hù)接地線(xiàn)。

圖4 列車(chē)接地系統(tǒng)Fig.4 The grounding system

通過(guò)上述對(duì)“車(chē)-軌-網(wǎng)”系統(tǒng)中各個(gè)部分的分析及等效建模,結(jié)合實(shí)際所得數(shù)據(jù),在PSCAD軟件中建立“車(chē)-軌-網(wǎng)”耦合接地模型進(jìn)行仿真,以分析高速列車(chē)過(guò)分相過(guò)電壓分布規(guī)律,如圖5所示。

圖5 高速列車(chē)過(guò)分相暫態(tài)仿真模型Fig.5 The simulation model of phase-split transient progress

在仿真模型中,串聯(lián)了代表變電所內(nèi)阻的交流電壓源USA、USB分別為A、B相牽引變電所,電源有效值為27.5 kV,且USA初始相位為0,USB初始相位為120°。針對(duì)電阻、電感的計(jì)算,牽引變電所與電分相區(qū)的距離一般為25～30 km,在模型中選用30 km進(jìn)行仿真,并分別用LLA、RLA和LLB、RLB來(lái)表示A、B兩供電臂的接觸網(wǎng)等效阻抗,經(jīng)計(jì)算得LLA=LLB=42.84 mH,RLA=RLB=5.34 Ω。另外,紅線(xiàn)代表工作接地線(xiàn)。

2.3 過(guò)分相時(shí)牽引供電系統(tǒng)高壓側(cè)過(guò)電壓特性分析

針對(duì)高速列車(chē)過(guò)分相的整個(gè)過(guò)程中形成過(guò)電壓的幾個(gè)特殊階段分別進(jìn)行驗(yàn)證。首先,探究高速列車(chē)第一階段的操作過(guò)程,在列車(chē)準(zhǔn)備進(jìn)入牽引網(wǎng)中性段之前,高速列車(chē)行至位置傳感器點(diǎn)位,列車(chē)斷開(kāi)車(chē)載VCB,此時(shí)車(chē)載變壓器會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)截流而產(chǎn)生失電過(guò)電壓,且該過(guò)電壓主要分布在車(chē)載牽引變壓器一次側(cè)至VCB后端處。高速列車(chē)失電過(guò)電壓仿真與實(shí)測(cè)波形如圖6所示。

圖6 高速列車(chē)分閘過(guò)電壓仿真與實(shí)測(cè)Fig.6 The simulated and experimental waveform of high-speed railway switching-off overvoltage

由圖6(a)中可以得知,在空載狀態(tài)下?tīng)恳儔浩魉鶞y(cè)到的VCB后端與變壓器一次側(cè)輸入端之間的VCB失電過(guò)電壓波形,從圖中可以看出,此次高速列車(chē)過(guò)分相約在電壓角度為15°時(shí)進(jìn)行VCB切斷動(dòng)作。在第48 ms時(shí)刻高速列車(chē)進(jìn)行切除車(chē)載VCB瞬間產(chǎn)生的截流過(guò)電壓幅值可達(dá)87.59 kV,約為高速列車(chē)接觸網(wǎng)標(biāo)稱(chēng)電壓峰值(39 kV)的兩倍以上。隨后,該過(guò)電壓波形從87.59 kV的峰值處開(kāi)始高頻震蕩,同時(shí)又急速衰減至接觸網(wǎng)網(wǎng)壓幅值(39 kV)處,此次VCB分閘過(guò)程中過(guò)電壓持續(xù)震蕩時(shí)間約為2 ms,然后電壓再緩慢衰減至0 V,整個(gè)過(guò)程大約持續(xù)了20 ms。圖6(b)所示仿真波形中,設(shè)定A相供電臂電壓角度為0°時(shí)采取VCB切斷操作,此次分閘操作產(chǎn)生的過(guò)電壓絕對(duì)值最大達(dá)到了91.2 kV。由于在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中確保VCB分閘時(shí)刻為接觸網(wǎng)電壓相位在0°時(shí),因此,特意選取了一個(gè)在接觸網(wǎng)電壓角度為15°左右時(shí)操作VCB分閘的實(shí)測(cè)波形進(jìn)行比對(duì),通過(guò)上述波形圖比較可得,該實(shí)測(cè)過(guò)電壓波形的幅值(87.59 kV)符合上文中對(duì)過(guò)電壓理論推導(dǎo)的范圍,且實(shí)測(cè)值與仿真模型所得的幅值絕對(duì)值最大(91.2 kV)誤差僅為4.24%。

其次,為高速列車(chē)過(guò)分相操作過(guò)程中駛離牽引網(wǎng)中性段階段,也是通過(guò)分相區(qū)間的最后一階段。當(dāng)列車(chē)通過(guò)分相區(qū)間駛至傳感器4號(hào)點(diǎn)位后,高速列車(chē)操作VCB合閘也會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓,此類(lèi)過(guò)電壓主要集中在受電弓底端至VCB前端電纜處,其實(shí)測(cè)與仿真波形如圖7所示。

圖7 高速列車(chē)合閘過(guò)電壓仿真與實(shí)測(cè)Fig.7 The simulated and experimental waveform of high-speed railway switching-on overvoltage

如圖7(a)所示,為空載狀態(tài)下的牽引變壓器所測(cè)得VCB與變壓器一次側(cè)輸入端之間的合閘過(guò)電壓波形。圖7(b)中第2 ms時(shí)接通VCB產(chǎn)生過(guò)電壓,該過(guò)電壓在0.07 ms內(nèi)從0 V上升到73.16 kV,隨后進(jìn)入高頻振蕩環(huán)節(jié)(頻率約5 kHz)并疊加在接觸網(wǎng)電壓上(幅值39 kV,頻率50 Hz),VCB合閘后,整個(gè)高頻振蕩過(guò)程在系統(tǒng)阻尼的持續(xù)消耗下衰減,整個(gè)衰減過(guò)程持續(xù)了2 ms。通過(guò)圖7(b)仿真波形可以得知,高速列車(chē)在失電滑行至B相供電臂后接通VCB時(shí)而產(chǎn)生的過(guò)電壓峰值可達(dá)77.37 kV,該仿真過(guò)電壓波形同樣也在很短的時(shí)間內(nèi)受到系統(tǒng)阻尼的消耗,完成衰減,最后恢復(fù)穩(wěn)定。通過(guò)仿真與實(shí)測(cè)電壓波形的幅值及振蕩特性一致性對(duì)比分析,驗(yàn)證了該模型的正確性。

3 接地參數(shù)對(duì)接地電流和車(chē)體過(guò)電壓的影響

3.1 接地電感對(duì)接地電流和車(chē)體過(guò)電壓的影響

對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行分析可知,接地軸的阻抗參數(shù)隨著車(chē)廂功能的不同而相差較大。同時(shí),不同車(chē)廂之間不同工況時(shí)車(chē)體電位以及穩(wěn)態(tài)工況時(shí)接地回流差異很大,因此,亟需對(duì)不同車(chē)廂進(jìn)行對(duì)比研究。

探究接地電感不同參數(shù)對(duì)車(chē)體過(guò)電壓的影響需要保持接地回路的電阻部分不變。接地電流回路所含元件為接地碳刷、接地電阻器以及連接線(xiàn)等。其中,接地碳刷以及連接線(xiàn)的阻抗值在穩(wěn)態(tài)工況時(shí)十分穩(wěn)定并且阻抗值較小,此時(shí)接地軸的阻抗主要是由回路中的接地電阻器決定的。當(dāng)運(yùn)行工況為暫態(tài)時(shí),由于車(chē)頂高壓電纜耦合到車(chē)體上的浪涌過(guò)電壓為高頻電壓,此時(shí),接地軸的阻抗主要由回路元器件上的高頻電抗值決定。通過(guò)維持仿真電路中的電阻參數(shù)恒定,改變上述電感的參數(shù)來(lái)觀(guān)測(cè)其電壓幅值以解析其對(duì)車(chē)體過(guò)電壓的影響規(guī)律。

由于1～8車(chē)為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),因此觀(guān)察1～4車(chē)得到的結(jié)果即可,選取電感參數(shù)分別為0.1,1,5,10,20,50 μH。其中,接地電阻器在高頻激勵(lì)下呈感性負(fù)載,其電感值會(huì)達(dá)到50 μH左右,因此,在分析高頻過(guò)電壓時(shí),應(yīng)當(dāng)選取該典型值作為對(duì)比分析的對(duì)象。將結(jié)果繪制成圖可以得到軸端電感對(duì)車(chē)體過(guò)電壓的影響,如圖8所示。

圖8 軸端電感對(duì)車(chē)體電壓的影響Fig.8 The effect of grounding axles inductance on body voltage

由圖8可知,各車(chē)車(chē)體的過(guò)電壓幅值隨著接地回路中電感參數(shù)的增大而升高。當(dāng)電感參數(shù)設(shè)置為0.1 μH時(shí),各車(chē)車(chē)體的過(guò)電壓幅值是相對(duì)最小的,1～4車(chē)的車(chē)體過(guò)電壓幅值分別為0.53,0.68,2.19,1.83 kV;當(dāng)電感參數(shù)設(shè)置為50 μH時(shí),各車(chē)車(chē)體的過(guò)電壓幅值是相對(duì)最大的,1～4車(chē)的車(chē)體過(guò)電壓幅值分別為1.41,1.86,5.44,3.15 kV。而1～4車(chē)中3車(chē)車(chē)體過(guò)電壓幅值始終為最大值,且隨著電感參數(shù)不斷調(diào)大,可以得到其電壓幅值增幅分別為24.47%、19.12%、18.37%、23.81%、18.22%。當(dāng)接地電感值為5 μH左右時(shí),車(chē)體過(guò)電壓增幅最小。但接地回路中主要的電感來(lái)源接地電阻器寄生電感等的電感值一般不超過(guò)10 μH,而對(duì)電感進(jìn)行10 μH以下的調(diào)節(jié)對(duì)過(guò)電壓幅值影響較小,因此調(diào)節(jié)電感參數(shù)對(duì)車(chē)體過(guò)電壓的影響較為微弱。

3.2 接地電阻對(duì)車(chē)體過(guò)電壓的影響

通過(guò)維持接地回路的電感部分恒定,以探究接地電阻對(duì)車(chē)體接地電流以及過(guò)電壓的影響。調(diào)節(jié)電路仿真模型中的接地電阻阻值參數(shù),選值分別為0.01,0.05,0.1,0.5,1 Ω,得到的仿真結(jié)果繪制出軸端電阻對(duì)車(chē)體電壓的影響如圖9所示。

圖9 接地電阻對(duì)車(chē)體過(guò)電壓的影響Fig.9 The effect of grounding axles resistance on body voltage

由圖9可知,各車(chē)車(chē)體的過(guò)電壓幅值隨著接地回路中電阻參數(shù)的增大而升高。當(dāng)電阻參數(shù)設(shè)置為0.01 Ω時(shí),各車(chē)車(chē)體的過(guò)電壓幅值是相對(duì)最小的,1～4車(chē)的車(chē)體過(guò)電壓幅值分別為0.60,1.09,1.63,1.21 kV;當(dāng)設(shè)置電阻參數(shù)為1 Ω時(shí),各車(chē)車(chē)體的過(guò)電壓幅值是相對(duì)最大的,1～4車(chē)的車(chē)體過(guò)電壓幅值分別為2.37,4.62,6.86,5.64 kV。而1～4車(chē)中3車(chē)車(chē)體過(guò)電壓幅值始終為最大值,且隨著電阻參數(shù)不斷調(diào)大,可以得到其電壓幅值增幅分別為38.75%、63.15%、52.31%、25.27%。

由于電阻阻值的調(diào)節(jié)會(huì)造成車(chē)體接地環(huán)流進(jìn)而對(duì)軸承電蝕造成很大影響,故需同時(shí)對(duì)接地電流進(jìn)行觀(guān)測(cè)。在仿真模型中通過(guò)調(diào)節(jié)電阻參數(shù)觀(guān)察車(chē)體電壓幅值的同時(shí)測(cè)量各軸端接地電流幅值,將結(jié)果繪制如圖10所示。

圖10 電阻值對(duì)接地軸電流的影響Fig.10 The effect of grounding axles resistance on grounding current

由圖10可知,接地電阻變化明顯影響接地電流的幅值大小,且接地電阻越大車(chē)體的接地電流越小。當(dāng)接地電阻阻值由0.01 Ω調(diào)整至0.1 Ω時(shí),8車(chē)1軸電流幅值降幅為64.91%,7車(chē)接地軸電流降幅為58.72%,6車(chē)接地軸電流降幅為63.16%,5車(chē)接地軸電流降幅為79.83%,降幅十分明顯。

為驗(yàn)證改變電阻值能夠有效降低接地軸電流的同時(shí)控制車(chē)體過(guò)電壓這一結(jié)論,在運(yùn)行列車(chē)上進(jìn)行了測(cè)試,獲得的3車(chē)過(guò)電壓波形與8車(chē)1軸接地電流波形分別如圖11、圖12所示。

圖11 更換電阻前后車(chē)體過(guò)電壓波形對(duì)比Fig.11 The comparison of overvoltage waveforms of the train body before and after changing resistance

圖12 更換電阻前后8車(chē)1軸電流波形對(duì)比Fig.12 The comparison of current waveforms of axle 8-1 before and after changing resistance

通過(guò)上述分析可得,調(diào)節(jié)電阻參數(shù)可以明顯地改變車(chē)體過(guò)電壓幅值,對(duì)接地電流的抑制也有明顯的效果。當(dāng)接地電阻設(shè)置為0.1 Ω時(shí),車(chē)體過(guò)電壓相對(duì)較小,同時(shí)對(duì)接地電流的抑制效果也比較優(yōu)良,可以將其作為參考值。

3.3 接地方式對(duì)接地電流和車(chē)體過(guò)電壓的影響

經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn),工作接地電流存在著分布不均衡的情況,故通過(guò)更換接地方式解析其對(duì)接地電流以及車(chē)體過(guò)電壓的影響。按圖13中的接地方式一更改工作接地軸后,發(fā)現(xiàn)1車(chē)、8車(chē)保護(hù)接地以及3車(chē)1軸與6車(chē)1軸保護(hù)接地電流幅值出現(xiàn)明顯增加,呈現(xiàn)出遠(yuǎn)大于其他保護(hù)接地軸的電流幅值。故將按圖11中接地方式二更改接地軸,即將上述1車(chē)、8車(chē)四個(gè)保護(hù)接地以及3車(chē)1軸與6車(chē)1軸保護(hù)接地去除。

圖13 不同接地方式下高速列車(chē)工作接地分布Fig.13 The layout of working grounding under different grounding schemes

按照上述兩種方案更改接地方式可以得到各接地軸電流幅值,繪制接地方式對(duì)軸端電流的影響如圖14所示。

圖14 接地方式對(duì)軸端電流的影響Fig.14 The influence of grounding schemes on grounding current

由圖14可以看出,按接地方式一布置工作接地即采用分散式布置工作接地后,各軸接地電流幅值都有減小趨勢(shì),其中8車(chē)以及6車(chē)各軸接地電流幅值降幅最大。8車(chē)各軸接地電流幅值降幅為7.13%、9.81%、29.21%、31.23%,平均降幅為19.34%;6車(chē)接地電流幅值平均降幅為35.17%。按接地方式二布置工作接地后,5車(chē)和7車(chē)下的各接地軸電流幅值有明顯增大趨勢(shì),其中7車(chē)各軸接地電流分別增加了38.8,37.9,26.7,25.1 A;5車(chē)各軸接地電流分別增加了12.5,10.7,8.3,6 A。同時(shí),如圖15所示,從在實(shí)際車(chē)輛上獲得的結(jié)果也可知,接地方式一降低了接地電流的幅值。

圖15 改變接地方式前后電流波形對(duì)比Fig.15 The comparison of current waveforms before and after changing the grounding schemes

通過(guò)上節(jié)分析,高速列車(chē)1車(chē)與8車(chē)車(chē)體過(guò)電壓相對(duì)最小,然而當(dāng)動(dòng)車(chē)正常運(yùn)行時(shí)1車(chē)與8車(chē)的軸端接地電流卻是相對(duì)最大的,故考慮將1車(chē)、8車(chē)保護(hù)接地取消。為解析不同接地方式對(duì)車(chē)體過(guò)電壓的影響規(guī)律,將2車(chē)與7車(chē)、3車(chē)與4車(chē)保護(hù)接地取消,可以得到各車(chē)車(chē)體過(guò)電壓幅值如圖16所示。

圖16 不同接地方式對(duì)車(chē)體過(guò)電壓的影響Fig.16 The influence of grounding schemes on train body’s overvoltage

從圖16能夠看出,1車(chē)車(chē)體的過(guò)電壓幅值在去掉1車(chē)和8車(chē)的接地后,由原先的1.22 kV上升到3.28 kV,增幅達(dá)到168.85%,同時(shí)2～4車(chē)的車(chē)體過(guò)電壓幅值增加并不明顯,增幅都在10%之內(nèi)。當(dāng)去掉2車(chē)和7車(chē)接地之后,2車(chē)的過(guò)電壓幅值從2.69 kV上升到4.49 kV,增幅達(dá)到66.91%,其他車(chē)體的過(guò)電壓幅值變化并不明顯。在取消3車(chē)和4車(chē)接地后,3車(chē)的車(chē)體過(guò)電壓由4.12 kV增大到6.41 kV,增幅為55.58%,4車(chē)的車(chē)體過(guò)電壓由3.04 kV增加到5.51 kV,增幅為81.25%。同時(shí),1、2車(chē)的車(chē)體過(guò)電壓幅值增幅達(dá)到95.58%和48.87%,增幅明顯。由此得出,當(dāng)取消高速列車(chē)某車(chē)體的保護(hù)接地時(shí),對(duì)應(yīng)車(chē)廂的車(chē)體過(guò)電壓在暫態(tài)工況下會(huì)產(chǎn)生很大的增幅;另外,3車(chē)的車(chē)頂由于設(shè)置了車(chē)頂接地點(diǎn),通過(guò)接地點(diǎn)傳入3車(chē)的過(guò)電壓需要通過(guò)3、4車(chē)的接地進(jìn)行泄放。當(dāng)去掉3車(chē)和4車(chē)的接地時(shí),這部分電壓無(wú)法再通過(guò)3、4車(chē)接地泄放,就會(huì)傳入相鄰車(chē)體,導(dǎo)致1、2車(chē)的車(chē)體過(guò)電壓有明顯增加。由此可以得出,為了更好地抑制車(chē)體過(guò)電壓,最好在每節(jié)車(chē)都設(shè)置保護(hù)接地。

4 結(jié)論

本文圍繞高速列車(chē)移動(dòng)接地系統(tǒng)開(kāi)展研究,建立“車(chē)-軌-網(wǎng)”牽引供電系統(tǒng)等效電路模型,分析了接地系統(tǒng)參數(shù)及接地方式對(duì)車(chē)體過(guò)電壓及車(chē)軌環(huán)流的影響規(guī)律,主要結(jié)論如下。

(1)綜合仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,3號(hào)車(chē)廂過(guò)電壓幅值超過(guò)了4 kV,且距離受電弓越遠(yuǎn)的車(chē)廂幅值越小。上述現(xiàn)象的原因是3號(hào)車(chē)為變壓器車(chē)廂,車(chē)頂接地點(diǎn)連接著受電弓底座端高壓電纜的屏蔽層,并且車(chē)體下方只有一個(gè)保護(hù)接地軸,不利于過(guò)電壓的泄放。

(2)暫態(tài)車(chē)體過(guò)電壓幅值與接地系統(tǒng)中串聯(lián)的電感值和電阻值均為正相關(guān)關(guān)系,且當(dāng)接地電感值為5 μH左右時(shí),車(chē)體過(guò)電壓增幅最小。由于接地電感多來(lái)源于寄生量,且一般在1～10 μH之間,此階段過(guò)電壓幅值變化較不明顯且對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的接地電流影響可忽略不計(jì)。但是,接地電阻調(diào)整對(duì)車(chē)體過(guò)電壓幅值及接地電流幅值都有明顯影響,且電阻值為0.1 Ω時(shí)抑制效果更加顯著。相較于電感,接地電阻更適合用于車(chē)體過(guò)電壓的調(diào)節(jié)。

(3)通過(guò)改變接地方式及參數(shù)能有效改善高速列車(chē)的保護(hù)接地電流的均勻程度。在采用不同接地參數(shù)、接地?cái)?shù)量、接地方式組合的優(yōu)化接地方案后既能更好地降低接地軸的電流幅值,又能使車(chē)體暫態(tài)過(guò)電壓維持在相對(duì)低的水平。