动车组过绝缘关节燃弧过程暂态仿真研究

分析动车组低速出入动车运用所（库）通过绝缘关节时的燃弧过程，通过建立等效模型并借助Simulink仿真平台，仿真分析了不同网压差对绝缘关节电位差、牵引网暂态过电压的影响。研究结果表明，燃弧与两侧网压差、动车组运行速度及锚段关节设计有关。

0 引言

为满足机械和电气2方面的要求，电气化铁路接触网常采用锚段关节形式实现供电分段。为保证供电灵活性，动车运用所（库）一般由开闭所供电，其与车站站线供电单元保持相对独立，通常在动车走行线设置绝缘关节，以满足供电分段要求。动车组白天由动车运用所（库）出库至正线正常运营，晚上入库接受检修，出入运用所（库）过程中需通过位于动车走行线上的绝缘锚段关节。受供电分段的设计或实际运营过程中的相关因素影响，绝缘关节两端的供电单元可能存在一定的电压波动和电位差，动车组从一个锚段运行到另一个锚段的过程中，受电弓与接触线经历由接触到分离到再接触状态的转换过程，并可能伴随弓网燃弧现象。燃弧的出现不仅会灼烧接触线和受电弓，甚至会导致动车组运行事故[1]。此外，弓网燃弧可能会导致暂态过电压现象，威胁动车组及牵引网运行安全。因此，有必要对动车组通过绝缘关节产生的燃弧问题及其影响进行相关研究。

1 动车组过绝缘关节过程分析

在我国高速铁路的设计和建设中，接触网锚段绝缘关节通常采用四跨、五跨形式。目前，国内已开通运营的高铁线路多采用五跨绝缘关节，分相区段及部分线路区段采用四跨关节及其组合形式[3]。以直线段五跨绝缘关节为例，动车组通过五跨绝缘关节过程如图1所示。

图1中，接触网五跨锚段关节拉出值按照“Z”字形布置。动车组通过绝缘关节过程中，假如动车组由位置b向位置a处运行，受电弓将从b锚段过渡到a锚段，弓网之间的燃弧可能伴随如下几个过程：

（1）受电弓运行于位置b处，逐渐接近a锚段，小于一定距离时，发生空气绝缘击穿，此时弓网间开始出现燃弧；

（2）受电弓运行于B、C绝缘关节中心柱中间等高点处时，将与a锚段接触，在该位置，受电弓同时跨接a锚段与b锚段，两侧接触网可能由电弧导通；

（3）受电弓继续运行，由等高点运行至位置a为上述过程的反向过程，受电弓运行至位置a处，此时受电弓完全通过绝缘关节，并与a锚段完全接触，弓网燃弧熄灭。

为满足日益增长的运营需求，大型车站、始发站附近将设置动车组运用所（库）或停车场，用以停靠更多动车组，且便于车辆日常维护检修。通常情况下，停车场与车站正线和站线均由较近的牵引变电所或开闭所同一母线供电。图2为动车组出、入库过程中牵引网供电简化示意图。

图2中，动车组白天由停车场始发出库，发往车站及正线，晚上返回到停车场接受维修检查，期间均需经过动车走行线区段的绝缘关节。动车组出库过程中，停车场区段列车集中运行，而车站几乎无牵引负荷，接触网绝缘关节两侧容易形成一定的电位差；动车组入库过程同理。当电位差达到一定数值时，受电弓通过绝缘关节过程中会出现持续燃弧现象。图3所示为我国某线路动车组通过绝缘关节过程中实拍的燃弧过程。

2 动车组过绝缘关节燃弧建模

针对图1所示动车组出入库过程中通过五跨绝缘关节发生燃弧，借助Simulink平台建立如图4所示等效模型。

图4中，A()、B()分别表示牵引变电所或开闭所母线电压；s、s表示牵引变压器等值电阻及电感，由于绝缘关节两侧接触网由同一变电所供电，因此两侧电源等值模型参数理论上相等；A、A、A分别表示A侧牵引网等值电阻、电感及电容，B、B、B表示B侧牵引网线路等值参数；AB为五跨绝缘关节耦合电容；m、m为正常运行的动车组等效模型；arc为等效电弧模型，用动态电阻表示。根据我国某线路参数，由经典Carson模型[4]可得图4模型中各参数及其计算值如表1。

模拟动车组出、入库通过绝缘关节燃弧的过程，可通过图4中的开关1、2相互配合实现。假设动车组由A侧向B侧运行表示动车组出库，根据第1节所述的3个过程，开关1闭合、2断开即可等效过程（1），开关1、2均闭合即可等效过程（2），开关1断开、2闭合即可等效过程（3）。调换左右两侧牵引网参数值即可模拟动车组入库过程。

3 动车组过绝缘关节燃弧仿真

动车组入库期间，停车场负载增加，而动车组出库后，停车场基本处于空载状态，这2种情况下均会造成绝缘关节两侧接触网由于负载差异而产生电位差，从而引起弓网燃弧现象。

接触网一跨锚段长度设计约为45～50 m，燃弧主要集中于B、C转换柱中间的区段。动车组入库期间，速度要求不超过10 km/h，出库速度不受限制[1]，但由于出库动车组启动不久，速度一般不会太高。若按照10 km/h的运行速度，通过整个锚段关节时长约1～2 min。

为便于研究绝缘关节两侧电位差对燃弧的影响，设置图4中A、B两侧接触网长度相等，且均取1 km；通过改变两侧电源电压的幅值大小，模拟由不同负载变化下不同电位差引起的燃弧过程。由于接触网额定电压值波动一般不超过2 kV，因此，设置左右两侧电源相位相等，电位差不超过 4 kV。为提高软件运行效率，以下仿真整体缩短各个过程时间，选取等效电弧模型[5]。设置动车组由0时刻开始通过绝缘关节，0.5 s时刻开始出现燃弧，2.5 s时刻熄弧，即2.5 s时刻完全通过绝缘关节，整个燃弧过程持续2 s，总时长取3 s。以两侧电压源额定电压差2 kV为例，仿真得到动车组通过绝缘关节期间电弧波形及暂态电压波形分别如图5、图6所示。

图5为仿真所得电弧电流及电压波形。由电弧电流波形可以明显看到零点时刻的零休状态，与国外弓网电弧试验平台测试电弧特性波形结果一致，由此可认为选取的电弧模型是有效的，图4所示的等效电路仿真模型可用于分析动车组过绝缘关节产生燃弧的过程及影响。

图6所示波形即为动车通过绝缘关节过程中燃弧对接触网电压的影响。图中实线标注0.1～ 0.5 s期间，动车由接触网满载一侧运行，设置接触网额定电压为25 kV，2.5～3 s期间，动车运行到接触网空载一侧，设置接触网额定电压为27 kV；虚线为0.5～2.5 s期间出现燃弧，且选取中间2个周期对电压暂态波形进行放大处理。可以发现，0.5 s时刻，电压出现暂态过电压情况，且幅值达到43.5 kV，2.5 s时刻电弧熄灭，此时过电压值也达到41.2 kV，高于额定电压，且燃弧期间接触网电压谐波畸变率为9%。结果表明，动车通过绝缘关节期间，电弧是引起暂态过电压及电压波形畸变的重要原因。

按照以上设置，改变绝缘关节两侧电压幅值，可得如表2所示不同额定电压差对绝缘关节两锚段间耦合电位差、暂态过电压的影响。

表2中，当网压差为4 kV时，绝缘关节电位差达到11.7 kV，此时瞬态过电压最大为45 kV；而网压差为零时，由于锚段关节之间的电容耦合作用，两侧电位差为7.6 kV，此时过电压幅值最小为41.7 kV。本文的仿真仅考虑2 s内的持续燃弧，实际动车出入库期间通过绝缘关节需要1～2 min，燃弧持续时间可能更久，过电压可能伴随整个过程。

从以上研究可以发现，动车通过绝缘关节过程中，燃弧不仅与两侧网压差有关，还与动车组通过绝缘关节时间有关，即与动车组通过速度及绝缘关节设计相关。因此，平衡绝缘关节两侧牵引网负载、采用较短绝缘关节设计及适当提高动车组通过速度均可在一定程度上减少燃弧现象。

4 结语

动车组通过绝缘关节期间，受电弓从一个锚段跨接到另外一个锚段，弓网之间出现分离—再接触过程，电弧将随之产生。尤其是在车站与动车运用所之间，由于负荷差异大，列车通过速度低，弓网燃弧现象更加明显。弓网燃弧不仅会烧损受电弓与接触线，同时可能会造成长时间的持续过电压，威胁牵引网及动车组运行安全。通过仿真分析，模拟了不同网压差对绝缘关节电位差、牵引网暂态过电压的影响。结果表明，从绝缘关节设计、动车组通过速度及牵引供电负荷分配3个角度进行优化，可减小动车组通过绝缘关节时的燃弧率，有助于提高高速铁路运营的安全性。

[1] 李振华，王成柱，曹鸿昌. 天津西动车走行B线动车组自动降弓问题分析[J]. 电气化铁道，2017，28（3）：49-52.

[2] 黄河. 高速电气化铁道接触网锚段关节施工关键技术[J]. 电气化铁道，2008（5）：35-37.

[3] 田广辉. 接触网绝缘锚段关节布置方式研究[J]. 高速铁路技术，2012，3（5）：43-46.

[4] 李群湛，贺建闽. 牵引供电系统分析[M]. 成都：西南交通大学出版社，2012.

[5] Wang Y，Liu Z G，Mu X Q，et al．An Extended Habedank’s Equation-Based EMTP Model of Pantograph Arcing Considering Pantograph-Catenary Interactions And Train Speeds[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，2016，31(3)：1186-1194.

[6] Midya S，Bormann D，Schutte T，et al．Pantograph Arcing in Electrified Railways-Mechanism And Influence of Various Parameters-Part II: with AC Traction Power Supply[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24(4)：1940-1950.

By analyzing the arcing process under passing through the insulated overlap section by EMU in a low speed as it enters into or departs from the EMU operation deport (shed), and by means of establishing the equivalent model, being assisted with Simulink simulation platform, the influences to the insulated potential difference and traction network transient over-voltage caused by different network potential differences are simulated and analyzed. The researching results show that the arcing relates to the network potential differences at both sides of network, running speed of EMU and design of overlap section.

李红梅.中铁第四勘察设计院集团有限公司，教授级高级工程师。