动车组接地方式对电弧灼伤钢轨和绝缘节影响研究

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  摘要:现场采集了切断点处(“一头堵”)绝缘节两端的电压、电流和电弧录像,对轮轨间电弧的特征和机理进行研究,提出了以CRH380AL(分散接地泄流)和CRH380BL(集中接地泄流)两种不同接地方式下出现电弧的概率,并通过现场测试数据验证这两种车型出现的电弧强度和概率,基于两种车型的比较,提出了一种动车组接地方式建议,它能够抑制动车组的电弧,同时为动车组接地优提供方向。
  关键词:电弧;切断点;绝缘节;动车组接地
  Abstract:Collected at the scene cut point(“a head block”),the voltage across the insulated section,current and arc video between wheel and rail to the arc characteristics and mechanism study proposed a CRH380AL(dispersion ground discharge)and CRH380BL(centralized grounding discharge)the probability of occurrence of an arc two different grounding modes,and data validation through field tests arc intensity and the probability of the emergence of these two models,based on the comparison of the two models,made possible to suppress the arc EMU grounding recommendation,excellent grounding for the EMU to provide direction.
  Keywords:arc;cut off point;insulating section;EMU ground
  引言
  我国国情、路情复杂,尤其高速铁路牵引回流大、站场股道多,为了避免轨道电路形成“第三轨”,站内某些绝缘节处扼流变压器的中心板不连通,导致牵引电流只能从单侧回流,另一侧形成回流切断点,这种情况就是我们俗称的“一头堵”现象[1][2]。
  图1为京沪高铁某六股道车站的平面图,在其侧线股道设置了四个“一头堵”位置。
  高速铁路动车组速度高,牵引功率大,在轮对通过切断点位置,牵引电流的切断会带来电弧,如图2所示,钢轨被电弧灼伤会直接影响接头部位钢轨机械性能使钢轨使用寿命缩短,同时造成使动车组通过时有安全风险。
  1 交流电弧特征和机理
  现场测试采集了单侧回流条件下,侧线发车动车泄放的牵引电流、切断点处绝缘节两端电压和高速摄像机拍摄的电弧照片。在这里按照球状电弧的直径大小,对电弧强度归纳为4个等级,见表1所示。
  表1中4种电弧等级分别对应不同工况的动车泄放电流和切断点绝缘节两端电压,为描述方便,在无电弧出现时,电弧等级为0级。下表2表示5种牵引电流等级条件下,对应的绝缘节两端电压,及瞬态电弧出现的最高等级。
  现场记录的动车组泄放电流最高在240A以上时,此时绝缘节两端电压为60V以上,电弧强度达到4级。该情况通常出现在切断点色设置在发车进路侧,此时电弧对钢轨及绝缘节灼伤最严重。
  在动车组泄放的牵引电流小于80A时,绝缘节两端形成的电压在20V以下,此时高速摄像机观测不到明显电弧,现场钢轨及绝缘节无明显灼伤。
  综合以上要素对电弧的影响分析,归纳如下:
  (1)电弧强度与切断的电流大小有直接关系,轮对切断的电流越大,则电弧强度越高;
  (2)绝缘节两端电压是维持电弧燃烧的必要条件,电压越大,电弧弧柱维持长度越长。
  2 动车组接地方式对电弧的影响分析
  对国内几种主要的动车组的接地方式简要说明,并对京沪高铁的主力车型CRH380BL和CRH380AL过切断点过程为例进行分析,发现动车组集中接地和分散接地泄流方式对过绝缘节拉弧有较大的影响。
  2.1 动车组接地及泄流介绍
  动车组接地可以分为两大类,一种是集中接地方式,即牵引变压器一次侧的电流从某几个轮对泄流,主力车型为CRH380BL;另一种是分散接地方式,即牵引电流从多个轮对上泄流,主力代表车型为CRH380AL。
  动车组在运行过程中,其泄流和非泄轮对通过绝缘节切断点时,牵引电流流向示意图,如图3所示。
  对于泄流轮对,有纵向泄放的牵引电流被切断,且绝缘节两端存在电压,泄流轮对易产生拉弧。
  非泄流轮对本身没有纵向电流,当轮轨接触踏面短路切断点的绝缘节两端时,建立了一条新的横向电流回路,轮对离开绝缘节时,切断了横向电流,且绝缘节两端有电位差,非泄流轮对过切断点时也产生拉弧。
  2.2 动车组集中接地方式泄流对拉弧的影响
  以CRH380BL轮对通过有切断点绝缘节为例,对集中接地方式泄流进行分析[4]。
  CRH380BL的接地方式示意图,如图4所示,16節编组型总计4个主变车,每个主变车将2、3轮对设置为工作接地,这种结构属于集中泄流方式。在中间8、9号设置了4个通过电缆直接连通车体和轮对的保护接地。
  选择CRH380BL的1、2和3车作为研究对象分析轮对过切断点绝缘节的过程。1车和3车没有设置工作接地,2车的工作接地通过接地装置集中设置在第2和3轮对泄流。动车组向左运行时,切断点A右边轨道的牵引电流回流变电所,如图5所示。在1车通过切断点A时,A两端存在电位差,1号车4个轮对均有横向电流切断,这样1车4个轮对都有可能发生非泄流轮对拉弧。   列车继续向左前进,如图6所示为2车轮对过切断点绝缘节的情况,2车的第2和3轮对参与电流I的集中泄流,单个轮对分别泄放I/2,由于A两端的钢轨通过轮对的公共接地端子形成等电位,A两端电压U=0,对于2车的泄流第3个轮对,单个纵向切断的电流是I/2,所以,CRH380BL的泄流轮对电弧明显。2车除了第2个轮对外,其余3个轮对易出现拉弧。
  3车的过程和1车类似,4个轮对都有可能发生非泄流轮对拉弧。
  如图7所示,8车和9车设置了保护接地,根据前面类似分析,8车的第3、4轮对和9车的第1轮对出现拉弧可能性很小,9车的第2轮对有可能会切断横向电流拉弧。
  通过上述物理过程,总结CRH380BL型车为代表的集中型泄流方式的过切断点绝缘节结论如下:
  (1)CRH380BL型动车组的8车和9车设置了保护接地,总计有5个轮对可能出现拉弧;其余10个非主变车,总计40个非泄流轮对均可能出现拉弧。
  (2)CRH380BL型动车组的4个主变车2、7、10和15号车设置工作接地,有可能出现4个泄流轮对拉弧和8个非泄流轮对拉弧。
  (3)16节编组的CRH380BL总共64个轮对中,有共计57个轮对可能出现拉弧。
  下面通过对现场CRH380BL过绝缘节切断点的实际情况进行分析,来验证上述动态物理过程。
  图8所示为沧州西站现场布置示意图,动车组从侧线5G发车,对动车组的发车过程进行分析:
  采集测试点3机械绝缘节两端的电压,如图9所示。
  测试点4扼流变中心连接板的电压,如图10所示。
  在这里需要说明:只有当有纵向电流泄放的变压器过切断点时,电压电流的有效值曲线才会有明显变化,在上图中描述的过切断点状态开始时间,实际指的是有工作接地的主变车第2个轮到达切断点的时间。
  (1)静止状态
  动车组0-15s时间内在5G处于静止状态,此时动车组准备发车。
  (2)启动加速状态
  第15s开始发车,并加速出站,至第54s时,2号车第2个轮对到达切断点,此时切断点绝缘节两端电压为80V,测试点处电流330A。
  (3)过切断点状态
  第54s时,2号车第2个轮对经过切断点绝缘节,2车的第2、3轮均为泄流轮对,此时短接切断点的两端,实际测量电压值只有3V。2车的第2轮对经过切断点的暂态电压和测试点4的暂态电流波形变化趋势如图11所示,绝缘节两端电压由80V变为3V,且无电弧电压出现,即判断无电弧。
  当2车第3轮对离开切断点时,会有电流的纵向切断,且此时绝缘节两端有会形成电压,波形变化如12所示,绝缘节两端电压由3V变为53V,并有电弧电压出现,此过程易形成电弧。
  在这里对2号车第4轮对,即非泄流轮对过切断点进行分析,其暂态波形图13所示,出现明显电弧电压,即非泄流轮对易出现拉弧。
  (4)出清状态
  直到第71s,第15车的第3个轮对(最后一个泄流轮对)离开切断点,13#道岔岔前測试点的电流瞬间减为0。
  2.3 动车组集中接地方式泄流对拉弧的影响
  以下讨论CRH380AL的接地方式为例,对轮对通过有切断点绝缘节的过程进行分析。
  如图14所示为CRH380AL的接地方式示意图,1和16号头尾车作为无动力拖车,不参与纵向泄流;其他2-15节车均是动车(轮对涂黑表示轮对有牵引电机),每2个动力拖车组成一个动力单元,所有轮对均参与纵向泄流,属于典型的分散泄流方式。
  以CRH380AL的几个车辆单元作为研究对象,分析其过切断点绝缘节过程,如图15所示。1车没有设置运行和保护接地,第2、3车为一个动力单元均设置运行和保护接地。假设主变车泄放的电流为I,由于第2、3车的8个轮对都进行泄流,因此每个轮对泄放的电流为I/8。在1车轮对过A之前,A两端存在电压,且1号车4个轮对均有横向电流切断,这样1车4个轮对都有可能发生非泄流轮对拉弧。
  列车向前运行,此时牵引电流的回流通道如图16所示。2车的4个轮对和3车的前3个轮对在经过A点的过程钟,这些轮对虽有横向和纵向电流切断,但A两端的钢轨通过轮对的公共接地端子形成等电位,此时A两端电压U=0,所以2车和3车的前7个轮对很难出现拉弧。
  当3车第4个轮对在经过A点前后,A两端存在电压,且3车第4个轮对切断的纵向电流理想情况为I/8,3车第4个轮对可能会出现拉弧。
  通过以上物理过程,总结CRH380AL车型为代表的分散型泄流方式的过切断点绝缘节的情况,结论如下:
  (1)CRH380AL型动车组车头和车尾的8个非泄流轮对出现拉弧的可能性大;
  (2)CRH380AL型动车组的每个动力单元的最后一个轮对出现拉弧的可能性大;
  (3)16节编组的CRH380AL总共64个轮对中,理论上有共计15个轮对可能出现拉弧。
  下面对现场CRH380AL过绝缘节切断点的实际情况进行分析,来验证上述动态物理过程。
  动车组同样从侧线5G发车,如图8所示,对动车组的发车过程进行分析:
  采集12#道岔岔前绝缘节两端电压值,如图17所示。
  采集13#道岔岔前扼流变中心点电流值,如图18所示。
  (1)静止状态
  动车组0-11s时间内在5G处于静止状态,此时动车组准备发车。
  (2)启动加速状态
  第11s开始发车,并以5档加速出站,动车启动加速经过44s,前进距离S为190m左右,2号车的第1个轮对到达切断点,此时切断点绝缘节两端电压为38V,测试点处电流180A。   (3)过切断点状态
  第55s时,2号车的首个轮对通过切断点,因2号车与3号车采用共接地端子分散泄流,此时泄放的牵引电流通过车体和钢轨重新分配,需要说明:理想情况下,绝缘节两端电压通过车体之间的连接电缆和接地装置间的电流产生的压降接近0,而实际情况下,会产生一个震荡电压,大约为0~10V,但难以维持电弧。接下来的6个主变车重复上述过程,且测试点的牵引电流和绝缘节两端电压呈逐渐下降的趋势,与现场观测到随着动车通过切断点,电弧逐渐减弱相符。
  (4)出清状态
  当第15车的最后一个轮对离开绝缘节切断点时,测试点13号道岔岔前电流瞬间减为0。
  3 动车组接地方案建议
  通过上述对CRH380BL和CRH380AL两种动车组通过切断点时的电弧强度和次数对比发现:
  (1)以CRH380BL为代表的集中泄流接地方式动车组,64个轮对中理论上有57个轮对出现电弧,单个轮对切断的牵引电流大,电弧强度高;
  (2)以CRH380AL为代表的分散泄流接地方式动车组,64个轮对中理论上有15个轮对出现电弧,且单个轮对切断的牵引电流较集中泄流方式小,电弧强度减弱。
  抑制电弧的动车组理想接地方案:若通过电缆依次连通头车、尾车以及每个动力单元的非泄流、泄流轮对,使整列車的全部轮对共同参与泄流。理论上只有最后一辆车的最后的一个轮对离开时会出现拉弧,如图19所示。
  经过现场测试数据分析,当列车的最后一个轮对离开切断点时,横向和纵向电流非常小,绝缘节两端电压幅值小于15V,所以不会出现电弧。
  4 结语
  通过电缆使每个动力单元之间相互连通,整列车所有轮对共同参与泄流,可以有效消除电弧对钢轨和绝缘节的灼伤,建议动车组相关研究部门研究该方案对车体电磁兼容的影响。
  参考文献:
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