时速350公里中国标准动车组接地系统性能测试研究

刘寅秋，田 亮

（中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京100081）

高速动车组作为一个由多设备和系统集成在一起的整体，其在运行过程中的安全性非常重要。

我国使用的电动车组主要供电制式为工频单相交流25 kV，为保证主导电回路的工作电流及动车组车体上的电流能通过轨道顺利的回流到变电所，并确保车上人员的安全及电子设备的可靠运行，动车组必须具有良好的接地性能。

目前关于动车组接地系统的设计布局并没有很完善的评价体系和标准依据，主机厂根据自己的实际运用经验进行设计，各主机厂的接地系统方案也大相径庭，其中动车组车体保护接地的方式主要包括直接接地和通过电阻接地等。

1 中国标准动车组接地系统性能试验

为全面了解速度为350 km/h中国标准动车组（以下简称中国标准动车组）的各关键系统和部件性能，从2015年起在大西客专综合试验段等地对首批2列中国标准动车组进行了关键系统和部件服役性能试验，其中首次进行了中国标准动车组接地系统性能试验。

1.1 中国标准动车组接地系统布局

中国标准动车组的接地系统从功能上分为工作接地和保护接地。工作接地装置与动车组主变压器一次侧绕组接地端直接相连，工作电流通过接地装置泄放至钢轨。保护接地装置通过电缆直接连接到车体上，车体电流通过保护接地装置泄放至钢轨。根据动车组统型要求，中国标准动车组的动车采用齿轮箱方式，拖车采用轴端接地方式，如图1所示。

图1 齿轮箱接地（左）和轴端接地（右）

接地布置上，中国标准动车组的工作接地在变压器车（3、6车）的2、3、4轴通过3个轴端接地装置冗余接地；1～8车每节车厢所有非工作接地车轴均设保护接地，在车体与保护接地装置之间设置了接地电阻；每节车体间设置等电位连接电缆，重联时重联车钩上设置等电位连接线，具体接地方式如图2所示，图中给出了1～4车的接地布置，5～8车与1～4车的接地呈对称布置。

图2 中国标准动车组的接地系统布置

1.2 试验线路的接地系统

大西客专综合试验段牵引供电系统采用AT供电方式。全线采用综合接地系统，由贯通地线将沿线的牵引供电系统、电力供电系统、信号系统、通信及其他电子信息系统的工作接地、保护接地、防雷接地与建筑物、道床、站台、桥梁、声屏障等的结构接地连成一体，构建了整个综合接地系统。

回流方面，在正线成排供电线支柱上设置了PW线，PW线通过信号扼流圈中点与钢轨连接，间隔一般不大于1500 m，并接入综合接地系统。被试动车组在正线上行驶过程中，参与牵引回流的路径主要包括：钢轨、PW线、贯通地线及大地回流等。

1.3 试验数据分析[1]

在现场试验过程中，在1～4车的接地装置导流线上安装了电流传感器，在1车1位转向架安装了车体至轴端的电压传感器，在重联车钩等电位线上安装了电流传感器，信号在车内进行实时采集，同时采集动车组速度、里程、网侧电流等信息。

选用350 km/h速度级下的单列和重联测试数据进行分析，测试过程中使用3车受电弓进行受流。

1.3.1 单列运行时的接地回流

试验中测试了TC01、M02、TP03、MH04这4节车的接地电流情况，接地电流分布如图3～图6所示，图中以电流有效值的形式给出了动车组在350 km/h恒速区段运行时接地电流分布。

图3 单列运行1车接地电流

图4 单列运行2车接地电流

图5 单列运行3车接地电流

图6 单列运行4车接地电流

图中统计值给出了接地电流有效值，实际测试中除统计电流量值外，还通过接地电流与牵引电流相位关系的比较来确定接地轴电流的流向，与牵引电流相位相同则表示接地电流由车体流向钢轨，相反则表示有钢轨电流通过接地装置流回车体，1～4车每个轴接地点的电流相位分布见表1。需要注意的是在动车组运行全程，2车和4车接地电流的流向会随动车组所处位置不同而发生短时改变。

表1 接地电流与牵引电流的相位差 单位：（°）

从试验结果中可以总结出如下规律：

（1）所有接地轴电流具有一致的周期性变化规律，其变化周期长度约为1.4 km，通过与大西试验线轨道电路分布数据对比可知，其变化位置与轨道扼流变压器布置位置重合。

（2）动车组保护接地电流主要的泄放通道为TC01车的1轴和2轴，在动车组反方向运行时也进行了测试，测试接地电流与正向行驶时大小相似，但大小变化趋势正好相反。由于动车组接地布置具有对称性，从试验结果中可以推断，行驶过程中TC01车与TC08车的接地电流变化趋势相反，但接地电流加和与牵引电流的变化趋势一致，接地电流从更靠近扼流变压器侧的接地轴流出。

（3）TP03车1轴接地电流始终由钢轨回流至车体，电流有效值约90 A～110 A，由接地布置对称性可知TP06车1轴也存在同样的问题。

（4）M02、MH04车接地装置与车体间安装了100 mΩ的接地电阻，各轴接地电流较小；TC01车、TP03车接地轴未安装接地电阻，形成了低阻通路，使牵引电流形成了由TP03、TP06车回流入车体再由TC01、TC08车泄放，车体在动车组运行过程中流动着约250 A的工频电流，且其流向随动车组位置的改变而变化。

1.3.2 重联运行时的补充试验

试验过程中，2列中国标准动车组还进行了重联运行试验，重联端为被试动车组的8车与另一车的1车相连，安装传感器的TC01车为重联车头车，在这种重联方式下还测试了TC01车的接地回流及重联车钩等电位线的接地回流情况，具体测试结果如图7、图8所示。

图7 重联运行1车接地电流

图8 重联运行重联车钩等电位线电流

从重联试验结果中可以总结出如下规律：

（1）TC01车作为重联动车组的头车，接地轴泄放电流有效值较单列下明显增加，1轴接地电流达到300 A，2轴接地电流约达到280 A。

（2）重联车钩等电位线与动车组车体相连，在运行过程中车钩等电位线形成了两车之间的导电通路，两侧等电位线电流最大值均约为100 A，在动车组靠近扼流变压器时两车之间流通电流最大，在动车组处在两扼流变压器中间时两车之间流通电流较小。

在对CRH380B系列动车组的运用过程中，曾出现因轨道回流不畅、动车组接地点少而产生钢轨绝缘节拉弧烧损和头车转向架传感器过电压击穿等事故［2］，因此在中国标准动车组设计过程中，采用了全轴接地的形式，有效减少了传感器过电压击穿，降低了头车的车体-轴端电位差，但随之而来则是出现了头车接地电流过大，全车接地轴电流分配不均的问题。

2 中国标准动车组接地系统的仿真优化

接地轴电流分配不均会导致接地装置碳刷磨损不均，对检修更换带来影响，同时过多的接地装置也会增加动车组采购及运用成本。

由于现场试验中改动车体接地结构操作困难，实施性较差，利用仿真软件可建立动车组接地系统包括牵引电流、车体等效电路、车体接地保护装置、工作接地保护装置以及钢轨等效电路的仿真模型，从而找到能兼顾回流和过电压的接地系统优化方案。

2.1 动车组接地系统模型

接地回流建模示意如图9所示，由于主要研究工频稳态条件下动车组接地系统性能，用1个交流电压源直接代替牵引电流模型给动车组供电。为了与现有试验结果进行对应，仿真过程中采用的线路回流结构为：轨道上每隔1.4 km设置一组扼流变压器，并通过变压器中心抽头设置吸上线，将牵引回流引入架空PW线流回牵引变电所。车辆行驶在无砟轨道上，轨道每1.4 km通过接地线与综合地线相连。仿真中为了简化，将3个回流路径进行集总。建成的统合模型如图10所示。

图9 接地回流建模示意图

图10 仿真模型

2.2 动车组接地系统仿真优化

由于仿真区间是钢轨上两扼流变压器组成的1.4 km长区间，在仿真过程中分别选取了动车组处于靠近区间边缘及在区间中部的工况，且车辆在满负荷条件下运行。统计每种工况下的接地电流、车间连接线电流、车体对地电位（工频）。

改进方案选择了2种，第1种是为1、3、6、8车原来直接接地的接地轴分别增加了100 mΩ的接地电阻，使全车保护接地均通过电阻接地；第2种是去掉1、8车的全部接地装置，车轴悬空。为了使各优化方案具有统一的参照对象，还对原车方案进行了仿真。

各方案的接地电流分布如图11～图13所示，电流使用有效值统计，电流正负代表电流的相位与牵引电流的关系，正代表与牵引电流相位相同，负代表与牵引电流相位相反。

图11 原车方案的接地电流分布

图11中可以看出，原车方案车辆位于区间中部时牵引回流通过3～6车接地装置流回车体并向两侧流动，集中从1、8车的1、2轴流入钢轨；动车组处于区间端部时车体电流趋向从靠近端部一侧的接地装置进行回流。

图12中可以看出，串联接地电阻后，1、8车的1、2轴接地电流幅值有了明显下降，电流有效值是原始配置下的一半左右，同时3、6车的1轴接地装置由于增加了接地电阻，回流入车内的牵引回流有效值由40 A左右降至了10 A，增加接地电阻确实起到了限值电流流回车体的作用。但增加接地电阻只能改变接地电流的幅值，不能完全阻止接地电流流回车内，车内仍存在环流。

图12 增加电阻方案的接地电流分布

图13中可以看出，减少接地轴后，动车组牵引回流通过3～6车保护接地装置流回车体并向两侧流动，集中从2、7车的1、2轴流出车体。由于去掉1、8车接地装置，同时2、7车接地装置安装有接地电阻，抑制了牵引回流流入车体的电流大小，其最大保护接地电流与加装接地电阻的方案相当，但是比后者要减少8个接地装置。

图13 减少接地点方案的接地电流分布

除接地电流的大小之外，还需要考虑各方案对车体电位抬升的影响。各方案中各车中心位置车体相对钢轨的电位差的统计结果见表2，统计值为工频有效值，使用动车组靠近扼流变压器位置的工况进行仿真。

从表2中可以看出，当1车靠近扼流变压器时，在3种工况中均为1车电位最高，而不论增加接地电阻或减少接地点，1车对地电位存在着明显影响，其中减少接地点的影响更大。

表2 各方案车体电位统计 单位：V

综合来看，增加接地电阻的方案能够抑制接地电流在车体内流动，且车体稳态电位抬升小于减少接地点的方案；去除头车接地装置的方案能够抑制接地电流，但会明显提升头车的稳态车体电位，并且能够减少全车8组接地装置及配套电缆。由于仿真值并不能完全表征实际运用中的接地性能表现，各方案的实际效果还需要进一步检验。

3 结论

通过对速度350 km/h中国标准动车组接地系统进行试验研究，基本摸清其接地系统特性，包括单列和重联时各接地点电流分布，整车牵引回流流向特性等，为今后的研究工作积累了数据。通过对接地系统进行建模仿真，分析了不同接地系统配置下车辆接地回流性能的工频特性，找出了较为合理的解决现有动车组接地系统接地电流过大问题的方案，下一步需要通过试验数据来验证方案合理性。