动车组弓网离线过电压特性研究_刘伊宁.pdf

年第 期（总第 期）年 月电瓷避雷器 （）收稿日期：基金项目：四川省科技计划资助（编号：）。（）。：动车组弓网离线过电压特性研究刘伊宁，李相强，王庆峰，张健穹（西南交通大学物理科学与技术学院，成都）摘 要：动车组运行中的弓网离线放电行为会引起车载电路电磁暂态响应，对列车电气和通信系统产生传导和辐射干扰，危害列车运行安全。笔者基于暂态过电压理论，对弓网离线放电问题进行研究，建立离线工况下的动车组仿真模型，研究分析了弓网离线放电的 种典型情况，首次建立了通过临界条件判定控制电弧状态切换的弓网离线过电压仿真模型，并在京雄线复兴号动车组上进行了跟车监测，对仿真结果进行了验证，并分析了弓网离线持续时长的分布规律。关键词：动车组；过电压；弓网离线 ，（，）：，：；引言在动车组运行过程中，由于运行环境较差、运行速度过高、接触线不平整等因素影响，受电弓常与接触线发生分离，这种现象称为弓网离线。弓网离线发生的初期，接触网上的电能可以通过弓网电弧传输到受电弓及牵引系统，但随着离线距离和离线时间的增加，电弧可能发生熄灭和重燃，电弧阻抗发生急剧下降或上升，在牵引回路引发暂态过电压，并且产生辐射与传导干扰。弓网离线根据持续时间的长度进行分类，离线持续时间小于 的为小离线、持续时间介于 的为中离线，超过 的为大离线，一次弓网离线可能经历多次熄弧与燃弧，并在受电弓和接触线上产生过电压和高频振荡。弓网离线的产生会危害动车组的正常与安全运行，因此研究动车离线问题对提高动车组电磁兼容性能，改善动车组运行环境有着重要意义。国内外对弓网电弧放电问题有过许多研究，从上世纪五十年代开始，大量学者提出气体电弧经典模型，并对弓网电弧模型以及电气特性、能量特性等方面基于实测数据与经验公式进行优化。西南交通大学高国强团队利用 仿真平台研究了弓网离线时动车组电气系统的电流分布。年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）已有文献对弓网离线的研究主要聚焦于弓网电弧的电气特性，采用经典电弧理论中的短路电弧模型对弓网离线进行建模，而忽略电弧的熄灭与重燃过程，然而近年来的研究表明弓网电弧的熄灭与重燃瞬间产生的暂态现象才是弓网离线过电压的主要来源。本研究不仅基于经典电弧理论对弓网离线电弧的电气特性进行了分析，还结合暂态过电压理论，分析了包含电弧稳定燃烧、电弧熄灭、电弧重燃 种状态的离线放电完整过程，首次建立了通过临界条件判定控制电弧状态切换的弓网离线过电压仿真模型，并在京雄线复兴号动车组上安装了监测设备，获取了弓网离线时牵引变压器一次侧的电压波形与频谱，仿真和实测表明，弓网电弧在发生熄灭和重燃时产生的暂态过电压显著高于电弧稳定燃烧状态的过电压，进一步验证了建模考虑电弧熄灭与重燃两种状态的必要性。此外，还对京雄线运行全程的弓网离线时间长度分布进行了总结，结果显示弓网离线主要以持续时间 以下的小离线为主。弓网暂态过电压机理分析 过程与产生机理一次弓网离线的简化过程见图，在受电弓与接触网发生脱离接触后，弓网间首先产生弓网电弧，此时弓网电流仍然可以通过电弧在受电弓和接触线中稳定连续传递，不会产生较高的过电压。随着离线时间与距离的增加，弓网电弧的物理性质将变得不稳定，电弧阻抗迅速增大，电弧发生熄灭。当弓网两端的电压恢复到击穿弓网间空气所需要的电压时，将会发生重燃。在弓网电弧发生熄灭与重燃的瞬间，电弧阻抗在极短时间内快速变化，引发车载主回路暂态响应，产生暂态过电压。图 弓网离线过程 电弧状态已有研究多使用 模型模拟弓网电弧，该模型是由德国学者 将 模型与 模型串联组合而成。模型中 参数包括等效电导 和时间常数 以及电弧电压常数，参数包含电弧等效电导 和时间常数 以及电弧消耗功率，模型能反映出弓网离线电弧的非线性动态特性，其方程组表达式如下：|（）理论分析和试验研究表明，当弓网电弧处于稳定状态，电弧电流有效值近似不变，电弧电压梯度取决于中间弧柱部分电压降，沿中间弧柱部分单位长度电压降只与电弧长度有关，而与电弧电流等参数无关，比例基本为正的常数，经验取值为 ，并且电弧耗散功率 与电弧电导 及离线距离 的存在关系，见关系式：（）（）通过查阅文献获取 模拟弓网电弧建模参数，见表。表 电弧参数设置 初始 初始 电弧熄灭与重燃的条件国内学者经过大量实验数据统计，提出电弧熄灭的临界长度经验表达式：（）其中，与 分别为潜供电流与恢复电压峰值。在标准大气状态下（，），空气击穿条件经验表达式如下：（）其中，为弓网间击穿电压，单位为，为气体间隙距离，单位为。模型建立列车运行时，供电站通过将电能通过接触线传输到列车顶部的受电弓，并通过受电弓经车内的高压线缆向车载牵引动力系统提供电能。供电所可以等效为一个带有内阻的交流电流源，接触线与受电弓可以等效于包含分布参数的有耗导线。因此，年第 期动车组弓网离线过电压特性研究（总第 期）建立弓网离线过电压模型需要考虑弓网电弧建模、牵引供电网络、车体及接地系统 部分。电弧建模电弧建模考虑 种典型情况：电弧处于稳定燃烧状态、电弧长度超过临界值瞬间熄灭、弓网电压重新击穿空气。利用 节中 电弧可以对稳定燃烧状态下的弓网电弧进行模拟，并根据经验公式对参数进行优化，反映离线距离等参数对电弧属性的影响。电弧发生熄灭瞬间，电弧阻抗在 时间内从稳定燃烧时的数十欧姆迅速上升至 量级，其过程类似与断路器的断闸，因此可用断路器对此过程进行模拟。与此类似，电弧的重燃也可以使用断路器的闭合模拟。根据 节所述内容，可以通过离线距离、弓网电压、弓网电流 个参数判定断路器的关断与闭合，以此来模拟电弧的重燃与熄灭。图 电弧模块 电弧模块整体建模见图，模型主要由以下 部分组成：）离线轨迹输入模块：建模见图，输入弓网离线距离函数，并将函数转化成电弧的运行参数。图 离线轨迹输入模块 ）电弧等效电路：建模见图，其功能是模拟电弧平稳燃烧时弓网两端的等效阻抗。图 电弧等效电路 ）熄弧重燃控制电路：建模见图，根据实时参数发生的条件进行判定，并在满足熄弧条件时对回路进行断路操作，在满足重燃条件时对回路进行闭合操作。图 熄弧重燃控制电路 牵引供电网络及车体接地系统建模基于等效阻抗方法，将每节车厢简化等效为一个四边形阻抗网络，分别选取列车底部与顶部、列车左侧墙面与右侧墙面作为阻抗参考点。除车体外，车厢间的电气连接简化为电阻和电感串联成的等效模型，每节车厢设有前后两个保护接地电路，可以等效为一个电感与电阻串联而成的接地阻抗。简单链型悬挂下供电臂长度为 ，弓网离线工况通常发生在远离供电所位置处，因此设置供电臂长度为最大值 。通过现场实测、等效计算、查阅资料等方式获取模型中各元件参数值，牵引供电系统网络典型参数，设置接触网导线电阻值为 、电感值为 、接触网与受电弓间的等效电容为 ，动车组金属枕轨等效回流电阻值为 ，回流电感值为 ，变压器励磁电感 ，变压器励磁电阻 ，列车等效模型各参数见表 ，整体建模见图。年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）表 车体及接地系统参数 描述值描述值描述值描述值车体横向电阻 车体纵向电感 电阻接地电感 车间连接线电阻 车体横向电感 直接接地电阻 工作接地电阻 车间连接线电感 车体纵向电阻 直接接地电感 钢轨单位电阻（）接地电阻器电阻 车体横向电阻 电阻接地电阻 钢轨单位电感（）牵引变电所电压 图 整体建模 仿真分析仿真模拟弓网离线中的 种典型情况下的动车组牵引回路变压器一次侧的电压波形：）电弧处于稳定燃烧：设置电弧模块初始状态为回路导通，时刻开始弓网发生脱离，离线距离恒为 并运行模型。仿真结果见图，在 时产生一个振荡，并随时间逐渐衰减。图 电弧稳定燃烧仿真波形 ）电弧发生熄灭：离线距离逐渐增大，电弧无法维持燃烧，电弧阻抗在极短时间内迅速增大，引发弓网电流中断。设置断路器初始状态为闭合，离线距离从 开始逐渐增大，并在 时刻增大到临界值，仿真结果见图，在 时刻电压快速中断，产生一个过电压振荡，并随时间逐渐衰减。图 电弧熄灭仿真波形 ）电弧发生重燃：弓网间电压增大到超过空气击穿条件后，电弧阻抗从断路时的极大值迅速下降，电弧重新进入稳定燃烧状态。设置断路器初始状态为断开，在 时刻离线距离减小至 。仿真结果见图，在 时电压迅速上升，产生一个过电压振荡并随时间逐渐衰减。图 电弧重燃仿真波形 年第 期动车组弓网离线过电压特性研究（总第 期）弓网离线随车监测为验证仿真模型及结果的正确性，在京雄线复兴号动车组上安装在线监测系统进行跟车试验，记录弓网离线过电压。监测系统采集记录电压互感器二次侧的电压波形，然后传输到计算机中保存数据，测试现场布置见图 图。图 电流测点 图 电压测点 图 监测系统布置 由于数据记录的是电压互感器二次侧波形，需要通过矢量匹配法反演程序对数据进行后处理，通过变压器互感器二次侧实测数据和提前测好的变压器宽频传递函数计算出一次侧波形，并对波形进行快速傅里叶变换，观察弓网过电压高频分量。一次典型的小离线过电压波形见图（），在 时发生短暂离线，时域产生一个峰值 的振荡，并随时间逐渐衰减，由于离线时间很短，电弧以稳定燃烧状态存在，并且未达到熄灭的临界条件弓网便重新接触。其频谱波形见图（），高频分量集中于 附近，稳定状态下高频振荡持续时间较短，幅值较小，因此高频部分峰值仅为 。图 电弧处于稳定燃烧状态 一次中离线过程中电弧发生熄灭时的波形见图（），在 处电弧发生熄灭，产生一个峰值达 的振荡。并且在 左右时刻击穿空气短暂重燃，但由于离线距离过长，电弧状态无法维持，在 左右完全熄灭。其频谱波形见图（），高频分量集中于 附近，峰值达 。图 电弧发生熄灭 一次中离线过程中电弧发生重燃情况下的波形见图（），在 电弧处于反复重燃与熄灭的交替过程，直到 时刻重燃后，产生过电压，并逐渐恢复到工频正弦波状态。其频谱波形见图（），高频分量集中于 附近，峰值达 。年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）图 电弧发生重燃 将实测数据与仿真波形进行对比，其中电弧处于稳定状态下的弓网过电压仿真结果最符合实测波形。在实际运行中的熄弧和重燃过程中，弓网电弧的状态具有一定的不稳定性，电弧在熄灭后由于牵引主回路的暂态响应，弓网电压可以迅速升高超过空气击穿电压发生重燃，但由于离线距离过长等因素影响，这种短暂的重燃难以维持，电弧发生多次短暂的重燃 熄灭过程后，最终彻底熄灭。熄弧与重燃过程的仿真则是在理想条件下进行，只分析了单次熄弧和燃弧过程的过电压波形，而忽略了电弧熄灭后不稳定状态下多次的重燃过程，但仿真和实测的熄弧与重燃过程具有一致的波形特征，在电弧发生熄灭与重燃的瞬间，电压迅速下降或上升并产生暂态过电压与振荡，并随时间逐渐衰减。此外，仿真与实测一致说明弓网电弧发生熄灭与重燃时产生的过电压显著高于电弧稳定燃烧状态下产生的过电压。监测系统在动车组京雄线运行全程中一共监测到 次弓网离线波形，时间长度分布见表，在捕捉到的 次弓网离线中有 次为小离线。虽然实际运行中的弓网离线以小离线为主，但从危害性出发，弓网离线过电压的研究重点仍应聚焦于中离线和大离线的熄灭与重燃过程。表 弓网离线的时间长度分布 类型触发次数小离线（以下）中离线（）大离线（以上）总计 结论笔者从弓网离线工况下的过电压产生机理出发，针对高速动车组这一研究对象，仿真得到了 种典型情况下的车体过电压特性，并通过试验加以验证，得出以下结论：）弓网离线的 种典型情况中，稳定燃弧状态下产生的过电压最小，振荡峰值仅为数千伏，而电弧熄灭和重燃瞬间的暂态过电压可达 以上。）离线过电压的高频分量集中于 频率范围，并且峰值集中在 之间。）通过对京雄线复兴号动车组运行全程的弓网离线时长分布进行分析后发现，动车组运行过程中弓网离线以小离线为主。参考文献：霍宏艳 高速动车组电磁骚扰源建模仿真分析北京：北京交通大学，胡杨 重庆 地铁列车单元内双弓受流应用 铁道机车车辆，（）：，（）：万玉苏 高速动车组操作过电压特性与影响机制研究 成都：西南交通大学，（）：，（）：，（）：沈致君 弓网离线电弧电磁干扰问题的研究 北京：北京交通大学，杜劲超 真型变压器局部放电超高频信号传播特性与仿真建模研究 重庆：重庆大学，刘春成，徐琳，张坤