動車組過吸上線時保護接地電流分布特性

高國強，鄭 玥，曹保江，袁德強，張國芹

(1.西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031；2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130000)

高速鐵路運輸作為我國國民經濟運輸的一大動脈和常用交通工具，近10年來，建設規模和運營里程不斷增加，動車組技術也得到大力發展，逐漸形成了CRH1、CRH2、CRH3、CRH5等系列動車組。動車組的接地系統是影響其安全運營的重要環節。接地系統不僅要保證主電路電流、設備外殼及車體產生的感應電流通過鋼軌回到變電所，還是雷擊、短路等沖擊電流發生時的核心泄放通道，如果保護接地電流過大，軸承兩端電位增加，甚至引起絕緣擊穿，引發軸承電腐蝕[1-2]。

為抑制保護接地電流，減少軸承電腐蝕，國內外學者進行了大量研究。文獻[3]提出在軸承和車體間添加隔離電阻的方法。文獻[4-5]對該地電阻器的大小進行了研究，建議使用0.5 Ω的電阻。該方法雖然能一定程度上抑制接地電流，卻在動車組升降弓、過電分相，以及雷電流侵入動車組等發生沖擊電壓的情況下抬高了車體電勢，給車載電子設備和信號系統正常工作造成影響[6-10]。保護接地電流的分布特性是接地系統設計的基礎，對此，文獻[11-12]分析了在直供和AT供電方式時，動車組在直接接地方式、不同阻值下和不同接地保護方案下的接地電流分配特性。

我國的電氣化牽引供電系統中，為平衡鋼軌回流和降低牽引電流在鋼軌線路上的感應電壓，設置橫向連接線和吸上線，部分牽引電流經過與之相連的吸上線直接回到變電所[13-14]。運營經驗表明，在動車組各車體輪對經過吸上線時，大部分電流可能直接通過最靠近吸上線的接地點到吸上線，返回變電所，此時各車體的保護接地電流分布情況有所變化，目前未見該方面的研究報道。為了研究動車組過吸上線時，各保護接地電流的變化情況，本文利用PSPICE建立動車組過吸上線時的動態仿真模型，利用實測數據和仿真結果對比驗證模型的可靠性，分析過吸上線時保護接地電流幅值和相位的變化規律，并提出了相應抑制措施，對完善動車組接地系統設計提供理論基礎。

1 牽引回路及高速動車組電路結構分析

我國鐵路牽引供電系統主要采用直供加回流和AT供電模式，本文主要研究直供加回流供電模式下的情況。牽引電流給動車組供電后通過鋼軌與回流線并聯的通路回到變電所，吸上線為鋼軌與回流線的并聯連接線，根據《高速鐵路信號施工質量驗收標準》[15]和《高速鐵路設計規范》[16]規定，吸上線距離應不小于1.2 km，且不宜大于1.5 km。

該型動車組為動力分散、交流傳動電動車組。其中8輛為一個編組，采用4動4拖(2、4、5、7車為動車，1、3、6、8車為拖車)。受電弓設置在2、7車車頂，但只有一個受電弓受流，另一個因作為備用而處于折疊狀態。動車組主電路圖如圖1所示，牽引電流由受電弓進入動車組后，通過一系列高壓設備，如避雷器、電壓互感器、電流互感器后分流，一邊直接經過主斷路器供給車的主變壓器，另一邊需要經過高壓電纜傳到另一變壓器車，再經過斷路器到主變壓器一次側，整流逆變后傳送到牽引電機，驅動列車運行；變壓器一次側末端連接工作接地，即2、7車2軸左側、3軸右側，如圖2虛線所示，牽引電流通過工作接地導通到鋼軌上，最后回流到變電所。為在車體產生浪涌電壓時，提供泄流通道，在1、3、4、5、6、8車均設置接地點，根據文獻[17]規定，保護接地至少設置兩路，即可均在1軸左側、4軸右側，直接通過長度約為1 m、線徑為95 mm2的接地電纜將車體端部和軸端連通，最后從車軸上的接地碳刷入地。

圖1 動車組主電路圖

圖2 保護接地與工作接地

2 動車組過吸上線時保護接地電流分析模型

牽引變電所提供27.5 kV牽引供電電壓，經單相接觸網傳遞到動車組受電弓，經車載變壓器降壓后，再整流、逆變傳遞給牽引電機，牽引電流通過變壓器低壓端連接的工作接地回流至鋼軌、回流線，最終返回到變電所。利用Pspice軟件建立動車組過吸上線時各車體保護接地電流分布情況的仿真模型，如圖3所示。

本模型采用TRNF供電模式，根據我國高速鐵路的典型參數，簡單鏈型懸掛下供電臂長度為25 km，接觸網導線電阻值RS為4.975 Ω，電感值LS為35.7 mH，對地電容Cs為0.081 μF。如圖1所示，牽引電流隨受電弓進入動車組后，經過避雷器RMOA、電壓互感器Lm高壓端和電流互感器，由于正常工況下避雷器RMOA不會動作，可考慮成斷路，而電流互感器阻抗較小，可以忽略，Lm取100.9 H。該型動車組主斷路器在高壓電纜之前，先通過斷路器然后分流，一端直接連接主變壓器，一端經過高壓電纜到另一個變壓器車上的主變壓器。高壓電纜鋪設在3、4、5、6、7車頂上，其參數為電阻率0.05 Ω/km、電感率0.17 mH/km，線芯與屏蔽層之間的電容為0.32 μF/km，由于屏蔽層與車頂電氣相連，設有連接點。每節車廂25 m，每節車廂上高壓電纜Rg=1.25 mΩ，Lg=4.25 μH，線芯與屏蔽層之間Cg=0.008 μF。

圖3 動車組過回流線保護接地電流分析模型

動車組額定功率約為5.6 MV·A，車上設置兩個牽引變壓器，每個牽引變壓器的容量為2.8 MV·A，標稱電壓為25 kV，次級額定電壓為1 550 V。變比k=16.13，等效到兩副邊負載均為

( 1 )

變壓器原邊末端連接2、7車工作接地，工作接地電纜Zax分兩套并聯安裝，直接連接到軸端接地碳刷Ztx。避雷器和電壓互感器低壓端接在2車車頂，車體參數Zcx可通過現場實測所得，各車體車底通過等勢線相連，車間連接電阻為Zj，除2、7車外，其他車均接有保護接地，即通過約1 m長的保護接地電纜Zlx與軸端的接地碳刷Ztx相連，通過輪對與鋼軌的接觸入地。

圖4 電路開關動作時序

用開關Kx模擬動車組過吸上線過程，設動車組向變電所方向運行，速度為300 km/h，0.3 s經過一節車廂，以1車車廂開始過吸上線開始模擬，設置K1初始狀態為閉合，其他斷開，0.15 s時K2閉合，0.3 s時刻K1斷開，用K1和K2共同導通模擬吸上線從1車車頭到1車車尾的過程；各開關動作時序如圖4所示。

各吸上線距離設置為1.5 km，Zg1和Zh分別為鋼軌和回流線的阻抗，ZG為每個吸上線之間的鋼軌阻抗，Csg和Chg分別為接觸線和回流線的對地電容。

3 過吸上線保護接地電流分析

3.1 過吸上線保護接地電流的仿真結果

動車組接地系統具有對稱性，為了驗證保護接地電流同時也具有對稱性，對1、3、4、8車的保護接地電流進行分析，各車體保護接地電流的分布和變化情況如圖5所示，其電流最大值局部放大圖如圖6所示。

圖5中，各車的保護接地電流隨其接地系統與吸上線距離的增減而變化，由于在仿真中吸上線與動車組相對位置的變化為非連續性的，所以波形出現分層現象。其中1、3、4、8車1、4軸的保護接地電流最大值分別為169.96、65.12、80.12、83.48、79.16、80.8、64.87、170.0 A，兩頭車靠動車組車頭位置的保護接地電流幅值最大；1車1軸電流幅值高于4軸，3、4車4軸電流幅值高于1軸,即對于同一車體距工作接地越遠保護接地點的電流幅值越大；8車1、4軸與1車4、1軸保護接地的電流變化情況對稱，可驗證動車組保護接地電流的對稱性，故只對1、3、4車的保護接地電流情況進行分析。

圖5 各車保護接地電流接地變化

1車保護接地電流最大值出現時間超前于3、4、8車 ，各車1軸保護接地電流最大值出現的時間超前于4軸，且均出現在該接地點所在輪對經過吸上線時刻，由于3車4軸和4車1軸距離較近，其保護接地電流最大值出現的時刻幾乎一致。圖5(a)中，1車兩保護接地電流變化趨勢一致，先隨著吸上線的靠近增加到最大值后衰減，再增大。圖5(b)中3車的1軸保護接地電流與1車保護接地電流變化趨勢一致，4軸保護接地電流先隨吸上線的靠近先降低，在該軸經過吸上線時增大到最大值然后衰減。4車兩保護接地電流變化情況與3車基本一致。

圖6所示為各車保護接地電流最大值時的波形，1車保護接地在2車工作接地的左邊，3、4車保護接地在2車右邊。圖6(a)中，當1號車體1軸經過吸上線時，1軸保護接地上升到最大值，此時1車4軸的保護接地電流相位和1軸電流相位不同步，4軸滯后1軸約180°，即從4軸流入的電流,全部從1軸流出；而當1車4軸經過吸上線時，1軸和4軸保護接地電流相位一致，即電流從其他車接地點流入以后，通過該車兩接地點流出，至吸上線；從圖5(b)和圖5(c)可以看出，3、4車1軸過吸上線時，1軸和4軸保護接地電流相位一致，而當3或4車4軸過吸上線時，3、4車1軸的保護接地電流相位和4軸電流相位約相差180°，即從1軸流入的電流，基本全部從4軸流出，故3、4車1、4軸經過吸上線時的電流相位變化情況大致與1車相反。

圖6 各車保護接地電流變化局部放大圖

3.2 過吸上線時保護接地電流的實測波形

通過現場測試驗證過吸上線時保護接地系統電流的仿真結果。某型動車組接地系統如圖2所示，測試原理圖如圖7所示，現場試驗如圖8所示，包括電流鉗、1 000 Hz的數據采集器、PC機。用電流鉗夾緊接地電纜測得電流，傳遞給數據采集器，并存儲在電腦里。由于整個動車組的對稱性，只對1、3、4車的保護接地電流進行測試。

圖7 測試原理圖

圖8 現場試驗

圖9所示為1車和4車的保護接地電流實測波形，頭車保護接地電流最大，各車保護接地電流整體呈先增大后減小的趨勢，且最大值出現時間與接地點所在車軸過吸上線的先后順序一致。1車1、4軸保護接地電流分別在點288 059和點288 508處為最大值161.58 A和69.7 A，3車1、4軸保護接地電流在點288 907和點289 297處有最大值81.81 A和82.13 A；4車1、4軸保護接地電流分別在點289 316和點289 677處有最大值78.53A和79.85 A。該動車組運行速度為270～350 km/h，數據采集器采集頻率為1 000 Hz，每1 ms采集一個點，1車1軸到4軸保護接地電流最大值間隔約449 ms, 3車1軸到4軸保護接地電流最大值間隔約390 ms, 4車1軸到4軸保護接地電流最大值間隔約361 ms,均相當于動車組前進1個車廂的距離所需時間；1車4軸到3車1軸保護接地電流最大值間隔約399 ms，相當于動車組前進2個車廂的時間；3車4軸到4車1軸保護接地電流最大值時間接近，因為該兩接地點距離較小。因此可以通過實測數據判斷出動車組各車體保護接地電流吸上線時的最大值出現在該車軸經過吸上線時刻。

圖9(b)所示為3車1、4軸分別經過吸上線時該車兩軸保護接地電流的變化情況?？梢钥闯觯?車1軸經過吸上線時，1、4軸保護接地電流相位一致，而4軸經過吸上線時，1、4軸保護接地電流相位相反，與仿真結果基本一致。

圖9 各車保護接地電流實測波形

3.3 實驗結果與仿真結果的對比

動車組過吸上線時，各車體電流波形和現場實測電流波形如圖5和圖9所示，仿真結果最大值對比見表1?？梢钥闯觯鬈嚤Ｗo接地電流出現最大值順序相同，時間間隔吻合，1車1、4軸和3、4車1軸保護接地電流均為先增長到最大值后衰減，又增大，3、4車4軸保護接地電流增大到最大值后就直接衰減；各車體保護接地電流實測和仿真波形分布的基本一致。最大值誤差較小，其范圍在0.2%～6.5%內，可以驗證仿真波形中幅值的準確性。

表1 實驗結果與仿真結果的對比

為驗證仿真波形相位的準確性，需對波形進行細節分析，由于1車1軸通過吸上線時，1車1軸和4軸的幅值相差較大，不易直觀觀察二者相位差；3、4車通過吸上線時電流變化的情況類似，可只對3車1、4軸通過吸上線時的兩保護接地電流波形進行詳細分析。由以上分析可知：在現場實測數據中，3車1、4軸保護接地電流分別在點288 907和點289 297處有最大值81.81 A和82.13 A，故3車1軸通過吸上線約在288 907點處，4軸通過吸上線約在289 297點處。該兩點附近的3車保護接地電流波形如圖10所示。

圖10 3車保護接地電流實測波形局部放大圖

圖10所示為3車1、4軸分別經過吸上線時該車兩軸保護接地電流的變化情況?？梢钥闯?，3車1軸經過吸上線時，1、4軸保護接地電流相位一致，而4軸經過吸上線時，1、4軸保護接地電流相位相反，與仿真結果基本一致。通過仿真和實驗波形幅值與相位的對比，可以驗證仿真模型的可靠性。

4 保護接地方式改進

動車組過吸上線時，頭車的保護接地電流較大(1車1軸，8車4軸)，約超過其他車的2倍，當1號車體1軸經過吸上線時，1車4軸的保護接地電流與1軸電流相位相反，即4軸電流增加了1軸的電流；為降低各車保護接地電流，尤其是頭車，可以考慮將1車的保護接地點設置在1軸左邊、2軸右邊，將8車保護接地設置在3軸右邊、4軸左邊。3、4車保護接地設置在3、4軸，5、6車保護接地設置在1、2軸。由于改進后的同一車體上的兩保護接地點對應的輪對較近，故只對1車1軸，3、4車4軸的保護接地電流進行仿真分析。鑒于接地電阻器能降低保護接地電流，且在升降弓、過電分相以及雷電流侵入動車組時，頭車的過電壓相比其他車較小，可考慮只在頭車保護接地上加電阻器，進一步降低1車的保護接地電流[18-19](圖11)。在改進接地點的基礎上，接地電阻器阻值不同時，各車體保護接地電流變化情況見表2,表2中阻值為0 Ω時表示此時只優化了接地點，采用直接接地方式，未使用接地電阻器。

圖11 改進接地系統

阻值/Ω1車/A3車/A4車/A0108.443.333.20.0172.140.231.00.0255.839.030.60.0530.738.629.70.0720.138.529.40.112.738.129.30.211.038.129.3

由表2可以看出，僅優化接地點時，1車1軸，3車4軸和4車4軸的保護接地電流均能得到有效抑制，分別為108.4、43．3、33．2 A。在1、8車添加接地電阻器后，各車體保護接地電流先隨接地電阻阻值的增大而減小，但是當電阻值大于0.1 Ω時，保護接地電流幅值變化較小，故考慮在1、8車上采用0.1 Ω的接地電阻器，此時各車保護接地電流波形如圖12所示。

優化接地方式后，1、3、4車保護接地電流幅值分別為12.7、38.1、29.3 A。對比未改進接地系統時，1車電流下降最大為88%，3、4車的保護接地電流幅值分別下降了約13%、12%，有效抑制了由于動車組過吸上線時電流的增長，且接地電阻器的引入對1車(8車)的電流抑制作用大于其他車。

圖12 接地電阻為0.1 Ω時各車保護接地電流

5 結論

本文建立動車組過吸上線模型，仿真分析過吸上線時保護接地電流的變化情況和幅值大小，與實測數據進行對比，并提出了有效抑制措施，得到以下結論：

(1)高速動車組過吸上線時，保護接地電流變化明顯，且均在保護接地的輪對經過吸上線時，電流達到最大值，且兩頭車靠動車組車頭位置的保護接地電流幅值最大；在同一車體上，距工作接地較遠(1、3、4車和2車工作接地對比，5、6、8車和7車工作接地對比)的接地點電流幅值大于較近的；由于接地系統的對稱性，保護接地電流也呈對稱性。

(2)高速動車組過吸上線時，各車體保護接地電流的相位變化有一定的規律：如果車體在工作接地左邊(1、3、4車和2車工作接地對比，5、6、8車和7車工作接地對比)，1軸的輪對經過吸上線時，1、4軸保護接地電流相位相差約180°，即從4軸流入的電流，僅部分從該車1軸流出；4軸的輪對經吸上線時，1、4軸保護接地電流相位一致；如果車體在工作接地右邊，則大致相反。在同一車體上距工作接地較遠的接地點對應的輪對經過吸上線時，該車體兩接地點電流相位不同，即電流從距離工作接地較近的接地點流入后，全部或僅部分從距離工作接地較遠軸對應的接地點流出；較近接地點對應的輪對經過吸上線時，該車體兩接地點電流相位相同，即電流由其他車接地點流入后，通過該車的兩接地點流出。

(3)將保護接地點優化到距離工作接地較遠處，即1車接地點設置在1、2軸，3、4車接地點設置在3、4軸(5、6、8接地系統與之對稱)，并將1車由直接接地方式改為經電阻器接地方式，電阻值設置為0.1 Ω，能有效抑制動車組過吸上線時的保護接地電流。