CRH2型高速动车组雷击短路车体过电压研究

雷击造成的高速列车车体过电压会使高速列车上的通信、监测、控制等弱电设备受到较大的电磁干扰,容易造成设备的逻辑混乱或者误动作。为研究高速列车雷击短路车体过电压,根据实际情况建立了雷电流流过动车组的等效电路模型,分析了改变车体接地电阻和接地电阻器并联电容时,雷击车体过电压波形和幅值的变化情况。研究结果表明:列车接地系统的接地电阻值较大是产生车体过电压的根本原因,通过减小接地系统阻抗或在接地电阻器并联电容,可有效减小车体过电压的幅值,在接地电阻器上并联电容后,车体过电压波形的波头时间增大,波形上升速率变缓,可以有效抑制过电压对动车组的冲击。     

接地方式对高速动车组升弓浪涌过电压的影响

随着高速动车组接地方式的改变,车体升弓浪涌过电压也不相同。本文为分析接地方式对高速动车组升弓浪涌过电压的影响,基于某型动车组接地方式,构建高速列车升弓等效电路模型,在此基础上分析升弓浪涌过电压的产生机理、分布特性,并将现场测试数据与仿真结果进行对比;仿真分析不同接地方式对升弓浪涌过电压的影响。结果表明,高速动车组升弓时,最高车体浪涌过电压幅值达到4.95kV,并在20μs内迅速衰减;采用直接接地方式最高升弓浪涌过电压幅值减小为2.4kV;在接地电阻器两侧并联电容也可有效降低过电压幅值,过电压幅值与并联电容值有关,电容值取10μF时较为合适,此时过电压最小降低为2kV。以上结论可为研究接地方式对于车体升弓浪涌过电压的影响提供理论基础。     

高速动车组降弓浪涌过电压分析

高速动车组受电弓降弓过程产生的暂态过电压,严重威胁车载电气设备的安全运行。基于某型动车组的实体与接地方式,构建了高速动车降弓过程的等效电路分析模型,分析了车体浪涌过电压特性以及接地电阻、互感器、降弓瞬间电压相位对其幅值的影响。结果表明:高速动车组降弓时,各个车体过电压波形基本一致,最高过电压幅值达到4.7KV;过电压随接地电阻增大而增大,其中接地电阻取0.5Ω较为合适;同时电压互感器电感值越大,车体过电压峰值越大;接触网网压相位为90°、270°时,降弓过电压幅值最大。以上结论为提出降低车体浪涌过电压的措施提供了理论基础。     

接地电阻器对升降弓车体浪涌过电压的影响

高速动车组在升弓过程中过电压通过车顶高压电缆耦合到车体,引起车体暂态过电压,严重威胁车载电气设备的安全运行。为了分析在升弓过程中接地电阻器对车体浪涌过电压的影响,基于某型动车组构建了高速动车组升弓等效电路模型,仿真分析了车体过电压的分布特性,定量分析了接地电阻器中电阻和电感对升弓过程车体浪涌过电压的影响,为进一步研究车体浪涌过电压提供了理论基础。     

雷击接触网高速列车车体过电压分析

我国高速铁路大都架设在空旷的野外和高架桥上,没有避雷线的防护,并且高速铁路线路分布地域广,接触网遭受雷击的概率较大。接触网段遭受雷击时将会引起列车车体过电压,危害车内信号监测与控制设备的安全。基于某型动车组的车体接地方式,阐述了雷击接触网时车体过电压产生的机理及入侵途径:一是雷电流通过避雷器注入车体时引起车体电势瞬时抬升,二是接触网中的雷电流在车体-钢轨回路中产生感应电势。通过理论分析和软件仿真,得出在典型雷电波击中接触网时,车体瞬时电势幅值,并提出了降低车体过电压的措施。     

高速动车组雷电波侵入特性及传播规律研究

高速铁路接触网多架设在高架桥上,受雷击概率较高,动车组将会受到接触网雷击过电压的威胁,因此需探讨雷击接触网时沿接触线入侵至动车组高压系统的雷电过电压特性。通过建立牵引网-动车组整体仿真模型,研究雷击接触网时传播至动车组高压系统雷电波波形特征与车载变压器雷电过电压范围,探究雷击点位置对雷电波传播过程的影响。结果表明:雷击承力索/接触线时,动车组雷电侵入波波前时间在10～20μs,波尾时间在30～50μs;随着雷击点和动车组距离的增加,雷电波幅值逐渐降低,波前时间逐渐增加,波尾时间逐渐减小;车载变压器雷电过电压与避雷器保护水平的比值不大于1.34。雷击馈线时,接触线感应电压波尾时间小于标准雷电冲击波尾时间;车载变压器雷电过电压波形近似为平顶波,波前时间大于标准雷电冲击波前时间,波尾时间小于接触线感应电压波尾时间。     

动车组操作过电压特性研究

车载主断路器的频繁动作使得高压电缆及车体上浪涌电压的出现也愈加频繁,一方面导致高压套管及车载设备绝缘老化加快;另一方面,车体上浪涌电压将威胁列车的运行安全以及乘客的人身安全。本文建立牵引变电所-接触网-列车电路仿真分析模型,研究操作过电压的产生机理,分析过电压幅值范围、持续时间、传播规律等特性。结果表明:高速动车组主断路器动作时,高压电缆上将产生过电压,当接触网网压相位为90°、270°时,电缆上过电压幅值最大,最大过电压幅值达到82.6kV,车体上浪涌电压可达2.1kV。本文结论为列车操作过电压抑制措施的研究提供了理论基础。     

电气化铁路接触网雷击过电压研究

在运用电气几何模型对接触网捕雷面进行分析的基础上,考虑地阻抗对导线参数及场线耦合的影响,利用修正的电报方程对雷击时接触网上的电压、电流分布进行求解。建立了绝缘子闪络模型,对雷击过电压下绝缘子闪络进行仿真,分析了支柱通过钢轨接地、支柱上架设避雷器等方式对接触网雷击过电压的影响。仿真结果表明,地阻抗会对接触网雷击过电压的幅值及波形产生一定的影响,应根据设备实际的绝缘配合水平来配置避雷器。     

高速动车组车体接地方式研究

高速动车组车体接地系统采用车体直接接地方式时,会使车体环流过大,导致严重的轴承电蚀,具有极大的行车安全隐患。根据动车组实际电气接线原理,运用Matlab/Simulink仿真分析,解析车体环流在车体直接接地方式下和在不同阻值电阻接地方式下的幅值特性。分析结果表明,电阻接地方式能够有效抑制车体回流。     

车体过电压对动车组轴端速度传感器的影响机理

针对动车组在运行过程中因速度传感器被干扰导致车门无法开启的故障,分析了速度传感器发生电磁干扰的原因,建立和验证了速度传感器的电磁耦合仿真模型,采用仿真模型研究了车体浪涌过电压幅值、信号传输电缆长度及屏蔽层串联电容对速度传感器电磁干扰的影响。研究结果表明,速度传感器的电磁干扰与车体浪涌过电压幅值、信号传输电缆长度和屏蔽层串联电容成正相关,其中车体浪涌过电压幅值的变化对速度传感器产生的电磁干扰影响最大。研究结论为速度传感器的电磁干扰深化研究提供了参考依据。     

接触网耐雷水平及其影响因素研究

研究了单线区段与复线区段雷击次数与雷暴日的关系,给出了雷击接触网不同位置的过电压类型及不同类型雷击产生的过电压幅值计算式,分析了接地电阻、避雷线和避雷器对接触网耐雷水平的影响,分析了不同雷击类型下接触网现有的耐雷水平及接触网耐雷水平的影响因素,提出了提高接触网耐雷水平的建议措施。     

高速列车接地系统对车体电流及过电压分布的影响分析

高速列车独特的轮轨耦合移动接地系统在其行车安全方面起到关键作用,不合理的接地设置无法有效降低车体暂态过电压幅值,会造成设备绝缘击穿,同时,窜入车体的环流会恶化车载设备、轴承的电磁环境,车载设备与人员安全也需要得到充分保障。因此,对高速列车的移动接地系统性能研究,需要兼顾接地电流与车体过电压两项重要指标进行优化改进,服务于提升动车组长期的服役性能。以吸上线区间和电分相区间的“车-所-网”供电和回流系统为例,对动车组车载设备进行参数测量,对“车-所-网”供电系统进行等值计算。基于车载关键设备的实测阻抗参数,构建“车-轨-网”牵引供电系统的等效电路模型,研究车载牵引供电系统高压侧操作过电压特性以及车体过电压的传播规律,解析列车接地系统对车轨环流及车体过电压分布的影响机制,并结合接地回流及车体过电压两方面指标,对比不同接地阻抗参数及布局方式对车体过电压与车轨环流的影响规律。最终,获得一套基于调整电阻、电感以及接地方式的平衡了电压与电流的优化方案。     

高速列车内部过电压形成原理及抑制措施研究

针对高速列车运行过程中出现的内部过电压现象,以车载自动过分相过电压和升降弓过电压2种情况为例,分析过电压产生原理及其影响因素,并建立仿真模型进行验证。为抑制高速列车内部过电压,提出在中性段并联阻波高通滤波器、采用贯通式同相供电系统以及选取合适的车顶电压互感器3种措施。结果表明,高速列车内部过电压与动作时刻接触网电压相位、电压互感器阻抗有关;通过仿真验证,所提出的3种过电压抑制方法均能有效降低过电压。     

铁路隧道电分相结构参数与中性线过电压研究

动车组通过电分相时产生的冲击过电压可能危及接触网绝缘和安全运行,设计中对此十分重视,往往要反复计算和进行方案比较,动车组过分相过电压受电分相结构及其感应电压影响较大。针对隧道内电分相结构的等值电容参数计算,利用镜像法推导其计算公式,计算中性线的等值电容和感应电压,仿真动车组通过电分相的过电压,并与无隧道情况进行比较。结果表明,计入隧道影响时的中性线对地电容为11.21 pF/m,比不计隧道增加61.57%,互电容为11.269 pF/m,比不计隧道减小15.11%;中性线过电压比不计隧道增大30%～40%。隧道中电分相结构设计和运行,应高度重视动车组过分相的过电压升高,并采取必要的防护措施。     

动车组运行接地回流特性分析及优化

动车组运行工况复杂且车体结构具有差异性,车下各轴端接地电流分配不均,给接地碳刷维护带来不便。为探究动车组接地回流的基本分布规律,找出改善接地回流的方法,基于PSCAD仿真软件建立动车组在高速铁路上过吸上线动态仿真模型,并结合现场实测数据验证仿真模型的可靠性,探明动车组与吸上线的相对位置移动时动车组接地回流变化规律。通过分析动车组运行过程中不同车体的各个轴端接地装置处工作接地和保护接地接地电流大小变化趋势,提出对动车组头尾车保护接地加装接地电阻器以及在部分保护接地回路串接阻值不同的接地电阻器两种接地方式优化方案。仿真结果表明:优化方式一保护接地电流较大的1车接地电流整体降低了50%;优化方式二使各车保护接地电流大小限制在72 A以内。优化后的接地方式抑制了保护接地电流大小并使各轴端接地电流分布均匀,以上结论为设计更优良的接地方案提供了理论基础。     

电力机车关节式电分相过电压分析与抑制研究

电力机车通过关节式电分相时,经常发生过电压现象,导致牵引变电所跳闸,对接触网和牵引变电所的安全运行构成严重影响。电力机车通过关节式电分相时,入分相的受电弓与中性线接触、受电弓与接触网分离、出分相的受电弓与牵引网接触、受电弓离开中性线4个过程中容易产生过电压。本文使用Matlab/Sim Power Systems对上述过程进行建模仿真,分析中性段产生过电压的原因,提出抑制过电压措施。仿真结果表明,阻容保护器可有效抑制电力机车通过关节式电分相时在中性段产生的过电压。     

基于ATP-EMTP的牵引网回路对动车组车体接地回路电气耦合作用研究

在高速铁路的运行安全中,车体电压和接地环流是很重要的影响因素。动车组在运行过程中,牵引网回路与车体-接地线-钢轨形成的回路之间存在电气耦合。本文对该电气耦合作用进行研究,推导供电方式下牵引网回路对车体接地回路的电气耦合系数;以CRH380BL型动车组为例,在ATP-EMTP平台上建立车-网耦合模型,建模中用受控源模拟牵引网回路对车体接地回路的电气耦合,并计算各部分模型参数。分别对考虑和不考虑电气耦合的情况开展动车组降弓工况、升弓工况和带载过分相工况的建模仿真,与实测波形进行对比,验证了模型的准确性。通过比较车体电压和接地电流仿真结果,发现该电气耦合作用对车体过电压和接地环流均有一定影响。     

高速铁路27.5kV电缆金属护层的雷击感应电压

在建立并验证高速铁路27.5kV电缆分布式参数等效模型的基础上,采用MATLAB软件仿真研究接触网避雷器经接地电阻接地、避雷器故障导致绝缘子发生雷击闪络2种工况下,雷电流波经接触网入侵电缆线芯导体时接地电阻和土壤电阻率对电缆金属护层雷击感应电压的影响,以及电缆长度、雷电流波陡度对电缆金属护层雷击感应电压的影响。结果表明:电缆金属护层的雷击感应电压最大值随避雷器接地电阻的增加而增加,呈线性关系,当接地电阻增加到10Ω时,入侵电缆线芯的雷电流最大值约为13kA,说明避雷器发挥的保护作用受限;避雷器故障导致绝缘子发生雷击闪络时,如果土壤电阻率大于800Ω·m,电缆金属护层的雷击感应电压最大值超出外护套冲击耐受电压,可能导致击穿外护套;长度为500m的电缆其金属护层的雷击感应电压最大值最小;电缆金属护层的雷击感应电压最大值随着雷电流波陡度的增大而增大,但增长率逐渐下降。     

动车组过吸上线时保护接地电流分布特性

动车组经过吸上线时,电流在与吸上线、钢轨联接点接触的保护接地的轮对上发生局部集中,容易引起碳刷异常磨耗,接地回流不均,对动车组的安全运行构成了一定的威胁。本文利用PSPICE软件建立动车组过吸上线过程的仿真分析模型,分析过吸上线时各保护接地电流的变化与相位变化规律,并与实测数据对比验证,在此基础上,提出了有效抑制措施。仿真和试验结果表明:动车组过吸上线时,其保护接地电流依次增大到最大值,且两头车保护接地电流最大,达到170A;在同一车体上,离工作接地较近的接地点过吸上线时,该车体的两个接地回流相位相同,而较远的接地点过吸上线时,相位相差180°左右;将各车体的两个接地点均设置在离工作接地较远的位置,且在头车上加设电阻器能有效抑制各车体过吸上线时的电流。     

电气化铁路接地困难区段避雷线架设方式研究

在接地困难的路基段接触网支柱大多采用自然接地,支柱接地电阻较大,雷击避雷线后容易遭受反击。分析间隔接地改造和部分绝缘改造对接触网雷电防护性能的影响,并利用PSCAD/EMTDC仿真分析两种接地改造方案的雷电防护性能,从而确定合理的避雷线接地改造方案。研究结果表明:采用间隔接地改造时,接地改造后支柱耐雷水平有较大提高,未改造支柱耐雷水平几乎不受影响,并且接地改造间距小于200 m时雷击跳闸率有较好改善,大于200 m以后雷击跳闸率基本没有改善;采用部分绝缘架设时,导线绝缘子由最初的反击过电压闪络演变成感应过电压闪络,无论避雷线绝缘肩架的绝缘等级高低,都无法提高接触网的耐雷水平和雷击跳闸率,因此不建议采用避雷线绝缘架设模式。