接触网断线落在司机室车体的过电压仿真分析

徐跃，冯玉明，白刚，王富强

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000；2.中国电子科技集团公司第三十三研究所，山西 太原 030032）

项目名称：山西省重点研发计划国际科技合作项目。

项目号：201803D421001。

动车组列车在高速运行的过程中，接触网承受着巨大的拉力和摩擦力，弓网离线产生的弓网电弧以及电流的热效应，再加上风雨和大气环境的腐蚀，接触网导线长期磨损，机械强度下降到一定程度时，会发生断线。接触网断线后接地，使牵引变电所相应供电臂触发保护动作，断路器跳闸，供电系统中断，铁路行车中断，对铁路工务、电务、通信等设备造成不同程度的损害和影响。接触网断线后未接地，牵引变电所保护不发生动作，断路器未跳闸，接触网还在供电，导线悬于铁路线路上方，动车组经过时搭接到车顶导致高压短路，在车体表面形成过电压，会对车内人员和设备的安全性会造成潜在隐患。为了评估接触网断线落在司机室车顶时车体过电压对车内设备和人员的安全性，本文分析了动车组主电气回路，建立了车体过电压电路模型，通过仿真分析了接触网断线落在动车司机室车顶时司机室车体不同位置浪涌过电压的传输特性，为司机室车体的过电压防护设计提供了理论依据。

1 动车组主电路分析

该型动车组为4动4拖（T—M—T—M—M—T—M—T）8辆编组，有两个基本牵引动力单元，每个基本牵引动力单元由2个动车和2个拖车组成。每个动车有1个带牵引控制单元的牵引变流器，以及4个并联的牵引电动机。正常运行时，列车采用单弓受流，另一受电弓处于折叠状态。受电弓位于3号车和6号车上方，其中2、4、5、7为动力车，1、3、6、8为拖车。1、2、3、4车和5、6、7、8车为两个独立的动力单元，每个牵引传动单元主要包括受电弓、牵引主变压器、变流器和牵引电动机。

主电路回路如图1所示，动车组正常工作时，通过3号车（或6号车）受电弓从接触网滑动受流获得27.5kV，50Hz的单相交流电（另一个受电弓折叠处于备用状态），牵引电流通过断路器后传输到牵引主变压器的原边绕组，主变压器的牵引绕组分别向各自的变流器分配要求的功率和规定的电压，牵引功率经过变流器先整流再逆变，最后，传输至牵引电动机。电动机再将电能转换为机械能，进而驱动高速列车前进。主电路中出现的避雷器、电压互感器、电流互感器等是作为保障高速动车组行车安全的高压设备，时刻保护着动车组免受过电压危害、监测工作电压电流，保证列车的正常行驶。

图1 动车组主电路图

高速动车组接地系统主要包括两部分，即主电气回路的工作接地和车体保护接地。工作接地是指受电弓从接触网受流，通过高压电缆流经避雷器、电压互感器、电流互感器、主断路器传输到车载牵引变压器一次侧，变压器一次侧末端输出点直接与工作接地装置连接，工作接地装置通过接地碳刷与车轴上的集电环相连，车轴通过轮对连接到钢轨，经由地线回流至牵引变电所。保护接地是指将车体通过接地装置连接到钢轨上，保护列车上的人员和设备在故障或不同工况状态下免受高电压的伤害，为传播到车体上的过电压大电流提供泄放通道。

该型动车组的牵引变压器位于3车和6车，工作接地点分散安装在各车车底转向架下面的轮对上。单节车厢前、后转向架各自的两对轮对中，一对为工作地，另一对为安全地。为防止牵引电流串入车体，在车体正下方安装了接地电阻，采用接地电缆连接接地电阻和转向架轴端，以实现车体接地。

2 仿真模型构建

动车组过电压模型由供电系统和动车组两部分组成。供电系统由牵引变电所、馈线、接触网、钢轨、回流线组成。牵引变电所供电电压为27.5kV。考虑简单链型悬挂直接供电方式的单线电气化铁路牵引网，基于Carson理论，等效电阻、电感、对地电容分别为3.4Ω、0.0341mH和0.283μF。动车组模型包括高压电缆、车载动力系统、车厢和接地系统。高压电缆型号为TENAX-Train-Plux，受电弓到主断路器之间高压电缆长度约为2m，高压电缆铺设在3到6车，其中3车和6车的高压电缆长20m，4车和5车的高压电缆长26m。单位长度电缆的电阻、电感、电容分别为0.2mΩ/m、0.17μH/m和0.32μF/m。车厢模型等效为由横向和纵向的电阻、电感组成的环形电路，查阅文献[7，8]可知铝合金车体横向电阻为12.8mΩ、电感为5.78µH，纵向电阻为2.8mΩ、电感为0.61µH。该型动车采用串联电阻器的接地方式，接地电阻安装在车厢的正下方，电阻值为50mΩ，然后，由12m的接地电缆分别连接在车底前后的两个转向架轴端，等效电阻和电感分别为2.4mΩ和2.04μH。此外，接地碳刷处的电阻约为5.03mΩ。据此得到动车组升降弓过电压仿真模型如图2所示。

图2 动车组过电压仿真模型

虚线圆圈部分表示接触网在断点处断开，然后，落在司机室（1号车）车顶。模型中的A、B、C、D、E、F点为电压探针的位置，分别表示司机室车厢车顶前端、车顶后端、车底前端、车底后端四个端点和车底前后轮的两个接地碳刷。

3 仿真结果分析

供电电源为27.5kV的工频正弦波，设置接触网落在司机室车顶瞬间网压相位角为90°，车体不同位置浪涌过电压仿真结果如下。

由上图可知，司机室车体不同位置的浪涌过电压变化趋势基本一致，在200μs内快速衰减，之后在小范围内波动。接触网导线落在司机室车体瞬间，车顶前端（A点）电位瞬间升高，最大电压达到了22kV；然后，过电压沿横向和纵向传播，在车顶后端和车底前端，最大电压分别达到了17kV和19kV；前轮和后轮的接地碳刷靠近钢轨（大地），过电压电位较小，最大幅值约为130V。司机室车体全长26m，车厢高度约为4m，由此计算得到过电压横向传输衰减速度为192.3V/m，纵向传输衰减速度为750V/m。车体为各向同性的铝合金材质，车体横向长度大于纵向长度且接地端位于车底，所以纵向过电压衰减速度快于横向衰减速度。根据铁标TB/T3021-2001《铁道机车车辆电子装置》中的第12.2.6条的规定，车载电子设备所能承受的最大浪涌过电压为2kV，小于车体浪涌过电压，可能对车内电子设备造成损坏。人在站立状态的身高和臂展约为2m，人体电阻约为2000Ω，2m长铝合金车体的电阻约为1.4mΩ，压降约为1.5kV，此时，通过人体的电流约为0.5μA，不会对人体造成安全隐患。

图3 升弓司机室车体过电压仿真波形

4 结语

通过分析动车组主电气回路，建立了车体过电压电路模型，并仿真求解了接触网断线落在动车司机室车顶时司机室车体不同位置浪涌过电压的传输特性，具体结论如下：（1）接触网导线落在司机室车体会导致车体电位瞬间升高，由于接触网对地电容、车体电感和电阻的存在，过电压发生震荡并在短时间内快速衰减。（2）车体为各向同性的铝合金材料，车体横向长度大于纵向高度且接地端位于车底，所以，车体过电压沿车体纵向的衰减速度要快于沿横向的衰减速度。（3）接触网断线落在司机室车体产生的浪涌过电压可能对车内电子设备造成损坏，但是，对人体不存在安全隐患。