基于AT供电方式下380B型高速动车组保护接地电流分布研究

魏晓斌，魏文赋，桂志远，李宇星，杨泽锋，吴广宁

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

随着动车组运行速度的提升，安全问题一直倍受关注。在CRH380B型动车组运行过程中，接地碳刷经常被烧毁，流经保护接地的电流也远远超过预期值，给列车的安全运行留下隐患。因此，有必要对高速动车组的接地电流分配进行深入地研究，并设计更优良的接地系统。前人也研究过普通列车的接地系统，英国学者表明轴承的快速损耗老化是因为电流流过滚珠轴承发生了电化学反应[1]；日本的千岛伸雄发现不同的车轴维修周期参差不齐，从而改良了机车接地系统，为此也带来了显著的经济利益[2]；日本学者研究发现列车本体存在电流，为了抑制电流流过车体，在车体的接地线之间安装了一个大小为0.5 Ω的电阻[3-4]，但该方法也衍生出另一些缺陷，在一系列过电压发生时，车体的电位会迅速升高，甚至威胁到车上的弱电系统。现在，也有很多研究人员对动车组的接地做过一定讨论，裴春兴等人分别介绍了国内常见的几种高速动车组的接地系统，并简略分析了各自的优劣[5-6]。张长青主要针对380A型动车组，介绍了该型动车组所采用的接地方案及对应参数，最后阐述了该型动车组接地系统的可行性[7]。袁德强等人在380B及其长编组型动车组上对保护接地电流做了实测试验，根据试验结果对这2种编组方式的接地系统均提出了改善措施[8-10]。刘东来分析了高速动车组接地环流形成的原理，搭建了关于接地系统的模型，通过仿真得出增加接地电阻的大小为0.5 Ω具有最佳效果[11]。北京交通大学的李石研究了CRH3型动车组的接地系统，除了CRH3本身接地方案以外，还重新构造了另外4种接地形式，在仿真结果中通过比较保护电流的大小及车体电势得出了相对较好的方式；另外，还阐明了动车组的保护电流变化情况与运行工况密切相关[12-13]。此外，文献[14]提到接地回流与列车的电磁兼容性也密切相关。本文以CRH3为载体，结合实际测试的波形数据分析了电流幅值的变化情况与不同时刻电流相位的分配情况；构建了更为准确的仿真模型来验证，该模型对于设计新的接地方案有指导意义。

1 主电路分析

1.1 机车主电路

CRH380B型动车组在国内广泛使用，整个系统为交流传动式，2车和7车车体顶部各装一张受电弓，当一张受电弓从接触网获取电能时，另一张为备用，获取的电流在2车与7车分别经过一系列的高压设备至牵引变压器，再通过整流及逆变过程将电能输送至相邻车底的牵引电机，输出动能。因此，整列动车采用8车编组，1、3、6、8车为动车，其余为拖车。其主电路见图1。

图1 列车主电路

1.2 接地系统

高速动车组接地系统可划分为2部分，一部分是工作接地，另一部分是保护接地。工作接地为主变压器一次端跨接至车轴接地碳刷的绝缘铜绞线，主电流通过它流至轮对，最后流经钢轨或其他通路返回至牵引变电所。保护接地则为车体跨接至车轴接地碳刷的绝缘铜绞线，其作用是使车体与钢轨电势保持一致。CRH3型动车组从德国西门子引入国内时仅仅在列车中部装有保护接地，由于 1车和8车不能很好地与钢轨保持等电位，因此CRH380B在CRH3的基础之上重新设置了保护接地点。新保护接地系统为1车加装2个保护接地，分别设于第1、2轴；2车主要为牵引工作电流流出点，遂不装保护接地；3车加装2个保护接地，分别设于第2、3轴；4车保留2保护接地，分别设于第3、4轴；为保持动车组的前后对称性，另一半列车保护接地的设置与前半列车呈镜像对称，具体见图2。

图2 380B型接地系统

1.3 AT供电

目前，AT供电系统在中国高速铁路线路中普遍运用，其优势主要为牵引阻抗小、供电距离长、电磁兼容性能好。AT供电方式即在牵引网中架设一根正馈线F，每相隔约15 km处在接触线与正馈线之间并联接入1台绕组匝数w1：w2=1∶1的自耦变压器。在AT所间每隔约1.5 km设1个绝缘节，绝缘节两端各设1个扼流变压器，原边连接钢轨，副边连接弱电设备。2个扼流变压器连接线的中点通过电缆与回流线相连，该电缆称为吸上线，其作用为减小牵引电流对信号回路的影响。扼流变压器对于牵引回流只起引导作用，因此将扼流变压器与吸上线电缆等效为一电感l。AT供电结构见图3，牵引变电所供给接触网与馈线之间的电压为55 kV，接触网与钢轨之间的电压为27.5 kV。

图3 AT供电结构示意

2 模型的构建

建模假设：

(1) 车体、钢轨的阻抗均匀分布，与长度成正比。

(2) 因为馈线阻抗值远低于牵引回路钢轨——大地阻抗值，因此，列车流出的工作电流几乎全部流过两边的吸上线至馈线再流回牵引变电所，不会流入其他吸上线区间。

2.1 AT模型

本文AT模型的建立基于典型AT供电方式，T为接触网，R为钢轨，F为馈线，见图4。选取牵引变电所及临近的3个AT所为分析对象，AT所里面的主要元件为一次低压端子和二次高压端子直接相连的自耦变压器。图4中第一个相邻AT所间牵引网的自阻抗及互阻抗用Z1表示；第二个相邻AT所间的自、互阻抗作如下分割，位于中部的2条吸上线距离两端AT所的阻抗都用Z0表示；列车行驶于中部吸上线区间时，列车至左侧吸上线的阻抗用Z2表示，至右侧吸上线的阻抗用Z3表示；为了模拟列车受吸上线的影响只需调节Z2、Z3的大小方能达到目的。

图4 AT供电方式模型

2.2 车辆及接地模型

车体的结构参数见图5，现场重复实测了单节车体纵向的电抗参数，经过平均法即可得到整节车体的阻抗参数。因为轴端接地碳刷通过接地线直接连至上端车体，因此车体参数可由车轴所在的位置进行等比例分割，见图6。头车的第1、2号轴端设有接地线，但第1号轴往前的车体无电流流通，可舍去，1车分配比例见图6(a)；2车没有保护接地点，用单个阻抗代替便可；3车的第2、3号轴端设接地线，该车电阻、电抗的划分比例见6(b)；4车的第3、4号轴端设接地线，故阻抗划分比例见图6(c)。后半列车与前半列呈镜像对称，故等效比例一致。2节车体间都设有连接线把整列车连成1个等势体，每根连接线可等效为1个电阻，接地线、接地碳刷及轮对可等效为固定电阻。钢轨阻抗的划分原则与车体一致，亦是通过接地轮对所在位置把钢轨进行等比例划分。建立的车体及接地系统模型见图7。

图5 车体结构参数(单位:m)

图6 不同车阻抗等效比例

参数设置：现场重复测量再平均可得，单个车体的电阻值取0.002 8 Ω，电感值取2.78 μH，2车体的连接电阻取0.005 Ω，接地电阻取0.01 Ω。单位长度钢轨阻抗为

根据聂曼公式

式中：p为钢轨周长，m；ρ为钢轨电阻率，Ω·m ；r为单位钢轨电阻，Ω·m ；Li为单位电感，μH/m;ω为角速度，rad/s;f为电流频率，Hz;μ为材料相对磁导系数;p=0.62 m，钢轨电阻率0.21×10-7Ω·m，磁导率μ=500[15]，频率f=25 Hz，代入式有r=0.000 037 4 Ω/m，Li=0.143 μH/m。每节车厢长25 m，对应钢轨的电阻为0.001 8 Ω，电感为3.575 μH。

3 数据分析

在380B型动车组实际运营中，发现1车或8车保护电流幅值最大，现做实验测取实际数据对其分析。实验示意图见图8，电流钳测量轴端的电流数据送至数据采集器储存，PC机用于控制与显示。实际测试见图9。

图8 实验示意

图0 现场实验

3.1 实测保护接地电流分析

现场测试传感器采样频率为1 000点/s。因为动车组运行工况复杂，速度变化范围大等原因致使测取的整体数据波动范围较大，于是从中截取较为平稳的数据代表正常匀速运行的数据。由于所测电流中1、8车电流幅值最大，以1、8车为例进行说明。1、8车保护接地整体波形见图10，图10中保护接地电流呈周期性变化，周期约为20 s。动车组约以280 km/h的速度运行，那么对应一个周期的距离约为1 555 m，这正是2个吸上线间的距离，说明吸上线对保护接地的电流影响较大。由图10(a)可知，1车电流随列车运行逐渐增加，20 s后达到最大值，然后突然减小；相反，8车电流见图10(b)，1车电流最小时8车电流反而最大，当列车继续运行该电流慢慢变小，约20 s减至最小，紧接着骤然上升至最大值，接下来重复进行下一个循环。分析发现，当列车在吸上线区间左侧运行时，几乎所有的牵引回流会流经左边吸上线至馈线，加之左边的吸上线靠近8车而远离1车，导致流经8车的回路电流最大，流经1车的回路电流最小。列车继续向前行驶并逐步靠近右侧吸上线，8车距离左边吸上线越来越远，1车距离右边吸上线越来越近，于是流经8车的接地电流越来越小，流过1车的会越来越大。继续行驶当1车抵达右侧吸上线时，几乎全部牵引回流会通过右侧吸上线至馈线，则1车的接地电流达到最大，8车的接地电流最小。当整个列车驶出本吸上线区间而进入下一个吸上线区间时，相当于又回到了初始状态，在这个过程中，1车的接地电流会从最大值迅速减小至最小值，反而8车的接地电流会从最小值迅速增加到最大值。上述分析的变化趋势与实测数据的变化趋势一致，其余车也遵循同样的规律。

图10 1、8车整体保护电流波形

讨论过保护电流的幅值变化趋势后，仍有一个不容忽视的相位问题。弄清相位问题再结合幅值规律便可建立保护电流动态变化规律。设1个吸上线区间为1个周期，在同1个吸上线区间的左、中、右3个地方取数据，并规定把工作电流的流向作为基准方向，观察其余波形的方向。列车位于吸上线区间左侧时保护接地电流实测波形见图11，前半列车实测波形见图11(a)，其中与基准方向相同的是4车保护接地电流，相反的是1、3车保护接地电流，3车第2号轴接地电流幅值较大，其余相对较小。后半列车实测波形见图11(b)，与基准方向相同的是8车保护接地电流，方向相反的是5、6车保护接地电流，其中8车的保护接地电流幅值最大。综上所述，此时刻全列车的接地电流的流向是从1、3、5、6车流进车体，从4、8车流出车体。

图11 左侧实测保护电流波形

图12 中部实测保护电流波形

列车在吸上线区间中间时全部保护电流实测波形见图12，对比前、后半列车保护接地电流发现其大小及相位变化规律相同，与规定基准方向相同的是1、8车并且电流幅值最大，其余车的保护电流方向均与基准方向相反且越靠近列车中部其电流幅值越小。不难理解当列车行至吸上线区间正中时，吸上线区间的车-网模型处于镜像对称，因此从左右吸上线流过的牵引回流相当，当2、7车的工作电流流至钢轨后，一部分会经过相邻中间车的保护接地流上车体再从头、尾车流出。综上所述，此时刻全列车的接地电流的流向是从3、4、5、6号车流进车体，从1、8号车流出车体。

列车在吸上线区间右侧时前、后半列车保护电流波形分别见图13(a)、图13(b)。相较于在吸上线区间左侧时，接地电流分布情况刚好相反。此时对于整列车，与规定基准电流方向一致的只有1车和5车，其余车保护接地电流均与基准电流方向相反，1车接地电流最大，表明这种情况下接地电流通过8、6、4、3车的接地流进，再汇聚到1车流出车体，这就是头车、尾车接地电流最大的原因，与之前幅值分析殊途同归。综上几种情况得知，当列车在行驶过程中，所有保护接地电流的流向持续变化，遵循原则为接地电流主要从离吸上线近的接地线流出，且越近汇聚的电流越大，随着列车在吸上线区间的重复运动，接地电流幅值及流向均呈周期性变化。

3.2 仿真保护接地电流分析

图14 左侧仿真保护电流波形

图15 中部仿真保护电流波形

为了对上述实测波形分析进行验证，利用本文已建立的车-网模型进行仿真，改变Z2、Z3的阻抗值便可以仿真在吸上线区间内左、中、右3个位置的情形。位于吸上线区间左侧时各保护电流波形见图14；位于吸上线区间中部各保护电流见图15；位于吸上线区间右侧各保护电流见图16。比较实测波形与仿真结果，在仿真波形中，保护接地电流的流向变化规律与实测相位分析完全相同，但仿真结果的接地电流大小偏低，其影响因素可能是模型的建立和现实等效有偏差；工作电流的选取有些许偏小；挑选的实测数据工况与模拟工况不一致。此处少许接地电流大小偏差并不影响其整体方向及幅值的变化规律。因此，仿真结果进一步证明了所构建模型的可靠性以及对实测波形分析的正确性。

图16 右侧仿真保护电流波形

4 改进措施

图17 加0.1 Ω电阻仿真波形

由前面分析可知，两端的电流幅值过大的根本原因是因为当一端靠近吸上线时，其余大部分电流都通过端部的接地流到钢轨上，在端部形成1个汇聚点。因此，可以在这个汇流处设置1个接地电阻，限制端部电流的幅值。在1、8车的接地上加入0.1 Ω的电阻后列车位于在吸上线区间中部的波形见图17，前半车与后半车波形一致，对比图15可得，所有接地电流大幅降低。经仿真，随着电阻值增加，3车电流会逐渐超过1车电流，此时1车与3车电流最相近，故该接地电阻值为最佳。

5 结论

从实测保护电流波形及仿真验证可得以下结论：

(1) 通过接地点位置来划分车体等效的方法及整个仿真模型是可靠的；保护电流受吸上线的影响呈周期性变化，越靠近吸上线的保护接地电流越大，越靠近中部电流越小；保护电流的最大值出现在1车与8车1轴经过吸上线时，但它们不是同时出现。

(2) 在两吸上线间运行时，当列车位于区段左端，电流主要从前半车保护接地流进车体并集中于8车保护接地流出；当列车位于区段中间时，电流从中部接地流进并从头车和尾车接地流出；当列车位于区段右端，电流主要从后半车保护接地流进并集中于1车接地流出。

(3) 当给1、8车的保护接地加上一个0.1 Ω的接地电阻时，可以有效降低所有保护接地的电流幅值。