动车组过吸上线时保护接地电流分布特性

高国强，郑 玥，曹保江，袁德强，张国芹

(1.西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031；2.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130000)

高速铁路运输作为我国国民经济运输的一大动脉和常用交通工具，近10年来，建设规模和运营里程不断增加，动车组技术也得到大力发展，逐渐形成了CRH1、CRH2、CRH3、CRH5等系列动车组。动车组的接地系统是影响其安全运营的重要环节。接地系统不仅要保证主电路电流、设备外壳及车体产生的感应电流通过钢轨回到变电所，还是雷击、短路等冲击电流发生时的核心泄放通道，如果保护接地电流过大，轴承两端电位增加，甚至引起绝缘击穿，引发轴承电腐蚀[1-2]。

为抑制保护接地电流，减少轴承电腐蚀，国内外学者进行了大量研究。文献[3]提出在轴承和车体间添加隔离电阻的方法。文献[4-5]对该地电阻器的大小进行了研究，建议使用0.5 Ω的电阻。该方法虽然能一定程度上抑制接地电流，却在动车组升降弓、过电分相，以及雷电流侵入动车组等发生冲击电压的情况下抬高了车体电势，给车载电子设备和信号系统正常工作造成影响[6-10]。保护接地电流的分布特性是接地系统设计的基础，对此，文献[11-12]分析了在直供和AT供电方式时，动车组在直接接地方式、不同阻值下和不同接地保护方案下的接地电流分配特性。

我国的电气化牵引供电系统中，为平衡钢轨回流和降低牵引电流在钢轨线路上的感应电压，设置横向连接线和吸上线，部分牵引电流经过与之相连的吸上线直接回到变电所[13-14]。运营经验表明，在动车组各车体轮对经过吸上线时，大部分电流可能直接通过最靠近吸上线的接地点到吸上线，返回变电所，此时各车体的保护接地电流分布情况有所变化，目前未见该方面的研究报道。为了研究动车组过吸上线时，各保护接地电流的变化情况，本文利用PSPICE建立动车组过吸上线时的动态仿真模型，利用实测数据和仿真结果对比验证模型的可靠性，分析过吸上线时保护接地电流幅值和相位的变化规律，并提出了相应抑制措施，对完善动车组接地系统设计提供理论基础。

1 牵引回路及高速动车组电路结构分析

我国铁路牵引供电系统主要采用直供加回流和AT供电模式，本文主要研究直供加回流供电模式下的情况。牵引电流给动车组供电后通过钢轨与回流线并联的通路回到变电所，吸上线为钢轨与回流线的并联连接线，根据《高速铁路信号施工质量验收标准》[15]和《高速铁路设计规范》[16]规定，吸上线距离应不小于1.2 km，且不宜大于1.5 km。

该型动车组为动力分散、交流传动电动车组。其中8辆为一个编组，采用4动4拖(2、4、5、7车为动车，1、3、6、8车为拖车)。受电弓设置在2、7车车顶，但只有一个受电弓受流，另一个因作为备用而处于折叠状态。动车组主电路图如图1所示，牵引电流由受电弓进入动车组后，通过一系列高压设备，如避雷器、电压互感器、电流互感器后分流，一边直接经过主断路器供给车的主变压器，另一边需要经过高压电缆传到另一变压器车，再经过断路器到主变压器一次侧，整流逆变后传送到牵引电机，驱动列车运行；变压器一次侧末端连接工作接地，即2、7车2轴左侧、3轴右侧，如图2虚线所示，牵引电流通过工作接地导通到钢轨上，最后回流到变电所。为在车体产生浪涌电压时，提供泄流通道，在1、3、4、5、6、8车均设置接地点，根据文献[17]规定，保护接地至少设置两路，即可均在1轴左侧、4轴右侧，直接通过长度约为1 m、线径为95 mm2的接地电缆将车体端部和轴端连通，最后从车轴上的接地碳刷入地。

图1 动车组主电路图

图2 保护接地与工作接地

2 动车组过吸上线时保护接地电流分析模型

牵引变电所提供27.5 kV牵引供电电压，经单相接触网传递到动车组受电弓，经车载变压器降压后，再整流、逆变传递给牵引电机，牵引电流通过变压器低压端连接的工作接地回流至钢轨、回流线，最终返回到变电所。利用Pspice软件建立动车组过吸上线时各车体保护接地电流分布情况的仿真模型，如图3所示。

本模型采用TRNF供电模式，根据我国高速铁路的典型参数，简单链型悬挂下供电臂长度为25 km，接触网导线电阻值RS为4.975 Ω，电感值LS为35.7 mH，对地电容Cs为0.081 μF。如图1所示，牵引电流随受电弓进入动车组后，经过避雷器RMOA、电压互感器Lm高压端和电流互感器，由于正常工况下避雷器RMOA不会动作，可考虑成断路，而电流互感器阻抗较小，可以忽略，Lm取100.9 H。该型动车组主断路器在高压电缆之前，先通过断路器然后分流，一端直接连接主变压器，一端经过高压电缆到另一个变压器车上的主变压器。高压电缆铺设在3、4、5、6、7车顶上，其参数为电阻率0.05 Ω/km、电感率0.17 mH/km，线芯与屏蔽层之间的电容为0.32 μF/km，由于屏蔽层与车顶电气相连，设有连接点。每节车厢25 m，每节车厢上高压电缆Rg=1.25 mΩ，Lg=4.25 μH，线芯与屏蔽层之间Cg=0.008 μF。

图3 动车组过回流线保护接地电流分析模型

动车组额定功率约为5.6 MV·A，车上设置两个牵引变压器，每个牵引变压器的容量为2.8 MV·A，标称电压为25 kV，次级额定电压为1 550 V。变比k=16.13，等效到两副边负载均为

( 1 )

变压器原边末端连接2、7车工作接地，工作接地电缆Zax分两套并联安装，直接连接到轴端接地碳刷Ztx。避雷器和电压互感器低压端接在2车车顶，车体参数Zcx可通过现场实测所得，各车体车底通过等势线相连，车间连接电阻为Zj，除2、7车外，其他车均接有保护接地，即通过约1 m长的保护接地电缆Zlx与轴端的接地碳刷Ztx相连，通过轮对与钢轨的接触入地。

图4 电路开关动作时序

用开关Kx模拟动车组过吸上线过程，设动车组向变电所方向运行，速度为300 km/h，0.3 s经过一节车厢，以1车车厢开始过吸上线开始模拟，设置K1初始状态为闭合，其他断开，0.15 s时K2闭合，0.3 s时刻K1断开，用K1和K2共同导通模拟吸上线从1车车头到1车车尾的过程；各开关动作时序如图4所示。

各吸上线距离设置为1.5 km，Zg1和Zh分别为钢轨和回流线的阻抗，ZG为每个吸上线之间的钢轨阻抗，Csg和Chg分别为接触线和回流线的对地电容。

3 过吸上线保护接地电流分析

3.1 过吸上线保护接地电流的仿真结果

动车组接地系统具有对称性，为了验证保护接地电流同时也具有对称性，对1、3、4、8车的保护接地电流进行分析，各车体保护接地电流的分布和变化情况如图5所示，其电流最大值局部放大图如图6所示。

图5中，各车的保护接地电流随其接地系统与吸上线距离的增减而变化，由于在仿真中吸上线与动车组相对位置的变化为非连续性的，所以波形出现分层现象。其中1、3、4、8车1、4轴的保护接地电流最大值分别为169.96、65.12、80.12、83.48、79.16、80.8、64.87、170.0 A，两头车靠动车组车头位置的保护接地电流幅值最大；1车1轴电流幅值高于4轴，3、4车4轴电流幅值高于1轴,即对于同一车体距工作接地越远保护接地点的电流幅值越大；8车1、4轴与1车4、1轴保护接地的电流变化情况对称，可验证动车组保护接地电流的对称性，故只对1、3、4车的保护接地电流情况进行分析。

图5 各车保护接地电流接地变化

1车保护接地电流最大值出现时间超前于3、4、8车 ，各车1轴保护接地电流最大值出现的时间超前于4轴，且均出现在该接地点所在轮对经过吸上线时刻，由于3车4轴和4车1轴距离较近，其保护接地电流最大值出现的时刻几乎一致。图5(a)中，1车两保护接地电流变化趋势一致，先随着吸上线的靠近增加到最大值后衰减，再增大。图5(b)中3车的1轴保护接地电流与1车保护接地电流变化趋势一致，4轴保护接地电流先随吸上线的靠近先降低，在该轴经过吸上线时增大到最大值然后衰减。4车两保护接地电流变化情况与3车基本一致。

图6所示为各车保护接地电流最大值时的波形，1车保护接地在2车工作接地的左边，3、4车保护接地在2车右边。图6(a)中，当1号车体1轴经过吸上线时，1轴保护接地上升到最大值，此时1车4轴的保护接地电流相位和1轴电流相位不同步，4轴滞后1轴约180°，即从4轴流入的电流,全部从1轴流出；而当1车4轴经过吸上线时，1轴和4轴保护接地电流相位一致，即电流从其他车接地点流入以后，通过该车两接地点流出，至吸上线；从图5(b)和图5(c)可以看出，3、4车1轴过吸上线时，1轴和4轴保护接地电流相位一致，而当3或4车4轴过吸上线时，3、4车1轴的保护接地电流相位和4轴电流相位约相差180°，即从1轴流入的电流，基本全部从4轴流出，故3、4车1、4轴经过吸上线时的电流相位变化情况大致与1车相反。

图6 各车保护接地电流变化局部放大图

3.2 过吸上线时保护接地电流的实测波形

通过现场测试验证过吸上线时保护接地系统电流的仿真结果。某型动车组接地系统如图2所示，测试原理图如图7所示，现场试验如图8所示，包括电流钳、1 000 Hz的数据采集器、PC机。用电流钳夹紧接地电缆测得电流，传递给数据采集器，并存储在电脑里。由于整个动车组的对称性，只对1、3、4车的保护接地电流进行测试。

图7 测试原理图

图8 现场试验

图9所示为1车和4车的保护接地电流实测波形，头车保护接地电流最大，各车保护接地电流整体呈先增大后减小的趋势，且最大值出现时间与接地点所在车轴过吸上线的先后顺序一致。1车1、4轴保护接地电流分别在点288 059和点288 508处为最大值161.58 A和69.7 A，3车1、4轴保护接地电流在点288 907和点289 297处有最大值81.81 A和82.13 A；4车1、4轴保护接地电流分别在点289 316和点289 677处有最大值78.53A和79.85 A。该动车组运行速度为270～350 km/h，数据采集器采集频率为1 000 Hz，每1 ms采集一个点，1车1轴到4轴保护接地电流最大值间隔约449 ms, 3车1轴到4轴保护接地电流最大值间隔约390 ms, 4车1轴到4轴保护接地电流最大值间隔约361 ms,均相当于动车组前进1个车厢的距离所需时间；1车4轴到3车1轴保护接地电流最大值间隔约399 ms，相当于动车组前进2个车厢的时间；3车4轴到4车1轴保护接地电流最大值时间接近，因为该两接地点距离较小。因此可以通过实测数据判断出动车组各车体保护接地电流吸上线时的最大值出现在该车轴经过吸上线时刻。

图9(b)所示为3车1、4轴分别经过吸上线时该车两轴保护接地电流的变化情况。可以看出，3车1轴经过吸上线时，1、4轴保护接地电流相位一致，而4轴经过吸上线时，1、4轴保护接地电流相位相反，与仿真结果基本一致。

图9 各车保护接地电流实测波形

3.3 实验结果与仿真结果的对比

动车组过吸上线时，各车体电流波形和现场实测电流波形如图5和图9所示，仿真结果最大值对比见表1。可以看出，各车保护接地电流出现最大值顺序相同，时间间隔吻合，1车1、4轴和3、4车1轴保护接地电流均为先增长到最大值后衰减，又增大，3、4车4轴保护接地电流增大到最大值后就直接衰减；各车体保护接地电流实测和仿真波形分布的基本一致。最大值误差较小，其范围在0.2%～6.5%内，可以验证仿真波形中幅值的准确性。

表1 实验结果与仿真结果的对比

为验证仿真波形相位的准确性，需对波形进行细节分析，由于1车1轴通过吸上线时，1车1轴和4轴的幅值相差较大，不易直观观察二者相位差；3、4车通过吸上线时电流变化的情况类似，可只对3车1、4轴通过吸上线时的两保护接地电流波形进行详细分析。由以上分析可知：在现场实测数据中，3车1、4轴保护接地电流分别在点288 907和点289 297处有最大值81.81 A和82.13 A，故3车1轴通过吸上线约在288 907点处，4轴通过吸上线约在289 297点处。该两点附近的3车保护接地电流波形如图10所示。

图10 3车保护接地电流实测波形局部放大图

图10所示为3车1、4轴分别经过吸上线时该车两轴保护接地电流的变化情况。可以看出，3车1轴经过吸上线时，1、4轴保护接地电流相位一致，而4轴经过吸上线时，1、4轴保护接地电流相位相反，与仿真结果基本一致。通过仿真和实验波形幅值与相位的对比，可以验证仿真模型的可靠性。

4 保护接地方式改进

动车组过吸上线时，头车的保护接地电流较大(1车1轴，8车4轴)，约超过其他车的2倍，当1号车体1轴经过吸上线时，1车4轴的保护接地电流与1轴电流相位相反，即4轴电流增加了1轴的电流；为降低各车保护接地电流，尤其是头车，可以考虑将1车的保护接地点设置在1轴左边、2轴右边，将8车保护接地设置在3轴右边、4轴左边。3、4车保护接地设置在3、4轴，5、6车保护接地设置在1、2轴。由于改进后的同一车体上的两保护接地点对应的轮对较近，故只对1车1轴，3、4车4轴的保护接地电流进行仿真分析。鉴于接地电阻器能降低保护接地电流，且在升降弓、过电分相以及雷电流侵入动车组时，头车的过电压相比其他车较小，可考虑只在头车保护接地上加电阻器，进一步降低1车的保护接地电流[18-19](图11)。在改进接地点的基础上，接地电阻器阻值不同时，各车体保护接地电流变化情况见表2,表2中阻值为0 Ω时表示此时只优化了接地点，采用直接接地方式，未使用接地电阻器。

图11 改进接地系统

阻值/Ω1车/A3车/A4车/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，仅优化接地点时，1车1轴，3车4轴和4车4轴的保护接地电流均能得到有效抑制，分别为108.4、43．3、33．2 A。在1、8车添加接地电阻器后，各车体保护接地电流先随接地电阻阻值的增大而减小，但是当电阻值大于0.1 Ω时，保护接地电流幅值变化较小，故考虑在1、8车上采用0.1 Ω的接地电阻器，此时各车保护接地电流波形如图12所示。

优化接地方式后，1、3、4车保护接地电流幅值分别为12.7、38.1、29.3 A。对比未改进接地系统时，1车电流下降最大为88%，3、4车的保护接地电流幅值分别下降了约13%、12%，有效抑制了由于动车组过吸上线时电流的增长，且接地电阻器的引入对1车(8车)的电流抑制作用大于其他车。

图12 接地电阻为0.1 Ω时各车保护接地电流

5 结论

本文建立动车组过吸上线模型，仿真分析过吸上线时保护接地电流的变化情况和幅值大小，与实测数据进行对比，并提出了有效抑制措施，得到以下结论：

(1)高速动车组过吸上线时，保护接地电流变化明显，且均在保护接地的轮对经过吸上线时，电流达到最大值，且两头车靠动车组车头位置的保护接地电流幅值最大；在同一车体上，距工作接地较远(1、3、4车和2车工作接地对比，5、6、8车和7车工作接地对比)的接地点电流幅值大于较近的；由于接地系统的对称性，保护接地电流也呈对称性。

(2)高速动车组过吸上线时，各车体保护接地电流的相位变化有一定的规律：如果车体在工作接地左边(1、3、4车和2车工作接地对比，5、6、8车和7车工作接地对比)，1轴的轮对经过吸上线时，1、4轴保护接地电流相位相差约180°，即从4轴流入的电流，仅部分从该车1轴流出；4轴的轮对经吸上线时，1、4轴保护接地电流相位一致；如果车体在工作接地右边，则大致相反。在同一车体上距工作接地较远的接地点对应的轮对经过吸上线时，该车体两接地点电流相位不同，即电流从距离工作接地较近的接地点流入后，全部或仅部分从距离工作接地较远轴对应的接地点流出；较近接地点对应的轮对经过吸上线时，该车体两接地点电流相位相同，即电流由其他车接地点流入后，通过该车的两接地点流出。

(3)将保护接地点优化到距离工作接地较远处，即1车接地点设置在1、2轴，3、4车接地点设置在3、4轴(5、6、8接地系统与之对称)，并将1车由直接接地方式改为经电阻器接地方式，电阻值设置为0.1 Ω，能有效抑制动车组过吸上线时的保护接地电流。