楊盼奎，賈步超

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接地電阻器對升降弓車體浪涌過電壓的影響

楊盼奎，賈步超

高速動車組在升弓過程中過電壓通過車頂高壓電纜耦合到車體，引起車體暫態(tài)過電壓，嚴重威脅車載電氣設(shè)備的安全運行。為了分析在升弓過程中接地電阻器對車體浪涌過電壓的影響，基于某型動車組構(gòu)建了高速動車組升弓等效電路模型，仿真分析了車體過電壓的分布特性，定量分析了接地電阻器中電阻和電感對升弓過程車體浪涌過電壓的影響，為進一步研究車體浪涌過電壓提供了理論基礎(chǔ)。

動車組；升弓；過電壓；接地電阻器；試驗

0 引言

鐵路作為我國國民經(jīng)濟的大動脈和常用交通工具，近十年來，建設(shè)規(guī)模和通車里程不斷增加，動車組技術(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，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，形成過電壓。因過電壓引發(fā)故障的事件屢見不鮮，例如，2008年SS4型機車換端升弓過程中，機車放電間隙銅棒燒毀，同時受電弓與導(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。過電壓會通過高壓電纜屏蔽層和鋪設(shè)在車頂?shù)碾姎膺B接接地點耦合到車體上，形成車體過電壓。目前，升弓過電壓的研究主要采用試驗和仿真相結(jié)合的方式[3～5]。經(jīng)現(xiàn)場試驗測試和仿真發(fā)現(xiàn)，各車體過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電壓幅值最大，離該車體越遠的車體過電壓越小。車體過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，過電壓最大，而當(dāng)相位為180°和0°時，過電壓最小。車體過電壓還與電壓互感器勵磁電感大小有關(guān)，勵磁電感越大，浪涌過電壓的幅值越小[3，4]；日本的相關(guān)研究結(jié)果表明，動車組接地系統(tǒng)對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研究升弓車體過電壓的影響很有必要。

基于某型動車組的接地方式，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車體浪涌過電壓的影響，為深入研究高速動車組車體浪涌過電壓的相關(guān)影響因素提供理論基礎(chǔ)。

1 動車組主電路結(jié)構(gòu)

該動車組采用動力分散結(jié)構(gòu)，其中8節(jié)為一個短編組，前后分為2個動力單元，每個動力單元兩動兩拖構(gòu)成T-M-M-T結(jié)構(gòu)，動車組電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。受電弓安裝在4號和6號車體上，動車組在正常運行工況中采用交流傳動系統(tǒng)交-直-交的傳動方式。受電弓通過接觸網(wǎng)受流后，利用高壓電纜傳輸?shù)?、6號車頂，經(jīng)電壓互感器、電流互感器和避雷器高壓端，再通過VCB斷路器傳輸?shù)綘恳儔浩鳎儔浩鞲边叿謩e連接2、3車或6、7車的整流逆變裝置，通過整流逆變后，傳輸給牽引電動機，驅(qū)動動車組運行。主變壓器原邊低壓端連接工作接地，由于動車組升弓時斷路器處于斷開狀態(tài)，工作接地已切斷電路，在此不再詳細討論。

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

圖1 動車組電路結(jié)構(gòu)

2 高速動車組升弓浪涌過電壓分析

升弓過程中，車頂鋪設(shè)的高壓電纜產(chǎn)生浪涌過電壓，由于該電纜屏蔽層與車頂電氣連接，該過電壓將通過連接點傳播給車體，造成車體過電壓，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)我國高鐵接觸網(wǎng)的典型參數(shù)，簡單鏈形懸掛下供電臂長度為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，每段長度約為25 m；電壓互感器勵磁電感為 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)場測量，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。

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

圖3 各車升弓浪涌過電壓分布情況

由圖3可以看出，各車體過電壓波形基本一致，3、4、5、6車車體過電壓幅值分別為8.55、4.3、3.77、3.47 kV；其中3車車體過電壓最高，因為升弓時車載主斷路器處于斷開狀態(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號車頂上，因此，3車車體過電壓不僅可由高壓電纜屏蔽層耦合而來，還可來自電壓互感器，故3車車體過電壓最高；各車車體過電壓達最大值后，振蕩衰減，且振蕩周期隨時間擴展，但基本在10ms內(nèi)衰減到500 V左右。

3 試驗驗證

為測量車頂和鋼軌（軌道和車軸是等電位）之間的浪涌電壓并驗證仿真模型的正確性，進行靜態(tài)升弓瞬態(tài)浪涌電壓現(xiàn)場試驗，試驗原理和裝置分別如圖4、5所示。測試設(shè)備主要包括四通道高速數(shù)據(jù)采集器、分壓器和計算機。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。浪涌電壓信號波形傳輸?shù)接嬎銠C進行顯示，并進行仿真結(jié)果驗證。

圖4 試驗原理

圖5 測試裝置

測得3車車體過電壓的波形如圖6所示，最大值達到7.91 kV，然后在10 μs內(nèi)衰減到幾百伏。對比實測和仿真波形（圖7）可以看出，仿真結(jié)果的最大值為8.55 kV，實測值與仿真值相比誤差為7.49%，但波形波動和衰減情況基本一致。

經(jīng)實測，4、5、6車車體過電壓遵循3車過電壓測試波形相同的趨勢，最大值分別為4.12、3.51、3.32 kV，如表1所示?？梢钥闯?，各車的實測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)誤差的原因是試驗現(xiàn)場的升弓時刻接觸網(wǎng)電壓相位具有隨機性，而模擬的相位是90o，雖然采用多次試驗取最大值的方式，但仍然不能保證試驗時接觸網(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，試驗現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，難以完全模擬。

圖6 3車車體過電壓實測波形

圖7 3車車體過電壓仿真波形

表1 最大升弓浪涌過電壓實測與仿真結(jié)果對比

4 接地電阻器對車體浪涌過電壓的影響

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。為了易于顯示過電壓的變化趨勢，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 過電壓幅值隨電感的變化

表3 過電壓幅值隨電阻的變化

圖8 過電壓幅值隨電感、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，3車車體浪涌過電壓從1.7 kV增加到8.5 kV；當(dāng)電阻從0.5W變化到4W時，過電壓從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車體浪涌過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，電阻的影響相對較小，可以忽略。

圖9 過電壓隨電阻器電感的波動情況

圖9所示為過電壓隨電阻器電感的波動情況，可以看出，接地電阻器電感量不僅影響過電壓的幅值，還影響過電壓的振蕩頻率，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)和動車組實際電路結(jié)構(gòu)，建立升弓車體過電壓仿真模型，并利用實測數(shù)據(jù)對該模型進行驗證，分析了動車組接地電阻器對車體過電壓的影響，得到如下結(jié)論：

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

（2）試驗數(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)場試驗時網(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電壓幅值，還影響過電壓的振蕩周期，呈電感越大，過電壓幅值越大，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.中車青島四方機車車輛股份有限公司，工程師；

賈步超.中車青島四方機車車輛股份有限公司，高級工程師。