电气工程学报, 2023, 18(3): 81-89 doi: 10.11985/2023.03.009

特邀专栏：电气化交通中的高压绝缘与防护新技术

市域列车接地回流动态变化规律分析与优化

石慧,

上海申铁投资有限公司 上海 200030

Analysis and Optimization of Dynamic Variation Law of Grounding Return Current of Intercity Train

SHI Hui,

Shanghai Shentie Investment Co., Ltd., Shanghai 200030

收稿日期: 2023-07-1   修回日期: 2023-08-15  

Received: 2023-07-1   Revised: 2023-08-15  

作者简介 About authors

石慧，男，1983年生，硕士，高级工程师。主要从事轨道车辆及段场工艺设备方面的研究。E-mail：csrshi@163.com

摘要

市域列车通过车体-轮对-钢轨形成接地回流通道，过大的接地回流会造成轴承电腐蚀、碳刷的异常磨耗等问题，严重威胁动车的安全运行。在Matlab/Simulink中建立了市域列车在供电区间内行驶时接地回流动态过程仿真模型，并结合现场测试数据验证了模型的准确性，探明了市域列车在供电区间内运行时接地电流的变化趋势。从接地电流热效应出发，提出市域列车接地电流的“等效值”的概念。从工作接地方式与保护接地方式两个方面出发，探究接地回流的影响因素。根据接地电流的等效值，提出市域列车接地系统的优化方案，仿真结果表明，优化后保护接地电流等效值由53 A下降到17 A，下降幅度达到67%，接地回流分布较为均匀，车体电位也控制在安全的范围内，为设计更优良的接地方案提供了理论基础。

关键词： 市域列车; 接地回流; 接地系统; 保护接地; 工作接地; 仿真模型

Abstract

The intercity train forms a grounding return channel through the body wheel set rail. Excessive grounding return will cause problems, such as electric corrosion of bearings and abnormal wear of carbon brushes, which seriously threatens the safe operation of the intercity train. The dynamic process simulation model of grounding return current of intercity train running in the power supply section is established in Matlab/Simulink. Combined with the field test data, the accuracy of the model is verified, and the change trend of grounding current of intercity train running in the power supply section is proved. Based on the thermal effect of grounding current, the concept of “equivalent value” of grounding current of intercity train is proposed. The influence of ground return is explored in terms of both working and protective grounding methods. According to the equivalent value of grounding current, the optimization scheme of intercity train grounding system is proposed. The simulation results show that after optimization, the equivalent value of protective grounding current is reduced from 53 A to 17 A, with a decrease range of 67%, the distribution of grounding return current is relatively uniform, and the vehicle body potential is also controlled within a safe range, which provides a theoretical basis for designing a better grounding scheme.

Keywords： Intercity train; grounding return current; grounding system; protective grounding; working grounding; simulation model

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本文引用格式

石慧. 市域列车接地回流动态变化规律分析与优化[J]. 电气工程学报, 2023, 18(3): 81-89 doi:10.11985/2023.03.009

SHI Hui. Analysis and Optimization of Dynamic Variation Law of Grounding Return Current of Intercity Train[J]. Chinese Journal of Electrical Engineering, 2023, 18(3): 81-89 doi:10.11985/2023.03.009

1 引言

随着市域列车运行速度不断提升，其牵引电流不断增加，接地回流造成轴承电化学腐蚀和接地碳刷异常磨损的情况也越来越严重[1-2]。运行工况的复杂性与车身结构的差异性会造成动车组各接地轴电流分布不均[3]。不均匀的电流分布导致各轴接地碳刷磨损程度各不相同，给维护工作带来不便[4]。

目前，国内外学者对接地回流的研究主要集中在接地回流幅值和相位的研究[5]。千岛伸雄等[6]对动车组的车体参数进行了测试，并且通过仿真分析发现在接地装置上串联0.5 Ω的电阻器可以有效地抑制动车组的接地回流，但是该方法的弊端是会引起车体电位的抬升。文献[7-8]发现靠近工作接地点的保护接地回流最大，取消保护接地点可以有效抑制接地回流，增加变压器的工作接地点可以有效抑制各车轴的工作接地电流。文献[9⇓⇓-12]建立了动车组接地系统的电路仿真模型，通过仿真分析发现钢轨上的牵引电流会从距离工作接地点最近的保护接地线上流入车体，最后由头、尾车的保护接地线流向钢轨，并且提出了动车组接地系统的优化方案。文献[13⇓⇓-16]建立了直接供电方式与AT供电方式下动车组过吸上线动态过程模型，着重分析了动车组在过吸上线区间时接地电流的动态变化规律，从接地电流的幅值和相位两个方面揭示了接地回流的分布特性。文献[17⇓⇓-20]建立了动车组过吸上线、过绝缘节接地系统的等效模型，分析了编组形式、运营线路、运营列车共臂等因素对动车组接地回流造成的影响。

本文使用Matlab/Simulink仿真软件构建了市域列车在整个供电区间内运行时接地回流的动态分布模型，研究了市域列车接地回流的分布趋势和相位变化，提出接地回流“等效值”的概念，并提出市域列车接地系统的优化方法。

2 市域列车接地回流仿真模型构建

图1为某型市域列车接地系统。从接地系统的形式来看，该型市域列车的保护接地为分散接地方式。该车3车和6车的2、3、4轴为工作接地，其接地方式为直接接地方式；市域列车除工作接地轴以外的其他车轴均安装保护接地。市域列车的头车与尾车属于拖车，因此它们的保护接地方式为直接接地方式，3车与6车的1号轴属于保护接地中的直接接地方式；市域列车的2、4、5、7车属于动车，动车的接地方式全部设置为串电阻接地方式，其中接地电阻器的阻值为100 mΩ。此外，各车中间采用车间连接线进行贯通衔接，以实现各车间相等的电势。

图1

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图1   某型市域列车接地系统


将牵引变电所等效为电压源串联阻抗的形式，电源电压为27.5 kV，变电所电阻为0.249 6 Ω，电感为12.64 mH。将牵引网等值成一条导线，牵引网的单位电阻为0.145 mΩ/m，单位电感为1.3 μH/m。车载牵引变压器等效成模型中的单相变压器，二次侧等效负载电阻为0.56 Ω，等效负载电感为0.32 mH。回流线等值单位电阻为0.14 Ω/m，等值单位电感为150 μH/m。根据现场测试得到车体参数与接地系统参数。

根据高速铁路实际工况将供电区间进行划分如图2所示。直接供电方式设置供电区间长度为25 km，每隔1.5 km设置一条吸上线。供电区间右端的吸上线为吸上线1，吸上线17为供电区间最左端的吸上线，则供电区间被吸上线划分为16个区域，两个吸上线之间的区域称为吸上线区间，从右到左依次为区间1到区间16。市域列车行驶的方向是从吸上线17向吸上线1行驶。根据上述建模，搭建出市域列车接地回流动态过程的仿真模型如图3所示。

图2

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图2   供电区间划分示意图


图3

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图3   接地回流动态过程仿真模型


3 仿真结果分析

在本文中所建立的仿真模型是以8编组市域列车为原型，因为市域列车的构造是对称的，在进行仿真分析时，仅需要对3车的工作接地回流进行分析即可。

3.1 工作接地电流分析

图4为3车工作接地的接地回流变化趋势图。从图4可以看出，3车2轴、3车3轴以及3车4轴的工作接地电流都呈现随时间的推延先逐渐减小后缓慢增大的态势。当列车从左侧牵引变电所行至供电区间中间时，工作接地电流缓慢减小直至最小，此时3车2轴到4轴的工作接地电流依次是132 A、134 A以及77 A。当列车越靠近右侧牵引变电所时，工作接地电流逐渐增大，其中3车2轴工作接地电流最大为174 A。整个过程中，3车4轴的工作接地电流最小，一直处于100 A以下。

图4

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图4   3车接地电流


根据市域列车接地电流的热效应，将市域列车不断变化的接地电流等效成一个表示电流热效应的值，并且将该值命名成“等效值”。在分析市域列车3车的接地电流时，峰值只能代表市域列车某一时刻接地回流的状态，不具有普遍意义，而等效值可以从整体上反映出接地电流对轴承箱造成的影响。在这里等效值的计算过程如下：接地电流波形到该采样时刻为止与x轴所形成封闭图形的面积S1除以该采样时间t，即Iequal=S1/t，代表接地电流在时间上的积累，而电流有效值代表接地电流在采样时刻内的热效应相同的直流值。

从图5可以看出，工作接地电流等效值基本呈现先减小后增大的趋势，这和图4保持了一致。如表1所示为各轴工作接地电流等效值的初始值和结束时刻的等效值，结束时刻的等效值都小于初始时刻的等效值。在对市域列车接地系统进行优化时，采用结束时刻接地电流的等效值代表市域列车接地电流在整个供电区间内产生的热效应。

图5

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图5   3车接地电流等效值变化图


表1   3车各轴工作接地电流等效值

轴号初始时刻等效值/A结束时刻等效值/A
3车2轴118104
3车3轴118103
3车4轴6860

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3.2 保护接地电流分析

因为市域列车车体的结构是对称的，1、2、4车1~4轴的保护接地电流变化趋势分别与8、7、5车保护接地电流相似，所以只需要分析1、2、4车的保护接地电流。

如图6所示，市域列车从右侧牵引变电所运行至左侧牵引变电所期间，1车1轴接地电流最大，1车2轴次之，1车3轴与1车4轴的接地电流交替增大。整体上看，市域列车1车的接地电流呈现逐渐增大的趋势。初始状态下，由于钢轨电阻，大部分接地电流会由靠近右侧牵引变电所的8车接地系统流回，导致市域列车1车各轴的保护接地电流较小，分别为58 A、41 A、10 A、9.1 A。随着列车向左运行，与右侧牵引变电所之间的阻抗逐渐增大，导致接地电流逐渐降低；与左侧牵引变电所之间的阻抗逐渐降低，导致通过1车接地系统流向牵引变电所的电流逐渐增大，到仿真结束，1车1、2、3、4轴的接地电流分别达到112 A、70 A、25 A、4.3 A。

图6

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图6   1车接地电流


图7显示了1车1~4轴接地电流等效值的分布情况。从图7可以看出，仿真开始时1车1轴接地电流等效值为23 A，随后出现波浪形逐渐上升的态势，然后在第二个吸上线区间开始，1车1轴接地电流等效值总体呈线性上升的趋势。这是因为市域列车向右行驶的速度保持不变，为80 m/s，导致动车与左侧牵引变电所之间的阻抗成线性变化，从而接地电流等效值近似呈线性变化。到市域列车运行至左侧牵引变电所时，1车1轴接地电流的等效值为50 A。1车2轴接地电流等效值的变化趋势与1车1轴相似，而1车3轴和1车4轴的保护接地电流变化较小。具体各轴保护接地电流等效值如表2所示。

图7

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图7   1车接地电流等效值变化图


表2   1车、2车和4车各轴保护接地电流等效值

轴号初始时刻等效值/A结束时刻等效值/A
1车1轴2350
1车2轴1735
1车3轴510
1车4轴65
2车1轴0.70.6
2车2轴1.11.1
2车3轴2.42.1
2车4轴2.62.7
4车1轴6.16.7
4车2轴5.76.5
4车3轴4.45.6
4车4轴45.6

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图8显示了市域列车在供电区段内正常行驶时，2车1~4轴的保护接地电流波形变化呈周期性变化，总体趋势是先减小后增大。2车的保护接地回流变化与3车的工作接地电流趋势相似，因为3车初始时刻接地电流较大，导致从2车流回车体的电流也较大；随着3车接地电流减小，2车的接地回流也减小；反之，随着3车接地电流增大，2车的接地回流也增加。

图8

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图8   2车接地电流


图9显示了市域列车在供电区间内运行时，4车各轴的保护接地电流呈周期性变化：缓慢增加、急剧上升、迅速下降、再缓慢增加。相比于1车，4车的各轴接地电流较小，因为采用串电阻保护接地方式，电阻器阻碍钢轨回流车体的电流。在吸上线区间，4车接地电流平稳；过吸上线时刻则出现“鱼刺”型尖峰。

图9

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图9   4车接地电流


从图10和图11中可以看出，2车和4车的接地电流等效值的整体变化都较为平稳，4车的接地电流等效值变化稍有波动。2车和4车接地电流初始时刻和结束时刻等效值如表2所示。

图10

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图10   2车接地电流等效值变化图


图11

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图11   4车接地电流等效值变化图


4 模型验证和接地优化方案

将实测和仿真接地电流波形进行对比来验证模型，进一步探明接地电流的影响因素，最后根据接地电流的热效应，将市域列车不断变化的接地电流等效成一个固定的电流等效值，进而对市域列车接地系统进行优化。

4.1 实测与仿真对比

本文针对该型市域列车进行了接地回流的现场测试试验，测试了1、2、3、4车的接地电流，列车速度为300 km/h。图12为实测接地电流波形与仿真接地电流波形对比，1、2、3以及4车的接地电流的波形周期性与幅值和实测较为吻合。实测波形中的周期时间和接地电流幅值与仿真波形存在一些误差，可能由于实际测试中列车速度不均匀、工况中的上下坡等因素导致牵引功率波动，继而引起电流变化。在测试中，使用FLUKE i1000s电流钳测量接地电流，该型电流钳的误差范围为0.5 A，设备本身误差和信号传输损耗都可能对结果产生影响。同时，牵引供电系统中的谐波也可能造成结果偏差。由于仿真仅仅考虑车速、功率、网压都为理想状态的情况，故仿真与实测存在一定误差也是合理的。总体而言，试验较好地验证了仿真模型的准确性。

图12

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图12   实测与仿真波形


4.2 影响因素分析

4.2.1 工作接地方式的影响

将市域列车的接地方式进行如下更改：① 将3车的2、4轴设置为工作接地；② 将3车的1、4轴设置为保护接地；③ 将市域列车3车所有接地轴全部设为工作接地，接着对比三种工作方式下，接地电流等效值的分布。

从图13可以看出，在2路工作接地方式下，市域列车3车2轴与3车3轴接地电流等效值处于较高水平，虽然工作接地电流在两轴之间分布较为平均，但是由于接地电流过大，会导致市域列车的接地碳刷磨损加剧，大大减少了接地碳刷的使用寿命。在采用3路工作接地方式下，市域列车2轴、3轴工作接地电流等效值分布较为平均，4轴工作接地电流等效值相对较小，3路工作接地方式接地电流等效值明显下降，对接地碳刷的影响相有明显的改善，但是工作接地电流仍然存在分布不均的现象。相比于3路工作接地，当工作接地设置为4路时接地电流等效值明显降低，并且当市域列车4路工作接地时接地电流的分布也更加均匀。

图13

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图13   三种工作接地方式下接地回流对比图


4.2.2 保护接地方式的影响

将市域列车所有的保护接地全部改为串联电阻接地方式，并且将所有电阻器阻值分别设置为0.001 Ω、0.005 Ω、0.01 Ω、0.05 Ω、0.1 Ω、0.2 Ω、0.4 Ω，仿真出各轴的接地电流等效值，如图14所示。

图14

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图14   不同保护接地方式下接地电流等效值


从图14可以看出，1车各轴的接地电流与接地电阻器阻值呈负相关，除此之外，市域列车的2、3、4车接地电流同样随着接地电阻器阻值的增大而逐渐减小。当接地电阻器阻值设置为0.001 Ω时，接地电流分布极不均匀，当市域列车的保护接地电阻器阻值逐步增加时，市域列车所有保护接地轴号的电流均逐渐下降，各轴接地电流等效值之差也逐渐减小，各车接地电流均匀程度不断提高。

由图15可知，当接地电阻器的阻值在0.03~0.1 Ω时，市域列车的接地电流与车体电位都处于较小的数量级，所以，保护接地电阻器的阻值的范围应在0.03~0.1 Ω。

图15

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图15   接地电流与车体电位变化图


4.3 优化方案

将市域列车三路工作接地方式改为4路工作接地方式，将3车2、3、4轴、6车2、3、4轴、2车4轴、7车4轴设置为工作接地，所有保护接地均串联接地电阻器，接地电阻器阻值全部设置为0.05 Ω。

优化前后市域列车接地电流等效值对比如图16所示。从图16可以看出，优化前1车和3车是接地电流主要集中的位置，1车接地电流等效值最大为53 A，最小为5 A；对于3车而言，保护接地电流的最大等效值出现在3车1轴，其值为51 A；优化前市域列车接地电流等效值的最小值位于2车1轴，其值为0.6 A；接地电流等效值最大的差值为52.4 A，其分布极不均匀。优化后，市域列车接地电流等效值的最大值位于1车1轴，为17 A，最小值位于2车2轴，为2.8 A，最大值与最小值之间的差值为14.2 A，可见优化后市域列车接地电流均匀程度得到了较大改善。

图16

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图16   优化前后接地电流分布图


5 结论

本文就市域列车接地回流动态过程问题进行深入研究，构建了动车在一个供电区间内运行时接地回流动态过程的仿真模型，系统地分析了市域列车工作过程中不同轮轴工作接地与保护接地电流的变化规律，利用现场测试数据进一步证明仿真模型的准确性，提出了市域列车接地系统的优化方案。主要结论如下所述。

(1) 在供电区间内行驶时，市域列车3车工作接地电流呈现出先减小后增大的趋势；1车保护接地电流呈现出逐渐增大的趋势；2车与4车的保护接地电流变化趋势与3车相似。

(2) 相较于2路和3路工作接地，4路工作接地方式电流等效值更小，并且接地电流分布更加均匀。在每个保护接地都采用串联接地电阻器方式时，增大接地电阻器阻值，能够有效抑制接地电流的等效值，同时使各轴接地电流分布更加均匀。保护接地电阻器的阻值的范围建议设置在0.03~0.1 Ω。

(3) 采用所有保护接地都安装接地电阻器，且电阻器阻值设置为0.05 Ω时，保护接地电流最大等效值明显降低，接地电流分布均匀性有较大的提升。

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