李正康，高仕斌，韓正慶，馬戰(zhàn)磊，周文婕，顧 濤

0 引言

在對高速鐵路復(fù)線接觸網(wǎng)進行應(yīng)急搶修時，由于檢修時限和生產(chǎn)運輸條件限制，需要進行V停作業(yè)，即某一行接觸網(wǎng)停電檢修而鄰線正常供電行車的檢修方式[1]。由于上下行線路間存在靜電耦合和電磁耦合，帶電側(cè)接觸網(wǎng)上的電壓和牽引負荷電流會在停電側(cè)接觸網(wǎng)上產(chǎn)生靜電感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電壓，對檢修作業(yè)人員的人身安全產(chǎn)生威脅。因此，對高速鐵路接觸網(wǎng)V停作業(yè)感應(yīng)電壓進行研究，定量得到感應(yīng)電壓的大小，為停電檢修作業(yè)制定安全防護方案，減少感應(yīng)電壓對作業(yè)人員的危害十分必要。針對電氣化鐵路牽引供電方式的不同，文獻[2，3]研究了接觸網(wǎng)V形天窗下直接供電 方式和帶回流線直接供電方式的感應(yīng)電分析及近似計算方法，文獻[4]推導(dǎo)了高速鐵路復(fù)線并行線路感應(yīng)電壓的計算公式。

目前已有的感應(yīng)電壓計算方法大多基于公式推導(dǎo)，未針對車網(wǎng)耦合的實際情況進行精確計算。接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓精確計算的重點在于牽引網(wǎng)模型的建立，文獻[5]建立了集中參數(shù)的簡單牽引供電系統(tǒng)模型，而集中參數(shù)模型不能有效考察牽引網(wǎng)全線的變化情況[6，7]?；诖?，文獻[8，9]針對電氣化鐵路不同供電方式建立了統(tǒng)一復(fù)合鏈式網(wǎng)絡(luò)模型，利用牽引網(wǎng)不同單位長度的集中參數(shù)模型表征牽引網(wǎng)的電氣分布特性。在接觸網(wǎng)V停天窗感應(yīng)電壓防護技術(shù)研究中，文獻[10]提出了應(yīng)在感應(yīng)電壓較大的地點增設(shè)地線，但未給出安裝地線的數(shù)量。文獻[11]則通過大量的測試數(shù)據(jù)，對接觸網(wǎng)V停作業(yè)區(qū)兩端加掛地線的距離進行了探討，但未針對實際檢修工作中的各種情況進行具體指導(dǎo)。

本文在分析感應(yīng)電壓耦合原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的牽引網(wǎng)導(dǎo)體合并算法，在Simulink平臺搭建高速鐵路全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)模型，輸入實際線路的系統(tǒng)參數(shù)和測試得到的牽引網(wǎng)參數(shù)，對接觸網(wǎng)V停作業(yè)時停電線路的感應(yīng)電壓進行精確計算，通過對比仿真分析和現(xiàn)場測試的結(jié)果驗證模型的有效性，進而研究帶電側(cè)列車工況、停電接觸網(wǎng)接地封線位置對感應(yīng)電壓分布的影響，并針對實際檢修工作提出相應(yīng)的接地防護措施。

1 感應(yīng)電壓耦合原理分析

1.1 靜電感應(yīng)電壓

我國高速鐵路普遍采用全并聯(lián)AT供電方式，V停天窗下解列成單線AT供電方式。帶電側(cè)接觸網(wǎng)和正饋線周圍會產(chǎn)生工頻電場，由于上下行之間的靜電耦合作用，會在停電側(cè)接觸網(wǎng)上分別產(chǎn)生方向相反的容性耦合電壓，其大小與帶電側(cè)接觸網(wǎng)電壓、正饋線電壓、上下行互電容和停電側(cè)接觸網(wǎng)對地電容的比值有關(guān)，而與帶電側(cè)牽引負荷電流及接觸網(wǎng)并行長度無關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場實測，當(dāng)帶電側(cè)無列車取流，停電側(cè)接觸網(wǎng)上感應(yīng)電壓最高可達3 000 V，嚴重威脅檢修人員的人身安全，因此在實際檢修中必須采取接地防護措施。根據(jù)《高速鐵路接觸網(wǎng)安全工作規(guī)則》第六十七條規(guī)定，V停停電作業(yè)兩接地線間距大于1 000 m時，需增設(shè)接地線。但在實際搶修工作中，如果由于時間和路況限制，不能滿足兩接地線間距小于1 000 m這一要求，此時需要采取進一步優(yōu)化的防護措施。

1.2 電磁感應(yīng)電壓

當(dāng)停電設(shè)備處在帶電設(shè)備產(chǎn)生的交變磁場中，由于互感耦合作用，在停電設(shè)備上會產(chǎn)生電磁感應(yīng)電勢。在帶電側(cè)接觸網(wǎng)有列車運行時，接觸網(wǎng)、正饋線、鋼軌中流過的牽引負荷電流會產(chǎn)生交變的磁場，磁力線切割停電側(cè)接觸網(wǎng)，從而在停電側(cè)接觸網(wǎng)中產(chǎn)生沿接觸網(wǎng)分布的縱向電勢，該電磁感應(yīng)電勢的大小與線路阻抗、帶電側(cè)列車取流、列車運行位置有關(guān)。正常運行時，電磁感應(yīng)電勢可達數(shù)百伏，而且高速鐵路發(fā)生牽引網(wǎng)短路時，短路電流會達到正常牽引負荷的幾十倍，此時電磁感應(yīng)電勢非常大，應(yīng)予以高度重視。

2 仿真計算

2.1 高速鐵路全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)模型

高速鐵路牽引網(wǎng)是典型的多導(dǎo)體傳輸線系統(tǒng)，利用導(dǎo)體合并原則[12]，借助阻抗運算，通過等效降階過程可以消除計算過程中多導(dǎo)體傳輸線的某些導(dǎo)體[13]，對于上行側(cè)，將同一支接觸網(wǎng)的接觸線CW和承力索MW等值合并為T1，考慮到實際工程中鋼軌R和保護線PW每隔一定距離完全橫聯(lián)一次，故將保護線PW和同一軌道的2根鋼軌合并為R1，與正饋線F1形成3根平行導(dǎo)體，下行側(cè)也做同樣處理，可將復(fù)線AT牽引網(wǎng)等效為六導(dǎo)體傳輸線。若進一步將上下行R1、R2合并，當(dāng)有貫通地線時，可將貫通地線一并合并為1根導(dǎo)體R[14]，最終得到高速鐵路全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)五導(dǎo)體模型。本文利用五導(dǎo)體模型對高速鐵路接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓進行分析計算。

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

對全并聯(lián)AT供電方式下接觸網(wǎng)V停作業(yè)感應(yīng)電壓分布進行了仿真分析，仿真計算中系統(tǒng)參數(shù)選自合福線。具體的仿真條件見表1。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

2.3 計算模型

根據(jù)實際測試得到的牽引網(wǎng)參數(shù)，在Simulink中使用單位長度π型等效電路搭建子網(wǎng)模型?？紤]導(dǎo)線的自阻抗、互阻抗、對地電容以及分布電容，將每隔1 km的牽引網(wǎng)子網(wǎng)封裝成1個模塊，級聯(lián)形成一段長度的牽引網(wǎng)分布參數(shù)模型。本次仿真模型中牽引網(wǎng)共24 km，與外部220 kV電源、牽引變壓器、AT所自耦變壓器、分區(qū)所自耦變壓器一起構(gòu)成高速鐵路全并聯(lián)AT接線圖，見圖1（a）。當(dāng)下行接觸網(wǎng)經(jīng)斷路器實施斷電，而上行接觸網(wǎng)正常供電（V停）時，高速鐵路全并聯(lián)AT仿真模型見圖1（b）。該模型既保留了牽引網(wǎng)導(dǎo)線空間分布的特性，又考慮到分布參數(shù)的影響，可以對接觸網(wǎng)V停時牽引網(wǎng)各導(dǎo)線的感應(yīng)電壓進行較為精確的計算，滿足高速、重載電氣化鐵路對牽引網(wǎng)精細化仿真的要求。

圖1 仿真模型

3 計算結(jié)果分析

在Simulink仿真平臺上搭建了高速鐵路全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)仿真模型后，輸入合福線系統(tǒng)參數(shù)和實際測試中獲得的線路參數(shù)，對比分析仿真結(jié)果、現(xiàn)場感應(yīng)電壓測試值，證明了所建模型的有效性；在此基礎(chǔ)上研究帶電側(cè)列車取流、檢修線路安裝接地封線時感應(yīng)電壓的分布；以人體工頻穩(wěn)態(tài)交流限值為約束，針對實際檢修工作提出相應(yīng)的接地防護措施。本文分4種情況進行仿真，并分別進行仿真結(jié)果分析。

3.1 V停上行無車且下行不接地

V停天窗下，當(dāng)上行接觸網(wǎng)無列車取流，下行接觸網(wǎng)停電且不安裝接地封線時，仿真得到了上行接觸線的空載電壓和下行接觸線的感應(yīng)電壓分布曲線，見圖2。

圖2 V停無車時上下行電壓分布曲線

仿真結(jié)果表明，V停時牽引所上網(wǎng)點處感應(yīng)電壓為3 150 V，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為3 000 V，兩者誤差僅為5%，仿真結(jié)果與實測結(jié)果較為吻合，證明了該仿真模型在V停上行無車且下行接觸網(wǎng)不安裝接地封線時的準確性。對感應(yīng)電壓分布曲線進行分析可以得到，當(dāng)上行接觸網(wǎng)無列車取流，下行接觸網(wǎng)不安裝接地封線時，感應(yīng)電壓至少能達到3 000 V，對檢修人員的人身安全會產(chǎn)生致命威脅，必須采取接地防護措施。

3.2 V停上行無車且下行接地

本節(jié)針對V停上行無車且下行接觸網(wǎng)安裝接地封線的工況進行分析，其中接地封線安裝位置分別設(shè)置在變電所上網(wǎng)點、1/4供電臂處、AT所上網(wǎng)點以及分區(qū)所上網(wǎng)點，仿真結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比見表2～表5。

表2 變電所上網(wǎng)點接地時感應(yīng)電壓對比 V

表3 1/4供電臂處接地時感應(yīng)電壓對比 V

表4 AT所上網(wǎng)點接地時感應(yīng)電壓對比 V

表5 分區(qū)所上網(wǎng)點接地時感應(yīng)電壓對比 V

從表中數(shù)據(jù)可以得到，在區(qū)間上測得的感應(yīng)電壓與仿真結(jié)果誤差較小，進一步驗證了所搭建的模型在計算V停單端安裝接地封線時感應(yīng)電壓的有效性?？紤]到實際線路中AT所處為站場，存在側(cè)線的影響，并且變電所處有電力供電線的影響，同時在現(xiàn)場測試時變電所和AT所回流對地電位有較大影響[15]，因而在變電所上網(wǎng)點、AT所上網(wǎng)點處誤差較大。仿真得到4種不同位置安裝接地封線時的感應(yīng)電壓分布曲線，如圖3所示。

圖3 V停時4種接地封線安裝位置下感應(yīng)電壓分布

通過對比分析可以得到以下結(jié)論：

（1）V停作業(yè)時，當(dāng)上行接觸網(wǎng)無列車取流，下行接觸網(wǎng)單端安裝接地封線時，感應(yīng)電壓較不安裝接地封線時大幅降低，最大不超過120 V，與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)相符。

（2）綜合比較4種接地封線安裝位置下全線接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓可以看出，在變電所上網(wǎng)點安裝接地封線，全線感應(yīng)電壓下降幅度最大，因此可以得出V停作業(yè)時，接地封線安裝位置越靠近牽引變電所（電源側(cè)），防護效果越好?，F(xiàn)場試驗中，在分區(qū)所上網(wǎng)點接地時，測得線路上的感應(yīng)電壓出現(xiàn)最大值。

（3）若接地封線安裝在下行接觸網(wǎng)（停電側(cè)）線路中間位置，則對接地封線兩側(cè)均具有防護效果，并且靠近電源側(cè)防護范圍小于背電源側(cè)?，F(xiàn)場試驗時在1/4供電臂處、AT所上網(wǎng)點接地時，接地點兩側(cè)感應(yīng)電壓均較不接地時降低。

（4）單端接地封線防護范圍至少可達到6 km，可使下行接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓減小至人體工頻穩(wěn)態(tài)交流限值33 V以下[16]，但沒有涉及鄰線有列車取流的工況，因此需要針對鄰線有列車運行時感應(yīng)電壓分布進行研究。

3.3 V停上行有車且下行單端接地

為研究上行有列車運行，下行接觸網(wǎng)安裝接地封線時的感應(yīng)電壓分布規(guī)律，先研究上行列車在不同位置時下行接觸線的感應(yīng)電壓分布，仿真結(jié)果見圖4，進而將列車設(shè)置在產(chǎn)生感應(yīng)電壓最大值的位置，研究下行安裝接地封線時的感應(yīng)電壓分布規(guī)律。其中測試點分別選在第一個AT段距變電所上網(wǎng)點6 km處（測試點1）和第二個AT段距AT所上網(wǎng)點6 km處（測試點2）。

圖4 下行接觸線感應(yīng)電壓隨列車位置分布

從圖4得到，列車在上行接觸網(wǎng)變電所上網(wǎng)點及分區(qū)所上網(wǎng)點附近感應(yīng)電壓較大，因此仿真過程分別在上行變電所上網(wǎng)點和分區(qū)所上網(wǎng)點附近設(shè)置列車，通過改變接地封線位置得到下行接觸線上測試點處感應(yīng)電壓隨接地封線安裝位置的分布，進而確定接地封線的有效安裝范圍，仿真結(jié)果見圖5。由圖4、圖5可以得到如下結(jié)論：

圖5 感應(yīng)電壓與接地封線安裝位置關(guān)系

（1）上行有列車運行，下行接觸網(wǎng)安裝接地封線時，兩個AT段內(nèi)的測試點感應(yīng)電壓均較不安裝接地封線時大幅降低。其中，列車運行在上行接觸網(wǎng)變電所上網(wǎng)點附近時，感應(yīng)電壓最大不超過100 V，但列車運行在上行接觸網(wǎng)分區(qū)所上網(wǎng)點附近時，由于上下行接觸網(wǎng)并行距離達到最大，耦合產(chǎn)生的感性感應(yīng)電壓較大，即使接地封線位置靠近測試點，下行接觸線感應(yīng)電壓仍較大。

（2）上行有列車運行時，接地封線安裝位置靠近測試點，測試點感應(yīng)電壓降低，遠離測試點時，感應(yīng)電壓逐漸升高，并且在測試點兩端相同距離安裝接地封線防護效果相當(dāng)。

（3）列車靠近電源側(cè)時，接地封線的有效安裝范圍較大。列車在上行變電所上網(wǎng)點，下行接觸網(wǎng)不接地時，測試點1、測試點2的感應(yīng)電壓分別為2 984、3 027 V；下行接觸網(wǎng)安裝接地封線時，測試點1、測試點2的感應(yīng)電壓最大分別為79.42、85.83 V。列車運行在上行分區(qū)所上網(wǎng)點，下行接觸網(wǎng)不接地時，測試點1、測試點2的感應(yīng)電壓分別為2 978、2 909 V；下行接觸網(wǎng)安裝接地封線時，測試點1、測試點2的感應(yīng)電壓最大分別為404.4、337.3 V。列車靠近分區(qū)所時，應(yīng)采取較列車在變電所更為嚴格的接地防護措施。

3.4 V停上行有車且下行兩端接地

在測試點附近進行單端接地時，因為上行列車位置的影響，下行感應(yīng)電壓仍會超過人體工頻交流限值33 V，需要進一步研究在距測試點兩端各1、2 km處接地時，測試點感應(yīng)電壓隨上行列車位置的分布規(guī)律。

測試點1選取在第一個AT段距離變電所上網(wǎng)點6 km處，仿真結(jié)果見圖6（a）?？梢钥闯?，在距測試點兩端各1 km處接地時，盡管上行有列車取流，但感應(yīng)電壓均小于33 V，但在距測試點兩端各2 km處接地，當(dāng)列車運行在測試點附近時，感應(yīng)電壓會超過33 V，因此更加嚴格的安全防護措施是在距測試點兩端各1 km處進行接地。

進而在測試點2兩端各1 km處接地進行仿真驗證，測試點2選取在第二個AT段距離AT所上網(wǎng)點6 km處，仿真結(jié)果見圖6（b）?？梢钥闯觯?dāng)上行列車運行在測試點兩端接地封線的防護范圍之外時，即變電所至近電源側(cè)接地點區(qū)間和分區(qū)所至背電源側(cè)接地點區(qū)間，測試點2處的感應(yīng)電壓幾乎為零；即使上行列車運行至測試點時，最大感應(yīng)電壓也小于33 V，驗證了防護措施的有效性。

圖6 感應(yīng)電壓隨列車位置分布

4 結(jié)論

本文在分析高速鐵路V停作業(yè)感應(yīng)電壓耦合機理基礎(chǔ)上，搭建了高速鐵路全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)仿真模型，研究了帶電側(cè)接觸網(wǎng)列車取流、檢修線路安裝接地封線對感應(yīng)電壓分布的影響，針對實際檢修工作提出了對應(yīng)的接地防護方案。通過理論分析和仿真計算得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)帶電側(cè)接觸網(wǎng)無列車取流，檢修接觸網(wǎng)不安裝接地封線，檢修接觸網(wǎng)上感應(yīng)電壓至少能達到3 000 V，會對檢修人員的人身安全產(chǎn)生致命威脅，必須采取接地防護措施。

（2）當(dāng)帶電側(cè)接觸網(wǎng)無列車取流，檢修接觸網(wǎng)單端安裝接地封線時，感應(yīng)電壓會大幅降低，最大不超過120 V；接地封線安裝位置越靠近牽引變電所，防護效果越好，單端接地封線防護范圍至少可達到6 km；需要強調(diào)的是，此時未考慮外部并行電網(wǎng)的影響，若存在外部并行電網(wǎng)，則單端接地封線防護范圍應(yīng)當(dāng)更加保守；若接地封線安裝在檢修接觸網(wǎng)線路中間位置，則對接地封線兩側(cè)均具有防護效果，并且靠近電源側(cè)防護范圍小于背電源側(cè)，因此當(dāng)檢修作業(yè)靠近電源側(cè)時應(yīng)縮短檢修地點與接地封線的間距或增設(shè)接地封線。

（3）當(dāng)帶電側(cè)有列車取流時，即使在測試點附近進行單端接地，感應(yīng)電壓仍會超過人體工頻交流限值，需要增設(shè)接地封線。

（4）在距測試點兩端各1 km處接地，當(dāng)帶電側(cè)列車運行在變電所至近電源側(cè)接地點區(qū)間和分區(qū)所至背電源側(cè)接地點區(qū)間，測試點的感應(yīng)電壓幾乎為零；即使上行列車運行至測試點時，最大感應(yīng)電壓也小于33 V。因此在檢修作業(yè)時，在距作業(yè)點兩端各1 km處進行安裝接地封線的防護措施已經(jīng)足夠安全，若作業(yè)地點接地封線防護范圍內(nèi)有架空電力線，則可將兩端接地封線間距進一步縮小，盡量將外部電網(wǎng)排除在接地封線防護范圍之外。