接地电阻器对升降弓车体浪涌过电压的影响

杨盼奎，贾步超



接地电阻器对升降弓车体浪涌过电压的影响

杨盼奎，贾步超

高速动车组在升弓过程中过电压通过车顶高压电缆耦合到车体，引起车体暂态过电压，严重威胁车载电气设备的安全运行。为了分析在升弓过程中接地电阻器对车体浪涌过电压的影响，基于某型动车组构建了高速动车组升弓等效电路模型，仿真分析了车体过电压的分布特性，定量分析了接地电阻器中电阻和电感对升弓过程车体浪涌过电压的影响，为进一步研究车体浪涌过电压提供了理论基础。

动车组；升弓；过电压；接地电阻器；试验

0 引言

铁路作为我国国民经济的大动脉和常用交通工具，近十年来，建设规模和通车里程不断增加，动车组技术也得到大力发展。铁路接地系统是影响铁路运输安全的重要部分，需保证主电路电流和设备外壳及车体产生的感应电流流回到变电所，另外，冲击电压产生时，接地系统还是冲击电流的泄放通道。

列车升弓瞬间，能量在电压互感器的励磁电感和高压电缆线芯与屏蔽层之间的寄生电容间发生振荡，形成过电压。因过电压引发故障的事件屡见不鲜，例如，2008年SS4型机车换端升弓过程中，机车放电间隙铜棒烧毁，同时受电弓与导线间电弧光将接触网设备烧损[1，2]；2010年，SS7E137列车断电降弓，导致车顶放电间隙击穿，且靠近放电间隙处的支撑硅胶绝缘子有明显放电烧伤闪络痕迹。过电压会通过高压电缆屏蔽层和铺设在车顶的电气连接接地点耦合到车体上，形成车体过电压。目前，升弓过电压的研究主要采用试验和仿真相结合的方式[3～5]。经现场试验测试和仿真发现，各车体过电压基本呈振荡衰减形式，电压互感器低压端所接车体的过电压幅值最大，离该车体越远的车体过电压越小。车体过电压与升弓瞬间接触网上牵引电压的相位关系密切，当牵引电压相位为90°和270°时，过电压最大，而当相位为180°和0°时，过电压最小。车体过电压还与电压互感器励磁电感大小有关，励磁电感越大，浪涌过电压的幅值越小[3，4]；日本的相关研究结果表明，动车组接地系统对车体浪涌电压传播特性的影响最大，而接地电阻器是接地系统中的重要设备之一，故分析接地电阻器对研究升弓车体过电压的影响很有必要。

基于某型动车组的接地方式，构建列车升弓的等效电路模型，分别仿真分析接地电阻器中电阻和电感对车体浪涌过电压的影响，为深入研究高速动车组车体浪涌过电压的相关影响因素提供理论基础。

1 动车组主电路结构

该动车组采用动力分散结构，其中8节为一个短编组，前后分为2个动力单元，每个动力单元两动两拖构成T-M-M-T结构，动车组电路结构如图1所示。受电弓安装在4号和6号车体上，动车组在正常运行工况中采用交流传动系统交-直-交的传动方式。受电弓通过接触网受流后，利用高压电缆传输到3、6号车顶，经电压互感器、电流互感器和避雷器高压端，再通过VCB断路器传输到牵引变压器，变压器副边分别连接2、3车或6、7车的整流逆变装置，通过整流逆变后，传输给牵引电动机，驱动动车组运行。主变压器原边低压端连接工作接地，由于动车组升弓时断路器处于断开状态，工作接地已切断电路，在此不再详细讨论。

保护接地仅设置在动车上，即2、3、6、7车。车体通过接地电阻器与接地碳刷相连，防止流过钢轨的电流回流到车体上。

图1 动车组电路结构

2 高速动车组升弓浪涌过电压分析

升弓过程中，车顶铺设的高压电缆产生浪涌过电压，由于该电缆屏蔽层与车顶电气连接，该过电压将通过连接点传播给车体，造成车体过电压，利用Pspice软件建立仿真模型，如图2所示。

图2 仿真模型

图2中各参数如下：根据我国高铁接触网的典型参数，简单链形悬挂下供电臂长度为25 km，接触导线电阻S为4.45W、电感S为35.7 mH、与钢轨间的电容S为0.134 2mF；在高速动车组3、4、5、6车车顶铺设高压电缆，电缆参数为电阻 0.049W/km、电容0.32 µF/km、电感0.17 mH/km，每段长度约为25 m；电压互感器励磁电感为 100.9 H；接地电阻器电阻d为0.5W，其中寄生电感m为20.3mH[6]；经现场测量，碳刷接触电阻t为0.01W，车体电阻C为2.8 mW、车体电感C为0.23 µH，车体间连接电阻j为0.01W。

通过控制开关闭合保证受电弓在电源电压波峰状态时升起，由于车顶高压电缆铺设在3、4、5、6号车，故只考虑在动车组升弓过程中3、4、5、6号车体上产生的浪涌过电压，其仿真结果如图3所示。

图3 各车升弓浪涌过电压分布情况

由图3可以看出，各车体过电压波形基本一致，3、4、5、6车车体过电压幅值分别为8.55、4.3、3.77、3.47 kV；其中3车车体过电压最高，因为升弓时车载主断路器处于断开状态，接入电路的仅有电压互感器和车顶高压电缆，电压互感器低压端连接在3号车顶上，因此，3车车体过电压不仅可由高压电缆屏蔽层耦合而来，还可来自电压互感器，故3车车体过电压最高；各车车体过电压达最大值后，振荡衰减，且振荡周期随时间扩展，但基本在10ms内衰减到500 V左右。

3 试验验证

为测量车顶和钢轨（轨道和车轴是等电位）之间的浪涌电压并验证仿真模型的正确性，进行静态升弓瞬态浪涌电压现场试验，试验原理和装置分别如图4、5所示。测试设备主要包括四通道高速数据采集器、分压器和计算机。车顶和车轴分别连接到分压器的高低压端，分压器输出端连接数据采集器。采样频率设置为20 MHz，每完成一次升弓记录一次数据，共记录20次，最后取最大值。浪涌电压信号波形传输到计算机进行显示，并进行仿真结果验证。

图4 试验原理

图5 测试装置

测得3车车体过电压的波形如图6所示，最大值达到7.91 kV，然后在10 μs内衰减到几百伏。对比实测和仿真波形（图7）可以看出，仿真结果的最大值为8.55 kV，实测值与仿真值相比误差为7.49%，但波形波动和衰减情况基本一致。

经实测，4、5、6车车体过电压遵循3车过电压测试波形相同的趋势，最大值分别为4.12、3.51、3.32 kV，如表1所示。可以看出，各车的实测电压分布情况与模拟结果比较吻合，误差为4.19%～7.49%。出现误差的原因是试验现场的升弓时刻接触网电压相位具有随机性，而模拟的相位是90º，虽然采用多次试验取最大值的方式，但仍然不能保证试验时接触网网压相位和仿真的网压相位完全一致。因此，测试结果值高于模拟结果值是合理的。此外，车体和大地之间的寄生电容在模型中也未被考虑，试验现场环境较为复杂，难以完全模拟。

图6 3车车体过电压实测波形

图7 3车车体过电压仿真波形

表1 最大升弓浪涌过电压实测与仿真结果对比

4 接地电阻器对车体浪涌过电压的影响

车体和轴端之间的接地电阻器可避免电腐蚀、回流和电位浮动的危害，接地电阻器中不仅存在电阻，还存在寄生电感，在本文中，接地电阻可等效为“电阻-电感”的串联电路模型。为了分析接地电阻器对浪涌电压的具体影响，分别改变仿真模型中接地电阻器的等效电阻值和电感值，讨论3车车体浪涌过电压随不同电阻和电感值的变化情况。仿真结果列于表2和表3。为了易于显示过电压的变化趋势，将表2和表3中的数据结果分别用图8（a）和图8（b）表示。

表2 过电压幅值随电感的变化

表3 过电压幅值随电阻的变化

图8 过电压幅值随电感、电阻变化情况

从图中可以看出，当电感从4 μH变化到20 μH时，3车车体浪涌过电压从1.7 kV增加到8.5 kV；当电阻从0.5W变化到4W时，过电压从8.55 kV仅增加到8.62 kV。结果表明，接地电阻器电阻和电感对车体浪涌过电压幅值均有一定程度的影响，随接地电阻器电感或电阻的增大而增大，但电感的影响更大，电阻的影响相对较小，可以忽略。

图9 过电压随电阻器电感的波动情况

图9所示为过电压随电阻器电感的波动情况，可以看出，接地电阻器电感量不仅影响过电压的幅值，还影响过电压的振荡频率，呈接地电阻器电感越小，振荡周期越小的规律。

根据TB/T 3021-2001《铁道机车车辆电子装置》中的第12.2.6节的规定，车载电子设备所能承受的最大浪涌过电压为2 kV[7]，因此接地电阻器寄生电感应控制在3.35 μH以内。

5 结论

本文基于牵引供电系统和动车组实际电路结构，建立升弓车体过电压仿真模型，并利用实测数据对该模型进行验证，分析了动车组接地电阻器对车体过电压的影响，得到如下结论：

（1）高速动车在升弓时，车顶高压电缆屏蔽层耦合是产生车体过电压的根本原因，而接地电阻器的存在将抬升车体电位。各车体过电压波形基本类似，达到最大值后，均呈振荡形式衰减，电压互感器低压端所接的3车车体过电压幅值最大，达到8.55 kV。

（2）试验数据略低于仿真数据，误差率在4.19%～7.49%之间。造成该情况的原因：仿真模型考虑的网压相位是90°，而现场试验时网压相位不可控制。此外，仿真模型未考虑车体与地面钢轨之间的电容。

（3）接地系统的高阻抗将抬高车体浪涌过电压，而接地电阻器中的电感是主要因素，电阻的影响较小基本可以忽略；接地电阻器中的电感不仅影响过电压幅值，还影响过电压的振荡周期，呈电感越大，过电压幅值越大，振荡周期越大的规律。

[1] 杨宾，徐洋. SS4改型机车操作过电压引发的主电路故障[J]. 电力机车与城轨车辆，2008，31（6）：56-58.

[2] 钮承新. 过电压引起电力机车放电间隙击穿原因分析[J]. 电气化铁道，2012，23（1）：24-27.

[3] 聂颖，胡学永. 高速动车组升弓浪涌过电压研究[J]. 机车电传动，2013（4）：9-11.

[4] 杨帅，曹保江，高国强，等. 高速动车组降弓浪涌过电压分析[[J]. 铁道学报，2015（7）：46-50.

[5] 律方成，韩芳，汪佛池，等. 动车组升降弓过电压及抑制措施仿真分析[J]. 高压电器，2016（2）：1-6.

[6] 肖石，闻映红，张金宝，等. 动车组MR-139型接地电阻的阻抗特性[J]. 北京交通大学学报，2013，37（6）：39-44.

[7] B/T 3021-2001 铁道机车车辆电子装置[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

杨盼奎.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，工程师；

贾步超.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，高级工程师。