高速铁路V停作业感应电压接地防护方案研究

李正康，高仕斌，韩正庆，马战磊，周文婕，顾 涛

0 引言

在对高速铁路复线接触网进行应急抢修时，由于检修时限和生产运输条件限制，需要进行V停作业，即某一行接触网停电检修而邻线正常供电行车的检修方式[1]。由于上下行线路间存在静电耦合和电磁耦合，带电侧接触网上的电压和牵引负荷电流会在停电侧接触网上产生静电感应电压和电磁感应电压，对检修作业人员的人身安全产生威胁。因此，对高速铁路接触网V停作业感应电压进行研究，定量得到感应电压的大小，为停电检修作业制定安全防护方案，减少感应电压对作业人员的危害十分必要。针对电气化铁路牵引供电方式的不同，文献[2，3]研究了接触网V形天窗下直接供电 方式和带回流线直接供电方式的感应电分析及近似计算方法，文献[4]推导了高速铁路复线并行线路感应电压的计算公式。

目前已有的感应电压计算方法大多基于公式推导，未针对车网耦合的实际情况进行精确计算。接触网感应电压精确计算的重点在于牵引网模型的建立，文献[5]建立了集中参数的简单牵引供电系统模型，而集中参数模型不能有效考察牵引网全线的变化情况[6，7]。基于此，文献[8，9]针对电气化铁路不同供电方式建立了统一复合链式网络模型，利用牵引网不同单位长度的集中参数模型表征牵引网的电气分布特性。在接触网V停天窗感应电压防护技术研究中，文献[10]提出了应在感应电压较大的地点增设地线，但未给出安装地线的数量。文献[11]则通过大量的测试数据，对接触网V停作业区两端加挂地线的距离进行了探讨，但未针对实际检修工作中的各种情况进行具体指导。

本文在分析感应电压耦合原理的基础上，结合已有的牵引网导体合并算法，在Simulink平台搭建高速铁路全并联AT牵引网模型，输入实际线路的系统参数和测试得到的牵引网参数，对接触网V停作业时停电线路的感应电压进行精确计算，通过对比仿真分析和现场测试的结果验证模型的有效性，进而研究带电侧列车工况、停电接触网接地封线位置对感应电压分布的影响，并针对实际检修工作提出相应的接地防护措施。

1 感应电压耦合原理分析

1.1 静电感应电压

我国高速铁路普遍采用全并联AT供电方式，V停天窗下解列成单线AT供电方式。带电侧接触网和正馈线周围会产生工频电场，由于上下行之间的静电耦合作用，会在停电侧接触网上分别产生方向相反的容性耦合电压，其大小与带电侧接触网电压、正馈线电压、上下行互电容和停电侧接触网对地电容的比值有关，而与带电侧牵引负荷电流及接触网并行长度无关。根据现场实测，当带电侧无列车取流，停电侧接触网上感应电压最高可达3 000 V，严重威胁检修人员的人身安全，因此在实际检修中必须采取接地防护措施。根据《高速铁路接触网安全工作规则》第六十七条规定，V停停电作业两接地线间距大于1 000 m时，需增设接地线。但在实际抢修工作中，如果由于时间和路况限制，不能满足两接地线间距小于1 000 m这一要求，此时需要采取进一步优化的防护措施。

1.2 电磁感应电压

当停电设备处在带电设备产生的交变磁场中，由于互感耦合作用，在停电设备上会产生电磁感应电势。在带电侧接触网有列车运行时，接触网、正馈线、钢轨中流过的牵引负荷电流会产生交变的磁场，磁力线切割停电侧接触网，从而在停电侧接触网中产生沿接触网分布的纵向电势，该电磁感应电势的大小与线路阻抗、带电侧列车取流、列车运行位置有关。正常运行时，电磁感应电势可达数百伏，而且高速铁路发生牵引网短路时，短路电流会达到正常牵引负荷的几十倍，此时电磁感应电势非常大，应予以高度重视。

2 仿真计算

2.1 高速铁路全并联AT供电系统模型

高速铁路牵引网是典型的多导体传输线系统，利用导体合并原则[12]，借助阻抗运算，通过等效降阶过程可以消除计算过程中多导体传输线的某些导体[13]，对于上行侧，将同一支接触网的接触线CW和承力索MW等值合并为T1，考虑到实际工程中钢轨R和保护线PW每隔一定距离完全横联一次，故将保护线PW和同一轨道的2根钢轨合并为R1，与正馈线F1形成3根平行导体，下行侧也做同样处理，可将复线AT牵引网等效为六导体传输线。若进一步将上下行R1、R2合并，当有贯通地线时，可将贯通地线一并合并为1根导体R[14]，最终得到高速铁路全并联AT牵引网五导体模型。本文利用五导体模型对高速铁路接触网感应电压进行分析计算。

2.2 仿真参数设置

对全并联AT供电方式下接触网V停作业感应电压分布进行了仿真分析，仿真计算中系统参数选自合福线。具体的仿真条件见表1。

表1 系统参数

2.3 计算模型

根据实际测试得到的牵引网参数，在Simulink中使用单位长度π型等效电路搭建子网模型。考虑导线的自阻抗、互阻抗、对地电容以及分布电容，将每隔1 km的牵引网子网封装成1个模块，级联形成一段长度的牵引网分布参数模型。本次仿真模型中牵引网共24 km，与外部220 kV电源、牵引变压器、AT所自耦变压器、分区所自耦变压器一起构成高速铁路全并联AT接线图，见图1（a）。当下行接触网经断路器实施断电，而上行接触网正常供电（V停）时，高速铁路全并联AT仿真模型见图1（b）。该模型既保留了牵引网导线空间分布的特性，又考虑到分布参数的影响，可以对接触网V停时牵引网各导线的感应电压进行较为精确的计算，满足高速、重载电气化铁路对牵引网精细化仿真的要求。

图1 仿真模型

3 计算结果分析

在Simulink仿真平台上搭建了高速铁路全并联AT牵引网仿真模型后，输入合福线系统参数和实际测试中获得的线路参数，对比分析仿真结果、现场感应电压测试值，证明了所建模型的有效性；在此基础上研究带电侧列车取流、检修线路安装接地封线时感应电压的分布；以人体工频稳态交流限值为约束，针对实际检修工作提出相应的接地防护措施。本文分4种情况进行仿真，并分别进行仿真结果分析。

3.1 V停上行无车且下行不接地

V停天窗下，当上行接触网无列车取流，下行接触网停电且不安装接地封线时，仿真得到了上行接触线的空载电压和下行接触线的感应电压分布曲线，见图2。

图2 V停无车时上下行电压分布曲线

仿真结果表明，V停时牵引所上网点处感应电压为3 150 V，现场实测数据为3 000 V，两者误差仅为5%，仿真结果与实测结果较为吻合，证明了该仿真模型在V停上行无车且下行接触网不安装接地封线时的准确性。对感应电压分布曲线进行分析可以得到，当上行接触网无列车取流，下行接触网不安装接地封线时，感应电压至少能达到3 000 V，对检修人员的人身安全会产生致命威胁，必须采取接地防护措施。

3.2 V停上行无车且下行接地

本节针对V停上行无车且下行接触网安装接地封线的工况进行分析，其中接地封线安装位置分别设置在变电所上网点、1/4供电臂处、AT所上网点以及分区所上网点，仿真结果与现场实测数据对比见表2～表5。

表2 变电所上网点接地时感应电压对比 V

表3 1/4供电臂处接地时感应电压对比 V

表4 AT所上网点接地时感应电压对比 V

表5 分区所上网点接地时感应电压对比 V

从表中数据可以得到，在区间上测得的感应电压与仿真结果误差较小，进一步验证了所搭建的模型在计算V停单端安装接地封线时感应电压的有效性。考虑到实际线路中AT所处为站场，存在侧线的影响，并且变电所处有电力供电线的影响，同时在现场测试时变电所和AT所回流对地电位有较大影响[15]，因而在变电所上网点、AT所上网点处误差较大。仿真得到4种不同位置安装接地封线时的感应电压分布曲线，如图3所示。

图3 V停时4种接地封线安装位置下感应电压分布

通过对比分析可以得到以下结论：

（1）V停作业时，当上行接触网无列车取流，下行接触网单端安装接地封线时，感应电压较不安装接地封线时大幅降低，最大不超过120 V，与现场测试数据相符。

（2）综合比较4种接地封线安装位置下全线接触网感应电压可以看出，在变电所上网点安装接地封线，全线感应电压下降幅度最大，因此可以得出V停作业时，接地封线安装位置越靠近牵引变电所（电源侧），防护效果越好。现场试验中，在分区所上网点接地时，测得线路上的感应电压出现最大值。

（3）若接地封线安装在下行接触网（停电侧）线路中间位置，则对接地封线两侧均具有防护效果，并且靠近电源侧防护范围小于背电源侧。现场试验时在1/4供电臂处、AT所上网点接地时，接地点两侧感应电压均较不接地时降低。

（4）单端接地封线防护范围至少可达到6 km，可使下行接触网感应电压减小至人体工频稳态交流限值33 V以下[16]，但没有涉及邻线有列车取流的工况，因此需要针对邻线有列车运行时感应电压分布进行研究。

3.3 V停上行有车且下行单端接地

为研究上行有列车运行，下行接触网安装接地封线时的感应电压分布规律，先研究上行列车在不同位置时下行接触线的感应电压分布，仿真结果见图4，进而将列车设置在产生感应电压最大值的位置，研究下行安装接地封线时的感应电压分布规律。其中测试点分别选在第一个AT段距变电所上网点6 km处（测试点1）和第二个AT段距AT所上网点6 km处（测试点2）。

图4 下行接触线感应电压随列车位置分布

从图4得到，列车在上行接触网变电所上网点及分区所上网点附近感应电压较大，因此仿真过程分别在上行变电所上网点和分区所上网点附近设置列车，通过改变接地封线位置得到下行接触线上测试点处感应电压随接地封线安装位置的分布，进而确定接地封线的有效安装范围，仿真结果见图5。由图4、图5可以得到如下结论：

图5 感应电压与接地封线安装位置关系

（1）上行有列车运行，下行接触网安装接地封线时，两个AT段内的测试点感应电压均较不安装接地封线时大幅降低。其中，列车运行在上行接触网变电所上网点附近时，感应电压最大不超过100 V，但列车运行在上行接触网分区所上网点附近时，由于上下行接触网并行距离达到最大，耦合产生的感性感应电压较大，即使接地封线位置靠近测试点，下行接触线感应电压仍较大。

（2）上行有列车运行时，接地封线安装位置靠近测试点，测试点感应电压降低，远离测试点时，感应电压逐渐升高，并且在测试点两端相同距离安装接地封线防护效果相当。

（3）列车靠近电源侧时，接地封线的有效安装范围较大。列车在上行变电所上网点，下行接触网不接地时，测试点1、测试点2的感应电压分别为2 984、3 027 V；下行接触网安装接地封线时，测试点1、测试点2的感应电压最大分别为79.42、85.83 V。列车运行在上行分区所上网点，下行接触网不接地时，测试点1、测试点2的感应电压分别为2 978、2 909 V；下行接触网安装接地封线时，测试点1、测试点2的感应电压最大分别为404.4、337.3 V。列车靠近分区所时，应采取较列车在变电所更为严格的接地防护措施。

3.4 V停上行有车且下行两端接地

在测试点附近进行单端接地时，因为上行列车位置的影响，下行感应电压仍会超过人体工频交流限值33 V，需要进一步研究在距测试点两端各1、2 km处接地时，测试点感应电压随上行列车位置的分布规律。

测试点1选取在第一个AT段距离变电所上网点6 km处，仿真结果见图6（a）。可以看出，在距测试点两端各1 km处接地时，尽管上行有列车取流，但感应电压均小于33 V，但在距测试点两端各2 km处接地，当列车运行在测试点附近时，感应电压会超过33 V，因此更加严格的安全防护措施是在距测试点两端各1 km处进行接地。

进而在测试点2两端各1 km处接地进行仿真验证，测试点2选取在第二个AT段距离AT所上网点6 km处，仿真结果见图6（b）。可以看出，当上行列车运行在测试点两端接地封线的防护范围之外时，即变电所至近电源侧接地点区间和分区所至背电源侧接地点区间，测试点2处的感应电压几乎为零；即使上行列车运行至测试点时，最大感应电压也小于33 V，验证了防护措施的有效性。

图6 感应电压随列车位置分布

4 结论

本文在分析高速铁路V停作业感应电压耦合机理基础上，搭建了高速铁路全并联AT牵引网仿真模型，研究了带电侧接触网列车取流、检修线路安装接地封线对感应电压分布的影响，针对实际检修工作提出了对应的接地防护方案。通过理论分析和仿真计算得到以下结论：

（1）当带电侧接触网无列车取流，检修接触网不安装接地封线，检修接触网上感应电压至少能达到3 000 V，会对检修人员的人身安全产生致命威胁，必须采取接地防护措施。

（2）当带电侧接触网无列车取流，检修接触网单端安装接地封线时，感应电压会大幅降低，最大不超过120 V；接地封线安装位置越靠近牵引变电所，防护效果越好，单端接地封线防护范围至少可达到6 km；需要强调的是，此时未考虑外部并行电网的影响，若存在外部并行电网，则单端接地封线防护范围应当更加保守；若接地封线安装在检修接触网线路中间位置，则对接地封线两侧均具有防护效果，并且靠近电源侧防护范围小于背电源侧，因此当检修作业靠近电源侧时应缩短检修地点与接地封线的间距或增设接地封线。

（3）当带电侧有列车取流时，即使在测试点附近进行单端接地，感应电压仍会超过人体工频交流限值，需要增设接地封线。

（4）在距测试点两端各1 km处接地，当带电侧列车运行在变电所至近电源侧接地点区间和分区所至背电源侧接地点区间，测试点的感应电压几乎为零；即使上行列车运行至测试点时，最大感应电压也小于33 V。因此在检修作业时，在距作业点两端各1 km处进行安装接地封线的防护措施已经足够安全，若作业地点接地封线防护范围内有架空电力线，则可将两端接地封线间距进一步缩小，尽量将外部电网排除在接地封线防护范围之外。