论文部分内容阅读
[摘 要]客运高速化已经成为如今世界铁路发展的主要趋势。我国京津、武广、京沪、京广线客运任务的动车组采用的是动力分散结构，供电电缆多，电缆屏蔽层与车体相连，布局结构复杂，动车组在受电弓升弓和合断主断器过程中都会出现明显的暂态过电压，因此，文章主要探究了动车组升弓过程的暂态过电压。
[关键词]高速动车组；升弓浪涌；过电压
中图分类号：S211 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）28-0263-01
引言
近年来，我国动车组技术取得了较大的发展，动车组的运营安全问题引起了人们的重点关注，由于动车组受电弓升弓暂态引发的过电压对车载电气设备的安全运行有较大的威胁，所以国内外学者开始密切关注动车组由于升弓原因在车体产生浪涌过电压的问题。我们必须降低动车组在升弓过程产生的浪涌过电压对车载电气设备外绝缘频繁冲击的影响。
1受电弓升弓、闭合过程分析
1.1升弓、闭合过程等效电路
动车组在列车启动前的升弓、闭合过程，与电路中机械开关闭合接通电路的过程类似，不同之处主要在于闭合过程动作的时间及电弧持续过程存在一定的差异。整个升弓过程的车体部分的等效电路如图1所示。在升弓过程中，车载主断路器处于分断状态，此时受电弓连接的主要电路负载是车顶高压供电电缆、电压互感器。由于受电弓升弓是一个快速暂态过程，车顶高压电缆的屏蔽层与车体相连，升弓过程产生的电磁暂态过电压会通过电缆屏蔽层接地点与车体耦合，并在车体间传播、反射，使得车体电位随之波动。图1中，Rc为动车组车体电阻；Lc为动车组车体电感、车间连线电感等；Rcz为车间连接电阻；Rg为动车组接地电阻，包括车体接地电阻器电阻、接地碳刷与车轴的接触电阻等。
1.2升弓过程理论分析
在不考虑过电压在各节车体间的传播过程时，可将高压电缆等车体参数按照集中参数考虑，此时升弓过程的等效电路简化成图2所示的电路。
图2中，Us为牵引变电所变压器输出电压；Rs为牵引变电所电源内阻、接触网导线电阻之和；Ls为牵引变电所电源内感、接触网导线内感之和；Cd为接触网的对地电容；Lm为电压互感器励磁电感；Rm为电压互感器的次级输入电阻，通常情况下可认为是开路；CL为车顶高压电缆的电容与车体分布电容之和；Lcz、Rcz为动车组车体电感与电阻，与接触网线路相比，其值可忽略不计。由于升弓时，动车组多处于站场附近，动车组与变电所间接触网线路较短，因此接触网对地的分布电容Cd可以忽略不计，在升弓的过渡过程中，牵引变电所电源通过接触网回路电感向高压电缆电容CL充电，由于CL值较小，回路中呈现出高频振荡过程，振荡角频率为，该频率远大于工频供电电流的频率，因此可以认为在振荡过程中，牵引变电所电源电压恒定。电压互感器励磁电感Lm较大，对于高频信号，等效于开路。假设最恶劣情况，升弓瞬间，电源电压正好处于峰值状态，则升弓过程电路的频域方程有：（SLs+Rs+1/SCT）/I=Um/S，式中：Um为电源电压的峰值。电缆两端的电压的频域表达式为Uc（S）=Um/S（S2LsCT+SRsCT+1），其中δ=Rs/2Ls，故当t=π/ω0时，电压Uc=2U0，所以回路过电压将以损耗衰减因子δ呈现振荡式的衰减。
2 升弓浪涌过电压影响因素分析
2.1直接接地方式对浪涌过电压的影响
某一动车组采用在车体与接地碳刷之间安装接地电阻器的接地方式，当出现过电压冲击时，由于接地电阻器的高频阻抗特性，阻碍了过电压的有效泄放，进而车体的接触电势瞬间提高。为避免该高电势，采用将动车组车体直接与接地碳刷相连的接地方式。直接接地方式下的各车过电压仿真结果如图3所示，3车上最大瞬时浪涌过电压降为2.4kV，相比经接地电阻器的接地方式，升弓浪涌过电压降低51.5%，该结果的形成是由于从车体传播过来的过电压电流不經过接地电阻器的阻碍作用，直接通过低阻抗的接地碳刷泄放至大地，从而有效降低了车体接触电势。但直接接地方式下，车体与钢轨之间的接地阻抗变小，这样会带来新的问题，即本来流经钢轨的电流又会通过车体的保护接地点回流到车体，造成电流在不同车厢之间流通，并引起轴承腐蚀等一系列问题。
2.2并联电容接地方式对浪涌过电压的影响
由于采用经电阻器的接地方式具有车体回流小的优点，所以在该接地方式的基础上，考虑进一步的改善方式。电阻器接地方式的主要缺陷是当发生浪涌过电压时，由于电阻器阻抗的阻碍作用，车体上的浪涌过电压无法泄放至大地。而电容器具有通高频阻低频的特点，可以考虑采用在电阻器两侧并联电容的接地方式。该方式下，各车体升弓浪涌过电压的幅值随着电容值的增大先变小再变大。当电容C取值0.01、0.1、1、10、50、100、200μF时，浪涌过电压幅值分别是2.8、2.45、2.2、2、2.15、2.5、2.6kV。其中电容值取10μF时，浪涌过电压幅值最小，只有2kV。电容值为10μF时，3车最大浪涌过电压幅值降低到2kV，相比原接地方式降低了59.6%。这是由于并联电容C的阻抗与工作频率f成反比，在低频50Hz下为高阻抗，会抑制流经钢轨的电流回流到动车组车体。同时，在升弓浪涌电压发生的高频情况下，并联电容呈现低阻抗，这样有利于浪涌电压通过该低阻抗路径进行泄放，从而降低了升弓浪涌电压。该接地方式下的各车体升弓浪涌电压值在车载电子设备的可承受范围之内。
结束语
总之，升弓过程中导致车体产生浪涌电压的主要原因是敷设在动车组车顶的高压电缆以及动车组高阻抗的接地系统。经过研究发现，直接接地方式对抑制车体升弓浪涌电压最为明显，但直接接地方式会使接地电流在车体之间回流，由此带来轴承电腐蚀等一系列问题。因此，我们必须根据电容器通高阻低的特点，采用新型的接地方式。
参考文献
[1]万玉苏，刘耀银，高国强.接地方式对高速动车组升弓浪涌过电压的影响[J].铁道学报，2017，39（12）：32-37.
[2]高国强，刘耀银，万玉苏，魏晓斌，郑玥，吴广宁.高速动车组升弓浪涌过电压研究[J].高电压技术，2016，42（09）：2909-2915.
[3]高国强，刘耀银，万玉苏，等.高速动车组升弓浪涌过电压研究[J].高电压技术，2016，42（9）：2909-2915.
[关键词]高速动车组；升弓浪涌；过电压
中图分类号：S211 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）28-0263-01
引言
近年来，我国动车组技术取得了较大的发展，动车组的运营安全问题引起了人们的重点关注，由于动车组受电弓升弓暂态引发的过电压对车载电气设备的安全运行有较大的威胁，所以国内外学者开始密切关注动车组由于升弓原因在车体产生浪涌过电压的问题。我们必须降低动车组在升弓过程产生的浪涌过电压对车载电气设备外绝缘频繁冲击的影响。
1受电弓升弓、闭合过程分析
1.1升弓、闭合过程等效电路
动车组在列车启动前的升弓、闭合过程，与电路中机械开关闭合接通电路的过程类似，不同之处主要在于闭合过程动作的时间及电弧持续过程存在一定的差异。整个升弓过程的车体部分的等效电路如图1所示。在升弓过程中，车载主断路器处于分断状态，此时受电弓连接的主要电路负载是车顶高压供电电缆、电压互感器。由于受电弓升弓是一个快速暂态过程，车顶高压电缆的屏蔽层与车体相连，升弓过程产生的电磁暂态过电压会通过电缆屏蔽层接地点与车体耦合，并在车体间传播、反射，使得车体电位随之波动。图1中，Rc为动车组车体电阻；Lc为动车组车体电感、车间连线电感等；Rcz为车间连接电阻；Rg为动车组接地电阻，包括车体接地电阻器电阻、接地碳刷与车轴的接触电阻等。
1.2升弓过程理论分析
在不考虑过电压在各节车体间的传播过程时，可将高压电缆等车体参数按照集中参数考虑，此时升弓过程的等效电路简化成图2所示的电路。
图2中，Us为牵引变电所变压器输出电压；Rs为牵引变电所电源内阻、接触网导线电阻之和；Ls为牵引变电所电源内感、接触网导线内感之和；Cd为接触网的对地电容；Lm为电压互感器励磁电感；Rm为电压互感器的次级输入电阻，通常情况下可认为是开路；CL为车顶高压电缆的电容与车体分布电容之和；Lcz、Rcz为动车组车体电感与电阻，与接触网线路相比，其值可忽略不计。由于升弓时，动车组多处于站场附近，动车组与变电所间接触网线路较短，因此接触网对地的分布电容Cd可以忽略不计，在升弓的过渡过程中，牵引变电所电源通过接触网回路电感向高压电缆电容CL充电，由于CL值较小，回路中呈现出高频振荡过程，振荡角频率为，该频率远大于工频供电电流的频率，因此可以认为在振荡过程中，牵引变电所电源电压恒定。电压互感器励磁电感Lm较大，对于高频信号，等效于开路。假设最恶劣情况，升弓瞬间，电源电压正好处于峰值状态，则升弓过程电路的频域方程有：（SLs+Rs+1/SCT）/I=Um/S，式中：Um为电源电压的峰值。电缆两端的电压的频域表达式为Uc（S）=Um/S（S2LsCT+SRsCT+1），其中δ=Rs/2Ls，故当t=π/ω0时，电压Uc=2U0，所以回路过电压将以损耗衰减因子δ呈现振荡式的衰减。
2 升弓浪涌过电压影响因素分析
2.1直接接地方式对浪涌过电压的影响
某一动车组采用在车体与接地碳刷之间安装接地电阻器的接地方式，当出现过电压冲击时，由于接地电阻器的高频阻抗特性，阻碍了过电压的有效泄放，进而车体的接触电势瞬间提高。为避免该高电势，采用将动车组车体直接与接地碳刷相连的接地方式。直接接地方式下的各车过电压仿真结果如图3所示，3车上最大瞬时浪涌过电压降为2.4kV，相比经接地电阻器的接地方式，升弓浪涌过电压降低51.5%，该结果的形成是由于从车体传播过来的过电压电流不經过接地电阻器的阻碍作用，直接通过低阻抗的接地碳刷泄放至大地，从而有效降低了车体接触电势。但直接接地方式下，车体与钢轨之间的接地阻抗变小，这样会带来新的问题，即本来流经钢轨的电流又会通过车体的保护接地点回流到车体，造成电流在不同车厢之间流通，并引起轴承腐蚀等一系列问题。
2.2并联电容接地方式对浪涌过电压的影响
由于采用经电阻器的接地方式具有车体回流小的优点，所以在该接地方式的基础上，考虑进一步的改善方式。电阻器接地方式的主要缺陷是当发生浪涌过电压时，由于电阻器阻抗的阻碍作用，车体上的浪涌过电压无法泄放至大地。而电容器具有通高频阻低频的特点，可以考虑采用在电阻器两侧并联电容的接地方式。该方式下，各车体升弓浪涌过电压的幅值随着电容值的增大先变小再变大。当电容C取值0.01、0.1、1、10、50、100、200μF时，浪涌过电压幅值分别是2.8、2.45、2.2、2、2.15、2.5、2.6kV。其中电容值取10μF时，浪涌过电压幅值最小，只有2kV。电容值为10μF时，3车最大浪涌过电压幅值降低到2kV，相比原接地方式降低了59.6%。这是由于并联电容C的阻抗与工作频率f成反比，在低频50Hz下为高阻抗，会抑制流经钢轨的电流回流到动车组车体。同时，在升弓浪涌电压发生的高频情况下，并联电容呈现低阻抗，这样有利于浪涌电压通过该低阻抗路径进行泄放，从而降低了升弓浪涌电压。该接地方式下的各车体升弓浪涌电压值在车载电子设备的可承受范围之内。
结束语
总之，升弓过程中导致车体产生浪涌电压的主要原因是敷设在动车组车顶的高压电缆以及动车组高阻抗的接地系统。经过研究发现，直接接地方式对抑制车体升弓浪涌电压最为明显，但直接接地方式会使接地电流在车体之间回流，由此带来轴承电腐蚀等一系列问题。因此，我们必须根据电容器通高阻低的特点，采用新型的接地方式。
参考文献
[1]万玉苏，刘耀银，高国强.接地方式对高速动车组升弓浪涌过电压的影响[J].铁道学报，2017，39（12）：32-37.
[2]高国强，刘耀银，万玉苏，魏晓斌，郑玥，吴广宁.高速动车组升弓浪涌过电压研究[J].高电压技术，2016，42（09）：2909-2915.
[3]高国强，刘耀银，万玉苏，等.高速动车组升弓浪涌过电压研究[J].高电压技术，2016，42（9）：2909-2915.