石瑞霞，李紅梅

?

動車組過絕緣關(guān)節(jié)燃弧過程暫態(tài)仿真研究

石瑞霞，李紅梅

分析動車組低速出入動車運(yùn)用所（庫）通過絕緣關(guān)節(jié)時(shí)的燃弧過程，通過建立等效模型并借助Simulink仿真平臺，仿真分析了不同網(wǎng)壓差對絕緣關(guān)節(jié)電位差、牽引網(wǎng)暫態(tài)過電壓的影響。研究結(jié)果表明，燃弧與兩側(cè)網(wǎng)壓差、動車組運(yùn)行速度及錨段關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)有關(guān)。

動車組；絕緣關(guān)節(jié)；電弧；電磁暫態(tài)

0 引言

為滿足機(jī)械和電氣2方面的要求，電氣化鐵路接觸網(wǎng)常采用錨段關(guān)節(jié)形式實(shí)現(xiàn)供電分段。為保證供電靈活性，動車運(yùn)用所（庫）一般由開閉所供電，其與車站站線供電單元保持相對獨(dú)立，通常在動車走行線設(shè)置絕緣關(guān)節(jié)，以滿足供電分段要求。動車組白天由動車運(yùn)用所（庫）出庫至正線正常運(yùn)營，晚上入庫接受檢修，出入運(yùn)用所（庫）過程中需通過位于動車走行線上的絕緣錨段關(guān)節(jié)。受供電分段的設(shè)計(jì)或?qū)嶋H運(yùn)營過程中的相關(guān)因素影響，絕緣關(guān)節(jié)兩端的供電單元可能存在一定的電壓波動和電位差，動車組從一個錨段運(yùn)行到另一個錨段的過程中，受電弓與接觸線經(jīng)歷由接觸到分離到再接觸狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程，并可能伴隨弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象。燃弧的出現(xiàn)不僅會灼燒接觸線和受電弓，甚至?xí)?dǎo)致動車組運(yùn)行事故[1]。此外，弓網(wǎng)燃弧可能會導(dǎo)致暫態(tài)過電壓現(xiàn)象，威脅動車組及牽引網(wǎng)運(yùn)行安全。因此，有必要對動車組通過絕緣關(guān)節(jié)產(chǎn)生的燃弧問題及其影響進(jìn)行相關(guān)研究。

1 動車組過絕緣關(guān)節(jié)過程分析

在我國高速鐵路的設(shè)計(jì)和建設(shè)中，接觸網(wǎng)錨段絕緣關(guān)節(jié)通常采用四跨、五跨形式。目前，國內(nèi)已開通運(yùn)營的高鐵線路多采用五跨絕緣關(guān)節(jié)，分相區(qū)段及部分線路區(qū)段采用四跨關(guān)節(jié)及其組合形式[3]。以直線段五跨絕緣關(guān)節(jié)為例，動車組通過五跨絕緣關(guān)節(jié)過程如圖1所示。

圖1 動車組通過五跨絕緣關(guān)節(jié)示意圖

圖1中，接觸網(wǎng)五跨錨段關(guān)節(jié)拉出值按照“Z”字形布置。動車組通過絕緣關(guān)節(jié)過程中，假如動車組由位置b向位置a處運(yùn)行，受電弓將從b錨段過渡到a錨段，弓網(wǎng)之間的燃弧可能伴隨如下幾個過程：

（1）受電弓運(yùn)行于位置b處，逐漸接近a錨段，小于一定距離時(shí)，發(fā)生空氣絕緣擊穿，此時(shí)弓網(wǎng)間開始出現(xiàn)燃?。?/p>

（2）受電弓運(yùn)行于B、C絕緣關(guān)節(jié)中心柱中間等高點(diǎn)處時(shí)，將與a錨段接觸，在該位置，受電弓同時(shí)跨接a錨段與b錨段，兩側(cè)接觸網(wǎng)可能由電弧導(dǎo)通；

（3）受電弓繼續(xù)運(yùn)行，由等高點(diǎn)運(yùn)行至位置a為上述過程的反向過程，受電弓運(yùn)行至位置a處，此時(shí)受電弓完全通過絕緣關(guān)節(jié)，并與a錨段完全接觸，弓網(wǎng)燃弧熄滅。

為滿足日益增長的運(yùn)營需求，大型車站、始發(fā)站附近將設(shè)置動車組運(yùn)用所（庫）或停車場，用以停靠更多動車組，且便于車輛日常維護(hù)檢修。通常情況下，停車場與車站正線和站線均由較近的牽引變電所或開閉所同一母線供電。圖2為動車組出、入庫過程中牽引網(wǎng)供電簡化示意圖。

圖2 動車組出、入庫供電示意圖

圖2中，動車組白天由停車場始發(fā)出庫，發(fā)往車站及正線，晚上返回到停車場接受維修檢查，期間均需經(jīng)過動車走行線區(qū)段的絕緣關(guān)節(jié)。動車組出庫過程中，停車場區(qū)段列車集中運(yùn)行，而車站幾乎無牽引負(fù)荷，接觸網(wǎng)絕緣關(guān)節(jié)兩側(cè)容易形成一定的電位差；動車組入庫過程同理。當(dāng)電位差達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，受電弓通過絕緣關(guān)節(jié)過程中會出現(xiàn)持續(xù)燃弧現(xiàn)象。圖3所示為我國某線路動車組通過絕緣關(guān)節(jié)過程中實(shí)拍的燃弧過程。

2 動車組過絕緣關(guān)節(jié)燃弧建模

針對圖1所示動車組出入庫過程中通過五跨絕緣關(guān)節(jié)發(fā)生燃弧，借助Simulink平臺建立如圖4所示等效模型。

圖4 動車通過絕緣關(guān)節(jié)等效模型

圖4中，A()、B()分別表示牽引變電所或開閉所母線電壓；s、s表示牽引變壓器等值電阻及電感，由于絕緣關(guān)節(jié)兩側(cè)接觸網(wǎng)由同一變電所供電，因此兩側(cè)電源等值模型參數(shù)理論上相等；A、A、A分別表示A側(cè)牽引網(wǎng)等值電阻、電感及電容，B、B、B表示B側(cè)牽引網(wǎng)線路等值參數(shù)；AB為五跨絕緣關(guān)節(jié)耦合電容；m、m為正常運(yùn)行的動車組等效模型；arc為等效電弧模型，用動態(tài)電阻表示。根據(jù)我國某線路參數(shù)，由經(jīng)典Carson模型[4]可得圖4模型中各參數(shù)及其計(jì)算值如表1。

表1 等效模型參數(shù)表

模擬動車組出、入庫通過絕緣關(guān)節(jié)燃弧的過程，可通過圖4中的開關(guān)1、2相互配合實(shí)現(xiàn)。假設(shè)動車組由A側(cè)向B側(cè)運(yùn)行表示動車組出庫，根據(jù)第1節(jié)所述的3個過程，開關(guān)1閉合、2斷開即可等效過程（1），開關(guān)1、2均閉合即可等效過程（2），開關(guān)1斷開、2閉合即可等效過程（3）。調(diào)換左右兩側(cè)牽引網(wǎng)參數(shù)值即可模擬動車組入庫過程。

3 動車組過絕緣關(guān)節(jié)燃弧仿真

動車組入庫期間，停車場負(fù)載增加，而動車組出庫后，停車場基本處于空載狀態(tài)，這2種情況下均會造成絕緣關(guān)節(jié)兩側(cè)接觸網(wǎng)由于負(fù)載差異而產(chǎn)生電位差，從而引起弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象。

接觸網(wǎng)一跨錨段長度設(shè)計(jì)約為45～50 m，燃弧主要集中于B、C轉(zhuǎn)換柱中間的區(qū)段。動車組入庫期間，速度要求不超過10 km/h，出庫速度不受限制[1]，但由于出庫動車組啟動不久，速度一般不會太高。若按照10 km/h的運(yùn)行速度，通過整個錨段關(guān)節(jié)時(shí)長約1～2 min。

為便于研究絕緣關(guān)節(jié)兩側(cè)電位差對燃弧的影響，設(shè)置圖4中A、B兩側(cè)接觸網(wǎng)長度相等，且均取1 km；通過改變兩側(cè)電源電壓的幅值大小，模擬由不同負(fù)載變化下不同電位差引起的燃弧過程。由于接觸網(wǎng)額定電壓值波動一般不超過2 kV，因此，設(shè)置左右兩側(cè)電源相位相等，電位差不超過 4 kV。為提高軟件運(yùn)行效率，以下仿真整體縮短各個過程時(shí)間，選取等效電弧模型[5]。設(shè)置動車組由0時(shí)刻開始通過絕緣關(guān)節(jié)，0.5 s時(shí)刻開始出現(xiàn)燃弧，2.5 s時(shí)刻熄弧，即2.5 s時(shí)刻完全通過絕緣關(guān)節(jié)，整個燃弧過程持續(xù)2 s，總時(shí)長取3 s。以兩側(cè)電壓源額定電壓差2 kV為例，仿真得到動車組通過絕緣關(guān)節(jié)期間電弧波形及暫態(tài)電壓波形分別如圖5、圖6所示。

圖5 電弧仿真波形

圖6 接觸網(wǎng)電壓仿真波形

圖5為仿真所得電弧電流及電壓波形。由電弧電流波形可以明顯看到零點(diǎn)時(shí)刻的零休狀態(tài)，與國外弓網(wǎng)電弧試驗(yàn)平臺測試電弧特性波形結(jié)果一致，由此可認(rèn)為選取的電弧模型是有效的，圖4所示的等效電路仿真模型可用于分析動車組過絕緣關(guān)節(jié)產(chǎn)生燃弧的過程及影響。

圖6所示波形即為動車通過絕緣關(guān)節(jié)過程中燃弧對接觸網(wǎng)電壓的影響。圖中實(shí)線標(biāo)注0.1～ 0.5 s期間，動車由接觸網(wǎng)滿載一側(cè)運(yùn)行，設(shè)置接觸網(wǎng)額定電壓為25 kV，2.5～3 s期間，動車運(yùn)行到接觸網(wǎng)空載一側(cè)，設(shè)置接觸網(wǎng)額定電壓為27 kV；虛線為0.5～2.5 s期間出現(xiàn)燃弧，且選取中間2個周期對電壓暫態(tài)波形進(jìn)行放大處理。可以發(fā)現(xiàn)，0.5 s時(shí)刻，電壓出現(xiàn)暫態(tài)過電壓情況，且幅值達(dá)到43.5 kV，2.5 s時(shí)刻電弧熄滅，此時(shí)過電壓值也達(dá)到41.2 kV，高于額定電壓，且燃弧期間接觸網(wǎng)電壓諧波畸變率為9%。結(jié)果表明，動車通過絕緣關(guān)節(jié)期間，電弧是引起暫態(tài)過電壓及電壓波形畸變的重要原因。

按照以上設(shè)置，改變絕緣關(guān)節(jié)兩側(cè)電壓幅值，可得如表2所示不同額定電壓差對絕緣關(guān)節(jié)兩錨段間耦合電位差、暫態(tài)過電壓的影響。

表2 絕緣關(guān)節(jié)電位差、過電壓幅值與網(wǎng)壓差關(guān)系kV

表2中，當(dāng)網(wǎng)壓差為4 kV時(shí)，絕緣關(guān)節(jié)電位差達(dá)到11.7 kV，此時(shí)瞬態(tài)過電壓最大為45 kV；而網(wǎng)壓差為零時(shí)，由于錨段關(guān)節(jié)之間的電容耦合作用，兩側(cè)電位差為7.6 kV，此時(shí)過電壓幅值最小為41.7 kV。本文的仿真僅考慮2 s內(nèi)的持續(xù)燃弧，實(shí)際動車出入庫期間通過絕緣關(guān)節(jié)需要1～2 min，燃弧持續(xù)時(shí)間可能更久，過電壓可能伴隨整個過程。

從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，動車通過絕緣關(guān)節(jié)過程中，燃弧不僅與兩側(cè)網(wǎng)壓差有關(guān)，還與動車組通過絕緣關(guān)節(jié)時(shí)間有關(guān)，即與動車組通過速度及絕緣關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)相關(guān)。因此，平衡絕緣關(guān)節(jié)兩側(cè)牽引網(wǎng)負(fù)載、采用較短絕緣關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)及適當(dāng)提高動車組通過速度均可在一定程度上減少燃弧現(xiàn)象。

4 結(jié)語

動車組通過絕緣關(guān)節(jié)期間，受電弓從一個錨段跨接到另外一個錨段，弓網(wǎng)之間出現(xiàn)分離—再接觸過程，電弧將隨之產(chǎn)生。尤其是在車站與動車運(yùn)用所之間，由于負(fù)荷差異大，列車通過速度低，弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象更加明顯。弓網(wǎng)燃弧不僅會燒損受電弓與接觸線，同時(shí)可能會造成長時(shí)間的持續(xù)過電壓，威脅牽引網(wǎng)及動車組運(yùn)行安全。通過仿真分析，模擬了不同網(wǎng)壓差對絕緣關(guān)節(jié)電位差、牽引網(wǎng)暫態(tài)過電壓的影響。結(jié)果表明，從絕緣關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)、動車組通過速度及牽引供電負(fù)荷分配3個角度進(jìn)行優(yōu)化，可減小動車組通過絕緣關(guān)節(jié)時(shí)的燃弧率，有助于提高高速鐵路運(yùn)營的安全性。

[1] 李振華，王成柱，曹鴻昌. 天津西動車走行B線動車組自動降弓問題分析[J]. 電氣化鐵道，2017，28（3）：49-52.

[2] 黃河. 高速電氣化鐵道接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)施工關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電氣化鐵道，2008（5）：35-37.

[3] 田廣輝. 接觸網(wǎng)絕緣錨段關(guān)節(jié)布置方式研究[J]. 高速鐵路技術(shù)，2012，3（5）：43-46.

[4] 李群湛，賀建閩. 牽引供電系統(tǒng)分析[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，2012.

[5] Wang Y，Liu Z G，Mu X Q，et al．An Extended Habedank’s Equation-Based EMTP Model of Pantograph Arcing Considering Pantograph-Catenary Interactions And Train Speeds[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，2016，31(3)：1186-1194.

[6] Midya S，Bormann D，Schutte T，et al．Pantograph Arcing in Electrified Railways-Mechanism And Influence of Various Parameters-Part II: with AC Traction Power Supply[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24(4)：1940-1950.

By analyzing the arcing process under passing through the insulated overlap section by EMU in a low speed as it enters into or departs from the EMU operation deport (shed), and by means of establishing the equivalent model, being assisted with Simulink simulation platform, the influences to the insulated potential difference and traction network transient over-voltage caused by different network potential differences are simulated and analyzed. The researching results show that the arcing relates to the network potential differences at both sides of network, running speed of EMU and design of overlap section.

EMU; insulated overlap section; arcing; electromagnetic transient

U225.4

B

1007-936X(2018)05-0037-04

2018-04-23

石瑞霞.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，高級工程師；

李紅梅.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，教授級高級工程師。