适用于动车组车轨接地系统的三维等效电路模型构建方法
阅读说明：本技术 适用于动车组车轨接地系统的三维等效电路模型构建方法 (Three-dimensional equivalent circuit model construction method suitable for rail grounding system of motor train unit ) 是由 肖嵩 刘杰 侯昊 申仪想 靳耀耀 周杰 李玉航 叶智宗 童梦园 高国强 于 2021-02-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于动车组车轨接地系统的三维等效电路模型构建方法,具体为：基于动车组车体结构特点,将单节车体等效为长方体结构,其中横向边构成车体横向阻抗,竖向边构成车体垂直阻抗,纵向边构成车体纵向阻抗；将车体保护接地和工作接地等效为竖向的保护接地阻抗和工作接地阻抗；钢轨等效为平行钢轨阻抗；利用LCR测试仪分别对车体横向阻抗、车体纵向阻抗、车体垂直阻抗、保护接地阻抗和工作接地阻抗进行测量并计算实际阻抗。本发明更加清晰直观的表达了动车组接地系统的结构特点,能够有效的运用于动车组接地方式的优化设计,来抑制车体回流和减小车体过电压,使得动车组车载电气设备能够安全稳定的运行。(The invention discloses a three-dimensional equivalent circuit model construction method suitable for a rail grounding system of a motor train unit, which specifically comprises the following steps: based on the structural characteristics of the train body of the motor train unit, the single train body is equivalent to a cuboid structure, wherein the transverse edges form transverse impedance of the train body, the vertical edges form vertical impedance of the train body, and the longitudinal edges form longitudinal impedance of the train body; the protection grounding and the working grounding of the vehicle body are equivalent to vertical protection grounding impedance and working grounding impedance; the steel rail is equivalent to parallel steel rail impedance; and respectively measuring the transverse impedance of the vehicle body, the longitudinal impedance of the vehicle body, the vertical impedance of the vehicle body, the protective grounding impedance and the working grounding impedance by using an LCR tester and calculating the actual impedance. The grounding system of the motor train unit clearly and intuitively expresses the structural characteristics of the grounding system of the motor train unit, can be effectively applied to the optimized design of the grounding mode of the motor train unit, and can inhibit the backflow of the motor train unit and reduce the overvoltage of the motor train unit, so that the vehicle-mounted electrical equipment of the motor train unit can safely and stably operate.)
技术领域
本发明属于电气化铁路动车组安全运行技术领域，具体涉及一种适用于动车组车轨接地系统的三维等效电路模型构建方法。
背景技术
标准动车组牵引传动系统主要由牵引变压器、牵引变流器和牵引电动机组成。以8节编组的动车组(图1)为例，动车组三号车和六号车安装有牵引变压器，其接地方式为工作接地，变压器车两侧车体设置为动车，安装有牵引变流器对牵引变压器二次侧绕组电压进行整流逆变，给牵引电机供电，其接地方式一般为串电阻保护接地。一号车和八号车为拖车，接地方式为轴端直接接地。动车组一般安装有两套受电弓，为了避免在通过分相区时车顶高压电缆形成环流短路，动车在正常运行时，只会升起其中一个受电弓。当变压器车的受电弓升起时，车顶高压系统从接触网上取电受流，牵引电流经车顶高压电缆、车载真空断路器、隔离开关后，将电能传输到三号车和六号车的牵引变压器，再经整流逆变过程，转换成能控制列车运行的交流电压，给牵引电机供电，驱动列车运行。
动车组的接地系统按用途可以分为工作接地和保护接地，工作接地将变压器一次绕组出线端与接地装置相连，变压器一次侧牵引电流被引入轮对，经轮对送入钢轨，再由钢轨送至牵引变电所，实现牵引电流回流；而保护接地则是将动车组车体与接地装置连接，车体是车上众多强弱电设备的公共参考地，理想情况下保护接地可以确保车体与钢轨等电势，防止车载设备受到地电位浮动的干扰。
保护接地按照其接地结构划分，可以分为直接接地方式与串电阻接地方式。动车组直接接地方式是指动车组的车体底部通过接地电缆线直接与接地装置相连，以此实现车体与钢轨间的等电位连接。直接接地方式有利于降低车体电位，尤其是在特殊暂态工况下，车体上将产生暂态浪涌过电压，直接接地方式接地回路阻抗较低，有利于过电压快速泄放到钢轨，进而降低车体电位。但是，在正常运行工况下，车体与钢轨构成并联电路，由于车体阻抗较低，钢轨上的电流会进入车体，形成车体环流，直接接地方式接地回路阻抗较低，会使得车体接地环流现象更加严重。动车组串电阻接地方式是指动车组的车体底部与车轴上的接地装置间串联接入接地电阻器，以增大整个保护接地回路的阻抗值。在正常运行工况下，接地电阻器的高阻值能够有效抑制钢轨上的牵引电流通过保护接地回流到车体上。但是，由于接地电阻器内部含有一定的寄生电感，在特殊暂态工况下，接地电阻器将呈现出明显的高频阻抗特性，不利于车体浪涌过电压通过保护接地泄放到钢轨，造成车体过电压过高。动车组车体是车上众多强弱电设备的公共参考地，车体过电压过高容易造成车载设备绝缘损坏，严重影响动车组运行安全。由于动车组结构复杂，在实际运行过程中车体过电压和车轨回流会受到车体横向阻抗，纵向阻抗，钢轨阻抗，列车转向架阻抗等多方面因素的影响。
发明内容
为了能够更加立体，全面的分析过电压和车轨回流对列车运行的影响，能够更加直观有效的对动车组接地系统进行优化设计，来达到抑制车体回流和减小车体过电压的目的，本发明提供一种适用于动车组车轨接地系统的三维等效电路模型构建方法。
本发明的适用于动车组车轨接地系统的三维等效电路模型构建方法，包括以下步骤：
步骤1：基于动车组车体结构特点，将单节车体等效为长方体结构，其中横向边R1和L1、R2和L2、R3和L3、R4和L4构成车体横向阻抗，竖向边R5和L5、R6和L6、R7和L7、R8和L8构成车体垂直阻抗，纵向边R9和L9、R10和L10、R11和L11、R12和L12构成车体纵向阻抗。
步骤2：将车体保护接地等效为竖向的保护接地阻抗，工作接地等效为竖向的工作接地阻抗；钢轨等效为平行的右侧钢轨阻抗和左侧钢轨阻抗。
步骤3：利用LCR测试仪分别对车体横向阻抗、车体纵向阻抗和车体垂直阻抗的参数进行测试得到测量结果；再将LCR测试仪的测试线两端短路，得到测试线的阻抗；用测量结果减去测试线阻抗即得到车体横向阻抗、车体纵向阻抗和车体垂直阻抗。
步骤4：利用LCR测试仪分别对保护接地阻抗和工作接地阻抗的参数进行测试；再减去测试线阻抗即得到保护接地阻抗和工作接地阻抗。
步骤3具体为：
设测得的测试线阻抗为：R和L；车体横向阻抗的测量结果为Ra，La，则：
(R2+jωL2)//(R1+jωL1+R5+jωL5+R6+jωL6)+R+jωL＝Ra+jωLa (1)
式中，j为复数虚部单位，ω为角频率。
车体纵向阻抗的测量结果为Rb，Lb，则：
(R10+jωL10)//(R5+jωL5+R7+jωL7+R9+jωL9)+R+jωL＝Rb+jωLb (2)
车体垂直阻抗的测量结果的测量结果为Rc，Lc，则：
(R5+jωL5)//(R1+jωL1+R2+jωL2+R6+jωL6)+R+jωL＝Rc+jωLc (3)
因为R1＝R2＝R3＝R4；L1＝L2＝L3＝L4；R5＝R6＝R7＝R8；L5＝L6＝L7＝L8；R9＝R10＝R11＝R12；L9＝L10＝L11＝L12，所以联立(1)、(2)、(3)三式则可求出车体横向阻抗R1和L1；车体垂直阻抗R5和L5；车体纵向阻抗R9和L9。
进一步的，还包括：通过测量，计算得出动车组的车体阻抗和保护接地阻抗，人为将车体与轨道间施加电流，对不同接地方式，接地位置，和接地电阻器的阻值进行试验，测量车体电压和保护接地电流，优化接地系统设置。
本发明与现有技术相比的有益技术效果为：
1、本发明三维建模方法更加清晰直观的表达了动车组接地系统的结构特点，基于三维模型可尝试接地轮对在两条独立钢轨分布的不同接地方案，能够有效的运用于动车组接地方式的优化设计，来抑制车体回流和减小车体过电压，使得动车组车载电气设备能够安全稳定的运行。
2、本发明三维模型可以清楚的反映不同型号动车组在接地方式上的异同点，以便于后续的研究和改进。
附图说明
图1为动车组电气结构示意图。
图2为动车组车体模型图和动车组车体阻抗二维仿真图。
图3为本发明中动车组车体阻抗三维仿真图。
图4为动车组保护接地系统模型图和二维仿真图。
图5为本发明动车组保护接地系统三维仿真图。
图6为动车组工作接地系统模型图和二维仿真图。
图7为本发明动车组工作接地系统三维仿真图。
图8为通过LCR测试仪测试动车组车体横向阻抗示意图。
图9为通过LCR测试仪测试动车组车体纵向阻抗示意图。
图10为通过LCR测试仪测试动车组车体垂直阻抗示意图。
图11为通过LCR测试仪测试动车组保护接地阻抗示意图。
图中标号释义：1—受电弓，2—高压电缆，3—接触线，4—钢轨，5—牵引变压器，6—泄流轮对，7—牵引变流器，8—普通轮对，9—车体模型，10—车体二维仿真模块，11—车体横向阻抗，12—车体纵向阻抗，13—车体垂直阻抗，14—保护接地阻抗，15—右侧钢轨阻抗，16—左侧钢轨阻抗，17—钢轨二维仿真模块，18—工作接地阻抗，19—车载变压器二次侧等效阻抗，20—LCR测试仪，21—转向架，22—接地电缆线，23—轴端接地装置，24—齿轮箱接地装置，25—接地电阻器，26—车底接地位置处，27—钢轨轮对接触点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
如图1所示为8节编组标准动车组电气结构模型图，一车，二车，四车，五车，七车，八车为无工作接地车厢，其中一车和八车为拖车车厢，其保护接地为轴端直接接地方式，二车，四车，五车，七车都为动车车厢，其保护接地为串电阻接地方式，三车和六车为有工作接地车厢。
图2左侧为动车组车体模型图，右侧为车体阻抗二维仿真图，标准动车组车体采用铝合金结构，单节车厢长25.5m，高4.4m，宽3.1m。车体横纵向长度差异造成车体横纵向阻抗参数相差较大。在升降弓等暂态工况下，过电压从车顶设备接地点注入车体，过电压沿车体的纵向和横向传播会有明显不同。
本发明基于动车组车体结构特点，将单节车体等效为长方体结构，如图3所示，其中横向边R1和L1、R2和L2、R3和L3、R4和L4构成车体横向阻抗11，竖向边R5和L5、R6和L6、R7和L7、R8和L8构成车体垂直阻抗13，纵向边R9和L9、R10和L10、R11和L11、R12和L12构成车体纵向阻抗12。
标准动车组每节车下都安装有4个接地装置，如图4所示为无工作接地车厢的接地系统等效模型和二维仿真，图5所示为无工作接地车厢的接地系统三维仿真。拖车车厢的保护接地14全部采用轴端直接接地方式，采用接地电缆线22将车体底部26直接与轴端接地装置23相连，然后经接地装置23、轮对钢轨接触点27连接，实现拖车车体的接地。动车车厢的保护接地14为串电阻接地方式，用接地电缆线22将车体底部26与接地电阻器25一端相连，接地电阻器25另一端经接地电缆线22与驱动轴齿轮箱24处接地装置连接，然后经接地装置23、钢轨轮对接触点27连接，实现动车车体的接地。动车组1、2、3、4轴均接有保护接地14，其中1、3轴的保护接地14与右侧钢轨15相连，2、4轴的保护接地14与左侧钢轨16相连。
如图6所示为有工作接地车厢的接地系统等效模型和二维仿真，图7所示为有工作接地车厢的接地系统三维仿真。工作接地主要作用为牵引电流提供变压器低压端到钢轨的回流通道，在变压器一次侧绕组出侧端引出3根接地回流线，分别连接到车下2、3、4号轴端的接地装置处，接地装置再经接地碳刷、轮对与钢轨连接，形成工作接地回路。其中1轴的保护接地14和3轴的工作接地18与右侧钢轨15相连，2轴和4轴的工作接地18与左侧钢轨16相连。
利用LCR测试仪20分别对车体横向阻抗11、车体纵向阻抗12和车体垂直阻抗13的参数进行测试得到测量结果，分别如图8、图9、图10所示。在测试时，由于车体较长，所需用到的长测试线本身具有一定的阻抗，因此在记录完测量结果后，再将LCR测试仪20的测试线两端短路，得到测试线的阻抗；用测量结果减去测试线阻抗即得到车体横向阻抗11、车体纵向阻抗12和车体垂直阻抗13。
设测得的测试线阻抗为：R和L；车体横向阻抗11的测量结果为Ra，La，则：
(R2+jωL2)//(R1+jωL1+R5+jωL5+R6+jωL6)+R+jωL＝Ra+jωLa (1)
车体纵向阻抗12的测量结果为Rb，Lb，则：
(R10+jωL10)//(R5+jωL5+R7+jωL7+R9+jωL9)+R+jωL＝Rb+jωLb (2)
车体垂直阻抗13的测量结果的测量结果为Rc，Lc，则：
(R5+jωL5)//(R1+jωL1+R2+jωL2+R6+jωL6)+R+jωL＝Rc+jωLc (3)
因为R1＝R2＝R3＝R4；L1＝L2＝L3＝L4；R5＝R6＝R7＝R8；L5＝L6＝L7＝L8；R9＝R10＝R11＝R12；L9＝L10＝L11＝L12，所以联立(1)、(2)、(3)三式则可求出车体横向阻抗R1和L1；车体垂直阻抗R5和L5；车体纵向阻抗R9和L9。
如图11所示为利用LCR测试仪20对动车组保护接地阻抗14进行测试，LCR测试仪20的探头分别加在车底接地位置处26和轮对与钢轨接触点27。各部分参数测试时得到的结果为接地回路参数与测试线参数两者的和值，将得到的参数减去测试线参数值即可得到接地回路参数。
通过测量，计算得出动车组的车体阻抗和保护接地阻抗，人为将车体与轨道间施加一定数量的电流，对不同接地方式，接地位置，和接地电阻器的阻值进行试验，测量车体电压和保护接地电流，达到最优的接地系统设置。
本发明相对二维建模的增效：
动车组接地系统庞大，器件较多，参数之间互为耦合，且数值计算多为非线性变换，很难建立准确的数学模型进行计算，都是建立在理想模型和原理上，因此与忽略了车轨横向、垂向阻抗参数的二维模型相比，更为准确，直观的三维模型的建立就变得非常有必要。我国高速铁路运行的动车组有多种型号，型号不同其接地方式也各不相同，普通的二位建模很难体现出不同型号动车组接地方式上的差别，但是三维模型可以清楚的反映不同型号动车组在接地方式上的异同点，以便于后续的研究和改进。
动车组运行工况复杂，在其实际运行过程中，会受到各种因素的影响，相对于二位建模，动车组接地系统阻抗三维建模能够考虑到的问题更加全面，更具有指导作用。例如牵引电流由接地系统流向钢轨，由于车体和钢轨横向阻抗的存在，可能会导致流经两条钢轨的牵引电流不平衡，当不平衡电流系数大于5％时，就有可能对信号设备造成侵害和干扰，如轨道电路闪红光带或是强电流侵入烧毁设备。由动车组车体阻抗二维仿真和三维仿真对比可以看出表达单一的车体阻抗二维仿真反映不出车体横向阻抗和纵向阻抗等重要影响因素。