時速350公里中國標準動車組接地系統性能測試研究

劉寅秋，田 亮

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081）

高速動車組作為一個由多設備和系統集成在一起的整體，其在運行過程中的安全性非常重要。

我國使用的電動車組主要供電制式為工頻單相交流25 kV，為保證主導電回路的工作電流及動車組車體上的電流能通過軌道順利的回流到變電所，并確保車上人員的安全及電子設備的可靠運行，動車組必須具有良好的接地性能。

目前關于動車組接地系統的設計布局并沒有很完善的評價體系和標準依據，主機廠根據自己的實際運用經驗進行設計，各主機廠的接地系統方案也大相徑庭，其中動車組車體保護接地的方式主要包括直接接地和通過電阻接地等。

1 中國標準動車組接地系統性能試驗

為全面了解速度為350 km/h中國標準動車組（以下簡稱中國標準動車組）的各關鍵系統和部件性能，從2015年起在大西客專綜合試驗段等地對首批2列中國標準動車組進行了關鍵系統和部件服役性能試驗，其中首次進行了中國標準動車組接地系統性能試驗。

1.1 中國標準動車組接地系統布局

中國標準動車組的接地系統從功能上分為工作接地和保護接地。工作接地裝置與動車組主變壓器一次側繞組接地端直接相連，工作電流通過接地裝置泄放至鋼軌。保護接地裝置通過電纜直接連接到車體上，車體電流通過保護接地裝置泄放至鋼軌。根據動車組統型要求，中國標準動車組的動車采用齒輪箱方式，拖車采用軸端接地方式，如圖1所示。

圖1 齒輪箱接地（左）和軸端接地（右）

接地布置上，中國標準動車組的工作接地在變壓器車（3、6車）的2、3、4軸通過3個軸端接地裝置冗余接地；1～8車每節車廂所有非工作接地車軸均設保護接地，在車體與保護接地裝置之間設置了接地電阻；每節車體間設置等電位連接電纜，重聯時重聯車鉤上設置等電位連接線，具體接地方式如圖2所示，圖中給出了1～4車的接地布置，5～8車與1～4車的接地呈對稱布置。

圖2 中國標準動車組的接地系統布置

1.2 試驗線路的接地系統

大西客專綜合試驗段牽引供電系統采用AT供電方式。全線采用綜合接地系統，由貫通地線將沿線的牽引供電系統、電力供電系統、信號系統、通信及其他電子信息系統的工作接地、保護接地、防雷接地與建筑物、道床、站臺、橋梁、聲屏障等的結構接地連成一體，構建了整個綜合接地系統。

回流方面，在正線成排供電線支柱上設置了PW線，PW線通過信號扼流圈中點與鋼軌連接，間隔一般不大于1500 m，并接入綜合接地系統。被試動車組在正線上行駛過程中，參與牽引回流的路徑主要包括：鋼軌、PW線、貫通地線及大地回流等。

1.3 試驗數據分析[1]

在現場試驗過程中，在1～4車的接地裝置導流線上安裝了電流傳感器，在1車1位轉向架安裝了車體至軸端的電壓傳感器，在重聯車鉤等電位線上安裝了電流傳感器，信號在車內進行實時采集，同時采集動車組速度、里程、網側電流等信息。

選用350 km/h速度級下的單列和重聯測試數據進行分析，測試過程中使用3車受電弓進行受流。

1.3.1 單列運行時的接地回流

試驗中測試了TC01、M02、TP03、MH04這4節車的接地電流情況，接地電流分布如圖3～圖6所示，圖中以電流有效值的形式給出了動車組在350 km/h恒速區段運行時接地電流分布。

圖3 單列運行1車接地電流

圖4 單列運行2車接地電流

圖5 單列運行3車接地電流

圖6 單列運行4車接地電流

圖中統計值給出了接地電流有效值，實際測試中除統計電流量值外，還通過接地電流與牽引電流相位關系的比較來確定接地軸電流的流向，與牽引電流相位相同則表示接地電流由車體流向鋼軌，相反則表示有鋼軌電流通過接地裝置流回車體，1～4車每個軸接地點的電流相位分布見表1。需要注意的是在動車組運行全程，2車和4車接地電流的流向會隨動車組所處位置不同而發生短時改變。

表1 接地電流與牽引電流的相位差 單位：（°）

從試驗結果中可以總結出如下規律：

（1）所有接地軸電流具有一致的周期性變化規律，其變化周期長度約為1.4 km，通過與大西試驗線軌道電路分布數據對比可知，其變化位置與軌道扼流變壓器布置位置重合。

（2）動車組保護接地電流主要的泄放通道為TC01車的1軸和2軸，在動車組反方向運行時也進行了測試，測試接地電流與正向行駛時大小相似，但大小變化趨勢正好相反。由于動車組接地布置具有對稱性，從試驗結果中可以推斷，行駛過程中TC01車與TC08車的接地電流變化趨勢相反，但接地電流加和與牽引電流的變化趨勢一致，接地電流從更靠近扼流變壓器側的接地軸流出。

（3）TP03車1軸接地電流始終由鋼軌回流至車體，電流有效值約90 A～110 A，由接地布置對稱性可知TP06車1軸也存在同樣的問題。

（4）M02、MH04車接地裝置與車體間安裝了100 mΩ的接地電阻，各軸接地電流較小；TC01車、TP03車接地軸未安裝接地電阻，形成了低阻通路，使牽引電流形成了由TP03、TP06車回流入車體再由TC01、TC08車泄放，車體在動車組運行過程中流動著約250 A的工頻電流，且其流向隨動車組位置的改變而變化。

1.3.2 重聯運行時的補充試驗

試驗過程中，2列中國標準動車組還進行了重聯運行試驗，重聯端為被試動車組的8車與另一車的1車相連，安裝傳感器的TC01車為重聯車頭車，在這種重聯方式下還測試了TC01車的接地回流及重聯車鉤等電位線的接地回流情況，具體測試結果如圖7、圖8所示。

圖7 重聯運行1車接地電流

圖8 重聯運行重聯車鉤等電位線電流

從重聯試驗結果中可以總結出如下規律：

（1）TC01車作為重聯動車組的頭車，接地軸泄放電流有效值較單列下明顯增加，1軸接地電流達到300 A，2軸接地電流約達到280 A。

（2）重聯車鉤等電位線與動車組車體相連，在運行過程中車鉤等電位線形成了兩車之間的導電通路，兩側等電位線電流最大值均約為100 A，在動車組靠近扼流變壓器時兩車之間流通電流最大，在動車組處在兩扼流變壓器中間時兩車之間流通電流較小。

在對CRH380B系列動車組的運用過程中，曾出現因軌道回流不暢、動車組接地點少而產生鋼軌絕緣節拉弧燒損和頭車轉向架傳感器過電壓擊穿等事故［2］，因此在中國標準動車組設計過程中，采用了全軸接地的形式，有效減少了傳感器過電壓擊穿，降低了頭車的車體-軸端電位差，但隨之而來則是出現了頭車接地電流過大，全車接地軸電流分配不均的問題。

2 中國標準動車組接地系統的仿真優化

接地軸電流分配不均會導致接地裝置碳刷磨損不均，對檢修更換帶來影響，同時過多的接地裝置也會增加動車組采購及運用成本。

由于現場試驗中改動車體接地結構操作困難，實施性較差，利用仿真軟件可建立動車組接地系統包括牽引電流、車體等效電路、車體接地保護裝置、工作接地保護裝置以及鋼軌等效電路的仿真模型，從而找到能兼顧回流和過電壓的接地系統優化方案。

2.1 動車組接地系統模型

接地回流建模示意如圖9所示，由于主要研究工頻穩態條件下動車組接地系統性能，用1個交流電壓源直接代替牽引電流模型給動車組供電。為了與現有試驗結果進行對應，仿真過程中采用的線路回流結構為：軌道上每隔1.4 km設置一組扼流變壓器，并通過變壓器中心抽頭設置吸上線，將牽引回流引入架空PW線流回牽引變電所。車輛行駛在無砟軌道上，軌道每1.4 km通過接地線與綜合地線相連。仿真中為了簡化，將3個回流路徑進行集總。建成的統合模型如圖10所示。

圖9 接地回流建模示意圖

圖10 仿真模型

2.2 動車組接地系統仿真優化

由于仿真區間是鋼軌上兩扼流變壓器組成的1.4 km長區間，在仿真過程中分別選取了動車組處于靠近區間邊緣及在區間中部的工況，且車輛在滿負荷條件下運行。統計每種工況下的接地電流、車間連接線電流、車體對地電位（工頻）。

改進方案選擇了2種，第1種是為1、3、6、8車原來直接接地的接地軸分別增加了100 mΩ的接地電阻，使全車保護接地均通過電阻接地；第2種是去掉1、8車的全部接地裝置，車軸懸空。為了使各優化方案具有統一的參照對象，還對原車方案進行了仿真。

各方案的接地電流分布如圖11～圖13所示，電流使用有效值統計，電流正負代表電流的相位與牽引電流的關系，正代表與牽引電流相位相同，負代表與牽引電流相位相反。

圖11 原車方案的接地電流分布

圖11中可以看出，原車方案車輛位于區間中部時牽引回流通過3～6車接地裝置流回車體并向兩側流動，集中從1、8車的1、2軸流入鋼軌；動車組處于區間端部時車體電流趨向從靠近端部一側的接地裝置進行回流。

圖12中可以看出，串聯接地電阻后，1、8車的1、2軸接地電流幅值有了明顯下降，電流有效值是原始配置下的一半左右，同時3、6車的1軸接地裝置由于增加了接地電阻，回流入車內的牽引回流有效值由40 A左右降至了10 A，增加接地電阻確實起到了限值電流流回車體的作用。但增加接地電阻只能改變接地電流的幅值，不能完全阻止接地電流流回車內，車內仍存在環流。

圖12 增加電阻方案的接地電流分布

圖13中可以看出，減少接地軸后，動車組牽引回流通過3～6車保護接地裝置流回車體并向兩側流動，集中從2、7車的1、2軸流出車體。由于去掉1、8車接地裝置，同時2、7車接地裝置安裝有接地電阻，抑制了牽引回流流入車體的電流大小，其最大保護接地電流與加裝接地電阻的方案相當，但是比后者要減少8個接地裝置。

圖13 減少接地點方案的接地電流分布

除接地電流的大小之外，還需要考慮各方案對車體電位抬升的影響。各方案中各車中心位置車體相對鋼軌的電位差的統計結果見表2，統計值為工頻有效值，使用動車組靠近扼流變壓器位置的工況進行仿真。

從表2中可以看出，當1車靠近扼流變壓器時，在3種工況中均為1車電位最高，而不論增加接地電阻或減少接地點，1車對地電位存在著明顯影響，其中減少接地點的影響更大。

表2 各方案車體電位統計 單位：V

綜合來看，增加接地電阻的方案能夠抑制接地電流在車體內流動，且車體穩態電位抬升小于減少接地點的方案；去除頭車接地裝置的方案能夠抑制接地電流，但會明顯提升頭車的穩態車體電位，并且能夠減少全車8組接地裝置及配套電纜。由于仿真值并不能完全表征實際運用中的接地性能表現，各方案的實際效果還需要進一步檢驗。

3 結論

通過對速度350 km/h中國標準動車組接地系統進行試驗研究，基本摸清其接地系統特性，包括單列和重聯時各接地點電流分布，整車牽引回流流向特性等，為今后的研究工作積累了數據。通過對接地系統進行建模仿真，分析了不同接地系統配置下車輛接地回流性能的工頻特性，找出了較為合理的解決現有動車組接地系統接地電流過大問題的方案，下一步需要通過試驗數據來驗證方案合理性。