高速动车组车体操作过电压特性仿真分析与试验验证

丁勇

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062）

高速动车组车体操作过电压特性仿真分析与试验验证

丁勇

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062）

为分析高速动车组车载真空断路器分、合时车体操作过电压特性，基于某型动车组电气结构，构建仿真模型，介绍现场试验并给出试验结果。仿真结果表明：2车过电压值最大，达到5.12kV；2—6车依次减小，各车过电压高频振荡周期都约为0.6µs，过电压在7µs后衰减到几百伏。仿真与试验结果误差率为3%～26%，仿真与试验中各车过电压高频振荡周期、衰减时间、分布特性具有较好的一致性。

高速动车组；操作过电压；仿真模型；现场试验

高速动车组在过分相、升降弓、短路故障等过程中频繁操作主断路器会引起暂态过电压，该过电压不仅加速车顶高压部件绝缘老化甚至绝缘击穿，耦合到车体上的过电压还会对车载电子设备正常工作造成影响[1-7]。动车组操作过电压主要指动车组车顶断路器闭合或打开操作时在牵引供电系统中产生的过电压。在列车主电路转换时（如主断路器分断），线路中感性元件的电流迅速降低，其存储的电磁能量会在线路的感性和容性元器件中形成振荡，产生过电压[8]。过电压发生时，由于整个牵引供电系统都处于工作状态，因此会在断路器前后、受电弓、变压器、高压电缆等高压部件上产生操作过电压，而且由于车顶高压电缆的屏蔽层通过车顶接地，会有操作过电压耦合到车体上。高速动车组车体不仅是运载乘客的载体，也是车载电子设备的“参考地”，因此分析车体操作过电压特性及分布趋势具有重要意义。

1 动车组系统

1.1 主电路

基于某型动车组对操作过电压进行分析，此动车组采用交-直-交传动系统，且是动力分散的动力配置模式，编组示意见图1。采用8辆编组，4动4拖，由2个动力单元组成，每个动力单元由2辆动车和2辆拖车组成。1个基本动力单元由1台牵引变压器、2台牵引变流器、8台牵引电机构成，1台牵引变流器驱动4台牵引电机。2、3、6、7车是动力车，车下有牵引变流器和牵引电动机，在2车和6车下有牵引变压器；1、4、5、8车为拖车。

图1 动车组编组结构

动车组编组主电路见图2。正常运行时，列车采用单弓受流，另一受电弓处于折叠状态。动车4号或6号受电弓，从接触网25 kV、50 Hz的单相交流电源受电，通过主断路器真空断路器（Vacuum Circuit B reaker，VCB）连接到2号和6号2台牵引变压器原边绕组上。电流通过车轴上的接地碳刷入地，接地碳刷通过接地电阻与钢轨相连，回流至牵引变电所。主电路开闭由VCB控制。牵引变压器牵引绕组设2组，原边25 kV时，牵引绕组电压1 500 V。绕组侧电压经整流逆变过程传送到牵引电机，驱动列车运行。

图2 动车组编组主电路

1.2 高压系统

高压系统主要电气设备包括受电弓、主断路器、避雷器、电流互感器、接地保护开关等。高压系统具备为全车供电、电气保护、监测网压网流和在线绝缘检测的能力。列车车体过电压的产生与这些电气设备的高压电路布局及电气连接有关，尤其与受电弓、VCB、牵引变压器及相互间的高压电缆密切相关。

1.3 接地系统

动车组接地系统主要包括两部分，即主回路电气工作接地和车体保护接地[9-10]。

工作接地是指列车通过受电弓从接触网接受的电流，该电流供给车载电气设备后再经接地碳刷连接到车轴，经车体接地系统流入钢轨。工作接地设置在2、6车。

保护接地是指车体通过保护接地线与轮对相连。接地碳刷安装在每节动车的车轴上，由于车体电阻较低，当接地碳刷接地电阻不稳定时，电流会通过车体接地点进入车体，导致车体局部环流。碳刷接地性能降低，车体接地系统电阻增加，车内电流会通过转向架与轴承箱处的绝缘橡胶泄漏到轴承箱，造成轴承电腐蚀。为防止接地碳刷的异常磨损、轴承电腐蚀，动车组车体采用串联电阻器的接地方式，在车体与电刷之间串联等值电阻器。接地电阻器值远大于碳刷接地电阻，稳定了车体接地电阻，使车体接地电流均匀，防止接地碳刷异常磨损、轴承电腐蚀。动车组保护接地设置在2、3、6、7车下，采用串联接地电阻器的接地方式。

2 操作过电压仿真分析

2.1 模型搭建

操作过电压仿真模型见图3。接触网按集总参数模型考虑，简单链型悬挂下供电臂长度为25 km。电气化铁路接触网由承力索、接触线、悬挂装置及支撑装置等构成，在结构上与电力输电线路中的分裂导线类似，可按照分裂导线进行分析。根据接触网结构计算可得，接触网导线电阻值为4.45 Ω、电感值为35.7 mH，接触网与钢轨间的电容值为0.134 2 µF，动车组车顶电缆单位长度电阻为0.05 Ω/km、电容为0.32 µF/km、电感为0.17 m H/km，动车组高压电缆长度为150 m。经现场测量，碳刷接触电阻等效电阻Rt取0.01 Ω，车体电阻RC为47 mΩ，车体电感LC为0.23 µH，车间连接电阻Rj为0.01 Ω；接地电阻器电阻为0.5 Ω；钢轨单位长度电阻为0.135 Ω/km、电感为0.44 mH/km，每节车厢长25 m，计算得车下对应钢轨电阻Rg1、电感Lg1分别为3.375 0 mΩ、11.00 µH。相邻车厢距离在1.5 m左右，对应钢轨电阻Rg2、电感Lg2分别为0.202 5 Ω、20.66 µH。仿真模型中，牵引变压器采用与实际变压器电气特性相似的XFRM-Linear线性变压器；牵引电动机在断路器断开时已经处于不工作状态，因此用1 kΩ的电阻R2近似等效VCB断开时的负载状态。模型中U、Ls、Rs、Cs分别为牵引变电所的电源、内电抗、内电阻及接触网对地电容，接触网的等效电阻、电感分别表示为RL、LL，Lm为电压互感器励磁电感。

2.2 仿真结果分析

操作过电压是因变压器励磁电感与高压电缆屏蔽层寄生电容及变压器入口电容间的电磁振荡引起的。由于高压电缆的特殊结构与工作环境，高压电缆屏蔽层必须通过车顶接地，电缆线芯与车顶之间由于屏蔽层的存在会有寄生电容，从而会使操作过电压通过屏蔽层接地点耦合到车体上，过高的车体电位会存在安全隐患，因此有必要对不同车体上的过电压进行仿真分析。

由于此动车组的高压电缆只敷设在2—6车，因此只仿真分析耦合到这几节车厢的车体操作过电压。考虑最严重情况，在电源电压相位是90°、电压大小为39 kV同时操作位于4车和6车的VCB。断路器打开瞬间耦合到2—6车车体上的操作过电压仿真结果见图4。可以看出，其过电压峰值从2—6车分别为5.12 kV、4.45 kV、4.36 kV、4.35 kV、4.33 kV，其中2车过电压最值最大，峰值最大达到5.12 kV，2—6车依次减小，4、5、6车过电压峰值相差较小。2车过电压峰值最大是因为2车车顶安装有高压互感器，其接地端子通过该车车顶接地，即该车过电压不仅通过高压电缆向车体耦合，还通过高压互感器的接地点耦合，而其他车上的过电压只通过高压电缆接地点向车体耦合。各车过电压高频振荡周期都约为0.6 µs，之后迅速衰减，过电压在7 µs后衰减到几百伏。整体来看，各车过电压波形发展趋势相同。

图3 操作过电压仿真模型

图4 各车车体操作过电压波形图

3 现场试验与仿真模型验证

3.1 现场试验

动车组过电压试验在某线路段进行，该线路为无砟轨道，牵引网为带回流线的直接供电方式。试验主要包括PC机、数据采集器、同轴电缆线、分压器、接线夹子等设备。

动车组过电压试验原理见图5。用接线夹子分别从动车车顶、钢轨取2个接线点，车顶引出线接分压器高压端，钢轨引出线接分压器低压端。分压器低压端的另外2个点分别接数据采集器高压端与接地端，采集器的第三端输出电压信号，由同轴电缆输入PC机显示并保存。

图5 动车组过电压试验原理

3.2 试验结果分析

经过多次试验，选取其中与多次试验结果平均值最为接近的一组数据。断路器由闭合到断开时各车体过电压试验结果波形见图6。可以看出，2、3、4、5、6车过电压峰值最大为4.67 kV、4.29 kV、3.68 kV、3.63 kV、3.17 kV，各车过电压高频振荡周期在1.0 µs之内，大都在6～10 µs后衰减到几百伏。

3.3 对比分析

各车过电压试验结果和仿真结果最值对比见表1。可以看出，仿真值普遍比试验值大，误差率（（仿真值-试验值）/仿真值）在3%～26%，这是因为仿真考虑的是最严重情况，即网压相位为90°时的各车过电压仿真值，而现场试验断路器动作时很难控制和确定其网压相位，因此仿真值偏大是正常现象。各车仿真波形中过电压高频振荡周期约为0.6 µs，试验中高频振荡周期为1.0 µs以内。仿真结果中各车在7 µs后衰减为几百伏，试验中在6～10 µs衰减为几百伏。且仿真与试验波形中各车的过电压最大值都是从2—6车依次减小，即各车过电压高频振荡周期、衰减时间、分布特性具有较好的一致性，因此该仿真模型具有一定的正确性和可靠性。

表1 不同车体过电压仿真与试验结果对比

4 结论

（1）仿真结果表明，断路器打开瞬间，耦合到各车车体上的操作过电压峰值从2车到6车分别为5.12 kV、4.45 kV、4.36 kV、4.35 kV、4.33 kV，其中受电弓所在的过电压最值最大，峰值最大达到5.12 kV，2—6车依次减小，4、5、6车过电压峰值相差较小，只有几十伏；各车过电压高频振荡周期都约为0.6 µs，之后迅速衰减，过电压在7 µs后衰减到几百伏。

图6 各车车体过电压试验波形

（2）在对比分析仿真结果与试验结果后，发现仿真值普遍比试验值大，误差率在3%～26%，这是因为仿真考虑的是最严重情况，即网压相位为90°时的各车过电压仿真值，而现场试验断路器动作时很难控制和确定其网压相位，因此仿真值偏大是正常现象。各车过电压高频振荡周期、衰减时间、分布特性具有较好的一致性。

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Sim ulation Analysis & Experimental Verification of Switching Overvoltage Characteristics o f HS EMU Car Bodies

DING Yong
（CRRC Changchun Railway Vehicles Co Ltd，Changchun Jilin 130062，China）

In order to analyze the switching overvoltage characteristics of high-speed EMU car bodies when the vacuum circuit breaker is on and o ff, this paper builds a simulation model based on the electrical structure of EMU train of a certain type, and introduces a field test and its results. The simulation results show that the overvoltage value is at its maximum (5.12 kV) in Car 2, and is on the decline from Car 2 to 6. The overvoltage high-frequency oscillation periods of each car is about 0.6 μs, and the overvoltage decays to several hundred volts after 7 μs. The error rate of simulation and test results ranges between 3% and 26%. There is a consistency among the overvoltage high-frequency oscillation periods of all cars in the simulation and test, and it is the same with decay times and distribution characteristics.

HS EMU；switching overvoltage；simulation model； field test

U264.3

A

1001-683X（2017）09-0068-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.09.068

丁勇（1980—），男，高级工程师。E-mail：xnjdggq@163.com

责任编辑 高红义

2017-04-12