基于高速铁路典型车站牵引供电系统仿真模型的降低绝缘节两端电位差方案

杨世武，李奕霖，陈海康，崔　勇，王俊飞

(1.北京交通大学 电子信息工程学院，北京　100044；2.中国铁道科学研究院 标准计量研究所，北京　100081)

高速铁路现场运营表明，若对于牵引电流瞬态电磁干扰的防护不完善，将导致高速铁路站场内轨道电路相关设备的故障，例如轨道电路短时“红光带”、绝缘节和信号电缆的烧损等。由于绝缘节是站内轨道电路的重要组成部分，对列车位置的检查以及对轨道电路信号的电气隔离起着重要的作用，因此，避免绝缘节故障是保障高速铁路正常运营的重要环节。在轨道电路故障诊断、信号传输与牵引电流干扰耦合及二者相互影响的仿真计算方面，孙上鹏、赵林海等提出了基于定性趋势和遗传算法等的轨道电路故障诊断方法[1-3]。为保证高速铁路车站内轨道电路可靠工作，对于平行或邻近的轨道电路不能构成迂回通道，工程设计中需要在站内侧线将牵引回流切断，采用单侧的回流连接方式，即所谓“一头堵”[4-7]。刘家良等考虑了站场中横向连接线等因素对信号传输的影响，对站内迂回通道形成机理及影响因素进行了研究，给出了断轨残压与迂回干扰叠加时最短迂回通道的参考数据[8-9]。总体上，目前现有文献中对牵引电流和信号传输的研究多数集中在线路区间条件下，而在车站条件下的较少。

在高速铁路环境下，列车行驶在无砟轨道上，牵引电流更大，钢轨的单位漏泄阻抗更高，因而造成钢轨的电位更高；高铁站内大量采用大号码道岔，允许的列车运行速度更大，故列车在侧线发车或者从侧线通过车站时，易形成较大的牵引电流，同时必然导致绝缘节两端出现高的电位差。高速列车轮对通过牵引电流切断点时，由于绝缘节两端存在显著的电位差，易造成拉弧现象，进而对绝缘节以及钢轨造成损害[10]。电弧其实是一种放电形式，与电极间的距离和电压等因素有关。一般在较小的间隙间产生电弧的门限条件很低，通常当电位差达到约20 V时，只要有电流即可产生电弧，并且电弧中的温度可以在瞬间达到4 000 K以上，因此可能导致绝缘节的隔离胶质甚至钢轨严重烧损，对其危害程度和产生原因已有系统性的分析[11-13]。模拟现场环境的实验表明，在因牵引电流导致绝缘节两端的电位差超过20 V条件下，高速列车轮对通过绝缘节时，极易产生电弧放电现象，并且电弧放电的严重程度取决于绝缘节两端电位差的大小；在此基础上提出了通过回流匹配器来连通回流切断点，从而减小电位差的理念[14]。由于高铁站内广泛采用胶质绝缘节，烧损后更换难度大，对列车运行效率造成影响。对此国内的研究解决思路基本集中在通过改变回流切断点的设置位置，以减小绝缘节两端的电位差；比如工程化解决方案是将回流切断点设置于牵引电流较小的接车侧[15-16]，但此方案仅能在一定程度上减小电位差，无法从根源上消除电位差，并且在车站有反向发车进路时也没有效果。国外研究也涉及类似的问题，但由于站场结构简单和轨道电路制式不同等原因，通常采用双侧回流，故此类问题极少出现[17]。

降低车站内轨道电路绝缘节两端电位差的问题在本质上应通过牵引供电和信号综合研究和设计来解决，但目前尚未有文献对此进行整体仿真建模。因此，本文对高速铁路典型车站站场及其邻接区间牵引供电系统进行建模，模拟计算列车运行时牵引电流变化引起站内绝缘节两端电位差，分析绝缘节两端电位差的形成机理和主要影响因素，据此提出降低绝缘节两端电位差的解决方案。

1　高铁典型车站站场及其邻接区间牵引供电系统的建模及绝缘节两端电位差的计算

1.1　线路钢轨及导线的主要参数

选取新建兰新第二双线YQB站站场及其邻接区间的牵引供电系统进行建模(以下简称完整模型)，该站正线为双线，并有2条侧线。车站长1.849 km；邻接区间，兰州方向取7.151 km，乌鲁木齐方向取6.000 km；则选取的线路总长为15.000 km。

车站及邻接区间的股道均使用P60 kg·m-1钢轨，接触线采用CTHA-150银铜合金线，正馈线采用LGJ-240钢芯铝绞线，保护线采用LGJ-95铜芯铝绞线，贯通地线采用TJ-95的铝合金绞线。根据各输电导线材料的有效电阻和等效半径，可求得其单位自阻抗[18-20]，结果见表1。

根据各输电导线和钢轨的单位自阻抗，可求得各输电导线与钢轨之间的单位互阻抗，分别为

ZTR=0.049 1+j0.321 3

ZFR=0.048 6+j0.295 6

ZPR=0.049 3+j0.352 8

ZGR=0.050 1+j0.680 5

式中：ZTR，ZFR，ZPR，ZGR分别为接触线、正馈线、保护线和贯通地线与钢轨之间的单位互阻抗，Ω·km-1。

表1　钢轨及输电导线的型号和单位自阻抗

1.2　模型的建立

我国高铁采用AT(自耦变压器)方式供电。对于该方式的牵引供电系统建模比较常见的方法有2种，一种是节点电压方程法，另一种是连续方程法。采用连续方程法的优点是，当给出列车位置后，可以得到任意地点的电位和电流数据；其缺点是仅适用于单线条件，在双线条件下加入横向连接(简称横连)线等配置后，由于受线路间参数影响，完整连续方程的建立和求解将非常困难，因此连续方程方法在实际中并不适用。节点电压方程法为离散的数值方法，运用该方法可以很好地将各个输电导线间的相互影响考虑进去，不仅在整体曲线上具有准确性，还可灵活修正模型以反映现场的真实性。故本文选用节点电压方程法进行建模，该方法的关键是根据需求选择适当的间距和节点数。

根据现场实际情况进行如下等效：复线牵引网的上下行接触线在AT所、牵引变电所以及分区所等地方均为并联；上下行线钢轨通过扼流变压器的中点每隔一定距离进行横向连接，且上下行线钢轨每隔一定距离将与贯通电线以及保护线进行1次横向连接，站内股道的侧线与正线在进站和出站的地方均进行1次横向连接。节点间隔取250 m。借鉴单线车站建模方法[21]，建立的高速铁路站场及其邻接区间双线全并联牵引供电系统的仿真模型如图1所示。

图1中：Us为接触网额定电压；Z0为AT变压器对地漏抗；ZS为牵引变电所二次侧等效阻抗；R为每节点单位长度道砟漏泄电阻；V为节点电压，Z为各导线的节点阻抗，其中下角标r，g，f，p，t分别代表钢轨、贯通地线、正馈线、保护线和接触线，数字代表对应的节点号；J为机械绝缘节；RⅠ和RⅡ分别为下、上行正线钢轨，R3和R4分别为下行、上行侧线钢轨。以节点1为原点，给定列车位于坐标x处，其运行电流为I，I1和I2均为AT变压器中的电流。

图1　高速铁路站场及其邻接区间双线全并联牵引供电系统的仿真模型

1.3　绝缘节两端电位差的计算

根据图1所示的模型，利用单线线路的节点方程[21]，加入保护线以及贯通地线，每隔1.5 km进行1次横向连接，即下行正线和侧线在31和37这两点间进行横连、上行正线和侧线在109和115这两点间进行横连。定义Igr，Ipr，Itr1和Ifr分别为贯通地线、保护线、接触线和正馈线与钢轨间互感作用形成的等效电流源；Itr1和Itr2分别为列车所在位置处接触线左侧和右侧2个方向的电流；Vtn为列车位置处的节点电压，Ztx和Zty分别为列车所在位置处接触线左侧和右侧的阻抗。从而可得到如下各节点电压与电流的关系方程，其中节点3～30，33～36和39～60的方程省略。

节点1：

Ifr1-Igr1=0

节点2：

节点31：

节点32：

节点37：

节点38：

节点61：

Ipr1-Itr2-Ifr1-Igr1=0

根据列车所在位置以及AT变压器处各导线的电流关系，有如下电流方程。

显然，在AT变压器处，有如下电压方程。

2Vr1-Vt1-Vf1=0

2Vr61-Vt61-Vf61=0

由上述各节点的电压与电流关系方程，可计算获得绝缘节两端的电压，即可求得相应的电位差。

2　绝缘节两端电位差影响因素分析

由上述模型和计算公式可知，影响电位差的参数主要有列车牵引电流I、道砟漏泄电阻R以及横向连接的位置。

2.1　列车牵引电流对绝缘节两端电位差的影响

仿真参数取值：单位自阻抗和单位互阻抗按照1.1节取值；Us=25 000 V；AT变压器对地漏泄阻抗取Z0=(0.1+ j0.45) Ω；牵引变电所二次侧等效阻抗取ZS=0.5 Ω；上下行线钢轨之间的横向连接间距取1.5 km，无砟轨道的对地漏泄电阻取最不利条件(设计容许最大限值)的100 Ω·km，即R=400 Ω；每时隔1.5 km除进行上下行线钢轨横连外，钢轨还与保护线横连[21]。

依据上述各节点电压与电流的关系方程，当列车在车站侧线上发车时，列车牵引电流分别取200，300，400，500 A，节点方程中其他参数不变，以绝缘节所在位置为坐标零点，绝缘节右侧轨道距绝缘节的距离为正，通过仿真计算，可得不同列车牵引电流对绝缘节两端电位差的影响曲线如图2所示。由于本文采用节点法，故得到的绝缘节两端电位差曲线为折线，而非光滑的曲线。

图2　不同列车牵引电流对绝缘节两端电位差的影响曲线

由图2可知：列车运行到绝缘节所在位置时，会造成绝缘节两端的电位差达到最大值；绝缘节两端的电位差与列车牵引电流存在密切联系，随着列车牵引电流的增加，绝缘节两端的电位差将随之增大；当列车牵引电流减小至200 A时，绝缘节两端的电位差可降至20 V以下。由此可见，当列车在侧线运行时，将列车牵引电流控制在200 A以内，则可以将绝缘节两端的电位差控制在20 V以下。

2.2　道砟漏泄电阻对绝缘节两端电位差的影响

铁路既有线均采用有砟轨道，高速铁路多采用无砟轨道，相比有砟轨道，无砟轨道道砟漏泄电阻更高[22]。列车在侧线运行时，牵引电流取500 A，道砟漏泄电阻分别取2，10，100 Ω·km，节点方程中其他参数不变，通过仿真计算，不同道砟漏泄电阻对绝缘节两端电位差的影响如图3所示。

由图3可知：对于同一位置，道砟漏泄电阻越大，绝缘节两端的电位差也相应增大；在100 Ω·km时，绝缘节两端的电位差为71 V，已超过60 V的安全接触电压[13]，会对现场维护人员的人身安全造成威胁。由于道砟漏泄电阻主要随气候而改变，故实际中无法通过调节该值来控制绝缘节两端的电位差。

图3　不同漏泄电阻对绝缘节两端电位差的影响曲线

2.3　设置横向连接线对绝缘节两端电位差的影响

在高速铁路综合接地系统中，除了上下行线钢轨扼流变压器中点与贯通地线的横向连接以外，钢轨也每隔一定距离与邻侧钢轨以及保护线等连接。根据工程设计规范，在不形成迂回通道的条件下，增加车站侧线的横向连接线，即在下行侧线与正线间增加设置1条横向连接线，此时迂回通道的距离大于2 700 m，符合轨道电路传输设计原则，此横向连接线满足站内横向连接距离L≥1.5 km[23]；道砟漏泄电阻取100 Ω·km，列车在侧线运行的牵引电流分别取300，500， 800 A，节点方程中其他参数不变，通过仿真计算，增加横向连接线后列车牵引电流对绝缘节两端电位差的影响如图4所示。

图4　增加横向连接线后列车牵引电流对绝缘节两端电位差的影响曲线

对比图4和图2可知：绝缘节两端的电位差已经由原来的最高90 V显著降低到最高42 V左右；当列车牵引电流为300 A时，绝缘节两端的电位差已经降低到20 V以下；由此说明，增加横向连接线后，绝缘节两端电位差得到较好的抑制。

3　设置回流匹配器的解决方案

上述仿真计算结果表明，通过控制列车牵引电流和增加横向连接线，均可以显著减小绝缘节两端的电位差，但仍不能根本消除绝缘节两端的电位差，这是因为这2个方法均是在侧线绝缘节处保留回流切断点(即“一头堵”)现有方案的基础上改进的。因此，本文提出1种通过设置回流匹配器导通绝缘节两端电流的解决方案，并分析其特性及可行性。

我国高速铁路牵引供电采用工频单相交流制，即牵引电流频率为50 Hz，而轨道电路信号载频分别为1 700，2 000，2 300，2 600 Hz，可见牵引电流频率与信号频率差别显著。因此本方案的基本思路是：在车站侧线回流切断点处增加回流匹配器，使其连接绝缘节两端的扼流变压器，既可满足低频50 Hz牵引电流的畅通，又能满足信号载频条件下的有效隔离，即满足不形成轨道电路迂回通道的要求。

根据以上思路设计的回流匹配器应具有如下特性：在工频时呈现足够低的阻抗，以保证绝缘节两端的牵引电流随时导通，从而尽可能降低绝缘节两端的电位差，使列车在侧线运行时不会产生拉弧放电现象；同时，对轨道电路的载频信号呈现足够高的阻抗，从而起到有效隔离信号传输的作用。

由此设计的回流匹配器应用示意图如图5所示。鉴于轨道电路信号频率是供电系统工频频率的34倍以上，因此回流匹配器选用谐振方式结构；本文借鉴我国客运专线车站内轨道电路中BES(K)型扼流适配变压器的结构和相关参数[24]，设计回流匹配器，其电路原理如图6所示。

图5　回流匹配器应用示意图

图6　回流匹配器电路原理图

回流匹配器的工作原理为：电容Ca1与电感La2构成工频50 Hz串联谐振电路，其一次侧(钢轨侧)等效谐振阻抗约为0.01 Ω，假定列车以200 A牵引电流经过此匹配器，易得此时绝缘节两端的电位差值仅为2 V，远远低于产生拉弧需要的20 V以上条件，相当于对50 Hz牵引电流短路，从而有效地避免了绝缘节烧损；回流匹配器中电容Ca2并联在串联谐振电路的右侧，当电容Ca2取不同数值时，可与变压器感抗分别构成对轨道电路频率1 700，2 000，2 300和2 600 Hz的并联谐振电路，易得此时该变压器一次侧呈现不小于17 Ω的高阻抗[25]，不会形成迂回通道条件，从而对轨道电路信号可以达到有效隔离。

4　结　论

(1)在确定高速铁路牵引网供电系统基本参数的基础上，选取典型站场，利用节点电压方程法建立高铁车站站场及其邻接区间的全并联AT牵引供电系统的仿真模型，分别就列车牵引电流、道砟漏泄电阻和设置横向连接线3种因素对轨道电路绝缘节两端电位差的影响进行模拟。结果表明：当列车在车站侧线通过或发车时，为使绝缘节两端电位差不超过20 V，列车牵引电流应控制在200 A以内，或者在满足信号设计规范条件下，增加设置横向连接线。

(2)提出设置回流匹配器来连接机械绝缘节两端扼流变压器的解决方案。通过回流匹配器中的1个电容与1个电感构成工频50 Hz串联谐振电路，使其对50 Hz牵引电流短路；通过回流匹配器中的另一个电容并联在串联谐振电路右侧，与变压器感抗构成并联谐振电路，使其对轨道电路信号达到有效隔离，且不会形成迂回通道条件，从根源上避免拉弧现象的发生，从而有效地避免了绝缘节烧损。

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