一种动车组保护接地回流评估与优化方法

摘要

本发明公开了一种动车组接地回流评估与优化方法，本方法是通过改变各接地轴串联接地电阻值，改善动车组接地电流在动车组接地轴之间的分布，降低接地电流的幅值，实现动车组接地系统的优化。

权利要求

1.一种动车组保护接地回流优化与评估方法，其特征在于以下步骤：步骤一：针对CRH‑380A型动车组建立适用于接地回流系统的等效电路参数模型；

步骤二：基于CRH‑380A型动车组接地回流系统的等效电路参数模型列举待选接地回流方案；

步骤三：针对列车典型工况解析各接地轴电流幅值与相位演变特征，提出幅相曲线拟合方法；

步骤四：基于极坐标下幅相曲线图像特征，提出接地回流系统性能的评判指标；

步骤五：基于步骤二中提及的所有接地回流方案，依据步骤四逐一计算不同典型工况下的评判指标，寻找一种动车组接地回流系统的优化方案；

步骤一的详细步骤如下所示：

1)CRH‑380A型为8编组列车，由8个高度对称的列车单元连接而成，牵引变压器装载在列车单元‑3(3)与列车单元‑6(6)上；基于动车组整体对称性与重复性，所有车体的保护接地系统等效电路模型相同，而列车单元‑3(3)与列车单元‑6(6)上还设有工作接地系统；

在动车组列车接地回流系统的等效电路模型中，RL1、LL1为列车单元‑1(1)最左侧接地轴至列车左侧吸上线之间钢轨的等值电阻与电感；RL4、LL4为列车单元‑8(8)最右侧接地轴至列车右侧吸上线之间钢轨的等值电阻与电感；RL2、LL2为位于列车单元‑3(3)上的3号受电弓(13)至左侧牵引变电所之间接触网的等效电阻与电感；RL3、LL3为位于列车单元‑6(6)上的6号受电弓(10)至右侧牵引变电所之间接触网的等效电阻与电感；Rs、Ls、Us牵引变电所的等效电阻、电感与电压；每个列车单元有4个接地轴，从列车单元‑1(1)至列车单元‑8(8)的方向看4个轴依次命名为1轴、2轴、3轴和4轴，Rzz、Lzz为2轴与3轴之间车体的等效电阻与电感；

Rll、Lll为1轴与2轴和3轴与4轴之间钢轨的等效电阻与电感；Rtl、Ltl为2轴与3轴之间钢轨的等效电阻与电感；Rg、Lg为相邻两车体之间钢轨的等效电阻与电感；Rc、Lc为相邻两车体之间车体的等效电阻与电感；R1到R32为1到32个接地轴所串联的接地电阻值，RW为工作接地系统中接地轴至钢轨的等效电阻；

步骤二的详细步骤如下所示：

1)接地电阻数值的选择取6种数值，即0mΩ、10mΩ、20mΩ、30mΩ、40mΩ、50mΩ；

2)针对CRH‑380A型动车组的8个列车单元，基于车体结构的对称性，前四车与后四车一一镜像对应，对应两轴所串联的接地电阻值一致，将前4车共16轴的串联接地电阻逐一依次

16

设置为上述6种数值，即总计有6 的接地电阻组合方式；

步骤三的详细步骤如下所示：

1)针对列车启动加速、稳定运行、制动减速三种典型工况，基于CRH‑380A型动车组等效电路参数模型，每一列车单元均有4个接地轴，动车组整体共计32个接地轴，采集所有接地轴中的电流信号，同时建立相应数据库系统，提取第i轴电流幅值I(i)，第i轴电流相位

2)根据 其中i等于0、1、2……31，使用人工神经网络算法拟合不同轴电流幅值关于该轴电流相位的曲线，表达式如下所示：其中a0、a1、……、a31为解析系数；

步骤四的详细步骤如下所示：

1)针对动车组接地回流系统提出一种评判整体接地电流幅值指标C1，如公式2中所述C1为接地电流幅值分布参数，用于评估动车组整体接地电流幅值的大小；其值越小，优化效果越好， 表示各接地轴电流相位最大值；

2)针对动车组接地回流系统提出一种衡量各轴电流分布均匀度的指标C2，如公式3中所述

其中 表示拟合曲线函数 关于电流相位 的一阶导数， 表示拟合函数关于电流相位 的二阶导数；C2是用来衡量各轴电流分布的均匀度的指标，其值越小说明各接地轴电流分布均匀度越好，是对流过各接地轴电流分布均匀度的综合评估；

步骤五的详细步骤如下所示：

16

1)针对步骤二中所述共计的6 种接地电阻设置方式，分别计算启动加速、稳定运行、制动减速三种典型工况的C1数值，分别表示为C1‑speedy、C1‑stable及C1‑slow；同时计算三种典型工况下的C2数值，分别表示为C2‑speedy、C2‑stable及C2‑slow；

2)针对动车组接地回流系统提出一种系统整体指标D，如公式4中所述

3)根据不同接地回流系统的整体指标D求解特征矩阵P、Q，如下所示：T

P＝D·D        (5)T

Q＝D·D        (6)

4)计算接地回流系统评估指标W+

W＝|P·Q|      (7)+

其中Q表示矩阵Q的广义逆矩阵，若接地回流系统评估指标W<1，则表明该种接地回流方式性能优良。

说明书

一种动车组保护接地回流评估与优化方法

技术领域

[0001] 本发明属于动车组接地回流系统领域，具体涉及动车组保护接地回流评估与优化方法。

背景技术

[0002] 动车组列车由于其安全稳定、实惠舒适等优点，在我国飞速发展。动车组的接地回流系统分为工作接地系统和保护接地系统，工作接地系统是在动车组正常工作时使配电网
输送给牵引变压器的电流通过接地轴流至钢轨，最后通过吸上线流回牵引变电站的装置。
保护接地系统是通过接地轴将故障电流和过电压泄放至钢轨，从而保障列车安全稳定运
行。但是由于同车两轴、不同车临轴之间的车体和轮轴之间的钢轨存在等效阻抗，工作电流
会有一部分流过保护接地系统的各接地轴，而这一部分电流在不同接地轴之间存在电流分
布不均匀，电流幅值大的问题，前者会使得接地碳刷的维护工作变得复杂，前者会使得车体
电磁环境幅复杂，干扰车内相关设备的正常工作，并且会加剧接地碳刷磨损，因此有必要采
取措施对其进行优化。本发明介绍了一种动车组列车接地回流评估与优化方法，通过改变
各接地轴所串联的接地电阻值来降低电流幅值与平衡电流分布，并且通过评判指标来计算
降低电流幅值的程度和各轮轴电流均匀度，从而定量地评判优化程度。

发明内容

[0003] 8节动车组列车接地回流系统分为工作接地系统与保护接地系统。工作接地系统是为工作电流提供回路，工作接地系统在列车上的部分由列车单元‑3(3)与列车单元‑6(6)
上的牵引变压器一次侧末段通过连接线与各自车体的四个轴相连，轴与钢轨(12)电气连
接，这使得工作电流可以流向钢轨，进而通过吸上线流回牵引变电所。保护接地系统在列车
上的部分由列车单元(1‑8)、车体连接线(11)、轴与车体的连接线(17)组成，每个列车单元
有4个接地轴，从列车单元‑1至列车单元‑8的方向看4个轴依次命名为1轴、2轴、3轴和4轴，
以列车单元‑1(1)为例，列车单元‑1的1轴(13)、2轴(14)、3轴(15)、4轴(16)和电气连接线
(17)构成列车单元‑1的保护接地装置，各车体的保护接地装置通过车体连接线(17)电气连
接从而构成动车组列车的保护接地装置。

[0004] 在列车正常运行时，动车通过受电弓(10)从接触网获得电能，通过列车单元‑3(3)与列车单元‑6(6)的牵引变压器(13)驱动车辆，牵引电流从牵引变压器的一次侧末端通过
连接线流向接地轴再流向钢轨，而后通过吸上线回流至牵引变电所。由于车体、连接线和钢
轨本身存在等效阻抗，使得有一部分工作电流会流过保护接地系统的各接地轴，这一部分
电流会存在幅值过大，不同轮轴电流分布不均的问题，这一问题会造成车体电磁环境复杂
和增加检修难度，从而影响列车安全稳定运行和使用寿命，因此有必要对其进行优化。

[0005] 评估与优化包含以下几个步骤。

[0006] 1.一种动车组接地回流优化与评估方法，其特征在于以下步骤：

[0007] 步骤一：针对CRH‑380A型动车组建立适用于接地回流系统的等效电路参数模型，图2为动车组列车接地回流系统的等效电路模型，图3和图4为动车组列车单元‑1与列车单
元‑3的等效电路参数模型；

[0008] 步骤二：基于CRH‑380A型动车组接地回流系统的等效电路参数模型列举待选接地回流方案；

[0009] 步骤三：针对列车典型工况解析各接地轴电流幅值与相位演变特征，提出幅相曲线拟合方法；

[0010] 步骤四：基于极坐标下幅相曲线图像特征，提出接地回流系统性能的评判指标；

[0011] 步骤五：基于步骤二中提及的所有接地回流方案，依据步骤四逐一计算不同典型工况下的评判指标，寻找一种动车组接地回流系统的优化方案；

[0012] 步骤一的详细步骤如下所示：

[0013] 1)CRH‑380A型为8编组列车，由8个高度对称的列车单元连接而成，牵引变压器装载在列车单元‑3与列车单元‑6上；基于动车组整体对称性与重复性，所有车体的保护接地
系统等效电路模型相同，而列车单元‑3与列车单元‑6上还设有工作接地系统；

[0014] 图2为动车组列车接地回流系统的等效电路模型，动车组列车单元‑1与列车单元‑3的等效电路参数模型如图3和图4所示：其中RL1、LL1为列车单元‑1最左侧接地轴至列车左
侧吸上线之间钢轨的等值电阻与电感；RL4、LL4为列车单元‑8最右侧接地轴至列车右侧吸上
线之间钢轨的等值电阻与电感；RL2、LL2为位于列车单元‑3上的3号受电弓至左侧牵引变电
所之间接触网的等效电阻与电感；RL3、LL3为位于列车单元‑6上的6号受电弓至右侧牵引变
电所之间接触网的等效电阻与电感；Rs、Ls、Us牵引变电所的等效电阻、电感与电压；每个列
车单元有4个接地轴，从列车单元‑1至列车单元‑8的方向看4个轴依次命名为1轴、2轴、3轴
和4轴，Rzz、Lzz为2轴与3轴之间车体的等效电阻与电感；Rll、Lll为1轴与2轴和3轴与4轴之间
钢轨的等效电阻与电感；Rtl、Ltl为2轴与3轴之间钢轨的等效电阻与电感；Rg、Lg为相邻两车
体之间钢轨的等效电阻与电感；Rc、Lc为相邻两车体之间车体的等效电阻与电感；R1到R32为
1到32个接地轴所串联的接地电阻值，RW为工作接地系统中接地轴至钢轨的等效电阻；

[0015] 步骤二的详细步骤如下所示：

[0016] 1)接地电阻数值的选择取6种数值，即0mΩ、10mΩ、20mΩ、30mΩ、40mΩ、50mΩ；

[0017] 2)针对CRH‑380A型动车组的8个列车单元，基于车体结构的对称性，前四车与后四车一一镜像对应，对应两轴所串联的接地电阻值一致，例如列车单元‑1的1轴与列车单元‑8
的4轴串联接地电阻值一致。将前4车共16轴的串联接地电阻逐一依次设置为上述6种数值，
16
即总计有6 的接地电阻组合方式；

[0018] 步骤三的详细步骤如下所示：

[0019] 1)针对列车启动加速、稳定运行、制动减速三种典型工况，基于CRH‑380A型动车组等效电路参数模型，每一列车单元均有4个接地轴，动车组整体共计32个接地轴，采集所有
接地轴中的电流信号，同时建立相应数据库系统，提取第i轴电流幅值I(i)，第i轴电流相位

[0020] 2)根据 其中i等于0、1、2……31，使用人工神经网络算法拟合不同轴电流幅值关于该轴电流相位的曲线，曲线如图5所示，表达式如下所示：

[0021]

[0022] 其中a0、a1、……、a31为解析系数；

[0023] 步骤四的详细步骤如下所示：

[0024] 1)针对动车组接地回流系统提出一种评判整体接地电流幅值指标C1，如公式2中所述

[0025]

[0026] C1为接地电流幅值分布参数，用于评估动车组整体接地电流幅值的大小；其值越小，优化效果越好， 表示各接地轴电流相位最大值；

[0027] 2)针对动车组接地回流系统提出一种衡量各轴电流分布均匀度的指标C2，如公式3中所述

[0028]

[0029] 其中 表示拟合曲线函数 关于电流相位 的一阶导数， 表示拟合函数 关于电流相位 的二阶导数；C2是用来衡量各轴电流分布的均匀度的指标，其值越小
说明各接地轴电流分布均匀度越好，是对流过各接地轴电流分布均匀度的综合评估；

[0030] 步骤五的详细步骤如下所示：

[0031] 1)针对步骤二中所述共计的616种接地电阻设置方式，分别计算启动加速、稳定运行、制动减速三种典型工况的C1数值，分别表示为C1‑speedy、C1‑stable及C1‑slow；同时计算三种典
型工况下的C2数值，分别表示为C2‑speedy、C2‑stable及C2‑slow；

[0032] 2)针对动车组接地回流系统提出一种系统整体指标D，如公式4中所述

[0033]

[0034] 3)根据不同接地回流系统的整体指标D求解特征矩阵P、Q，如下所示：

[0035] P＝D·DT                            (5)

[0036] Q＝DT·D                            (6)

[0037] 4)计算接地回流系统评估指标W

[0038] W＝|P·Q+|                           (7)

[0039] 其中Q+表示矩阵Q的广义逆矩阵，若接地回流系统评估指标W<1，则表明该种接地回流方式性能优良。

附图说明

[0040] 图1为动车组列车接地回流系统简要示意图。

[0041] 图2为动车组列车接地回流系统仿真模型图。

[0042] 图3为列车单元‑1仿真模型图。

[0043] 图4为列车单元‑3仿真模型图。

[0044] 图5为极坐标下的幅相曲线图像。

[0045] 图6为实施步骤流程图。

具体实施方式

[0046] 下面结合附图对本发明的实施流程作进一步的详述。

[0047] 由图1所示，8节动车组列车接地回流系统分为工作接地系统与保护接地系统。工作接地系统是为工作电流提供回路，工作接地系统在列车上的部分由列车单元‑3(3)与列
车单元‑6(6)上的牵引变压器一次侧末段通过连接线与各自车体的四个轴相连，轴与钢轨
(12)电气连接，这使得工作电流可以流向钢轨，进而通过吸上线流回牵引变电所。保护接地
系统在列车上的部分由车体(1‑8)、车体连接线(11)、轴、轴与车体的连接线(17)组成，，每
个列车单元有4个接地轴，从列车单元‑1至列车单元‑8的方向看4个轴依次命名为1轴、2轴、
3轴和4轴，以列车单元‑1(1)为例，列车单元‑1的1轴(13)、2轴(14)、3轴(15)、4轴(16)和电
气连接线(17)构成列车单元‑1的保护接地装置，各车体的保护接地装置通过车体连接线
(17)电气连接从而构成动车组列车的保护接地装置。

[0048] 在列车正常运行时，动车通过受电弓(10)从接触网获得电能，通过列车单元‑3(3)与列车单元‑6(6)的牵引变压器(13)驱动车辆，牵引电流从牵引变压器的一次侧末端通过
连接线流向接地轴再流向钢轨，而后通过吸上线回流至牵引变电所。由于车体、连接线和钢
轨本身存在等效阻抗，使得有一部分工作电流会流过保护接地系统的各接地轴，这一部分
电流会存在幅值过大，不同轮轴电流分布不均的问题，这一问题会造成车体电磁环境复杂
和增加检修难度，从而影响列车安全稳定运行和使用寿命，因此有必要对其进行优化。

[0049] 评估与优化包含以下几个步骤。

[0050] 1.一种动车组接地回流优化与评估方法，其特征在于以下步骤：

[0051] 步骤一：针对CRH‑380A型动车组建立适用于接地回流系统的等效电路参数模型，图2为动车组列车接地回流系统的等效电路模型，图3和图4为动车组列车单元‑1与列车单
元‑3的等效电路参数模型；

[0052] 步骤二：基于CRH‑380A型动车组接地回流系统的等效电路参数模型列举待选接地回流方案；

[0053] 步骤三：针对列车典型工况解析各接地轴电流幅值与相位演变特征，提出幅相曲线拟合方法；

[0054] 步骤四：基于极坐标下幅相曲线图像特征，提出接地回流系统性能的评判指标；

[0055] 步骤五：基于步骤二中提及的所有接地回流方案，依据步骤四逐一计算不同典型工况下的评判指标，寻找一种动车组接地回流系统的优化方案；

[0056] 步骤一的详细步骤如下所示：

[0057] 1)CRH‑380A型为8编组列车，由8个高度对称的列车单元连接而成，牵引变压器装载在列车单元‑3与列车单元‑6上；基于动车组整体对称性与重复性，所有车体的保护接地
系统等效电路模型相同，而列车单元‑3与列车单元‑6上还设有工作接地系统；

[0058] 图2为动车组列车接地回流系统的等效电路模型，动车组列车单元‑1与列车单元‑3的等效电路参数模型如图3和图4所示：其中RL1、LL1为列车单元‑1最左侧接地轴至列车左
侧吸上线之间钢轨的等值电阻与电感；RL4、LL4为列车单元‑8最右侧接地轴至列车右侧吸上
线之间钢轨的等值电阻与电感；RL2、LL2为位于列车单元‑3上的3号受电弓至左侧牵引变电
所之间接触网的等效电阻与电感；RL3、LL3为位于列车单元‑6上的6号受电弓至右侧牵引变
电所之间接触网的等效电阻与电感；Rs、Ls、Us牵引变电所的等效电阻、电感与电压；每个列
车单元有4个接地轴，从列车单元‑1至列车单元‑8的方向看4个轴依次命名为1轴、2轴、3轴
和4轴，Rzz、Lzz为2轴与3轴之间车体的等效电阻与电感；Rll、Lll为1轴与2轴和3轴与4轴之间
钢轨的等效电阻与电感；Rtl、Ltl为2轴与3轴之间钢轨的等效电阻与电感；Rg、Lg为相邻两车
体之间钢轨的等效电阻与电感；Rc、Lc为相邻两车体之间车体的等效电阻与电感；R1到R32为
1到32个接地轴所串联的接地电阻值，RW为工作接地系统中接地轴至钢轨的等效电阻；

[0059] 步骤二的详细步骤如下所示：

[0060] 1)接地电阻数值的选择取有6种数值，即0mΩ、10mΩ、20mΩ、30mΩ、40mΩ、50mΩ；

[0061] 2)针对CRH‑380A型动车组的8个列车单元，基于车体结构的对称性，前四车与后四车一一镜像对应，对应两轴所串联的接地电阻值一致，例如列车单元‑1的1轴与列车单元‑8
的4轴串联接地电阻值一致。将前4车共16轴的串联接地电阻逐一依次设置为上述6种数值，
16
即总计有6 的接地电阻组合方式；

[0062] 步骤三的详细步骤如下所示：

[0063] 1)针对列车启动加速、稳定运行、制动减速三种典型工况，基于CRH‑380A型动车组等效电路参数模型，每一列车单元均有4个接地轴，动车组整体共计32个接地轴，采集所有
接地轴中的电流信号，同时建立相应数据库系统，提取第i轴电流幅值I(i)，第i轴电流相位

[0064] 2)根据 其中i等于0、1、2……31，使用人工神经网络算法拟合不同轴电流幅值关于该轴电流相位的曲线，曲线如图5所示，表达式如下所示：

[0065]

[0066] 其中a0、a1、……、a31为解析系数；

[0067] 步骤四的详细步骤如下所示：

[0068] 1)针对动车组接地回流系统提出一种评判整体接地电流幅值指标C1，如公式2中所述

[0069]

[0070] C1为接地电流幅值分布参数，用于评估动车组整体接地电流幅值的大小；其值越小，优化效果越好， 表示各接地轴电流相位最大值；

[0071] 2)针对动车组接地回流系统提出一种衡量各轴电流分布均匀度的指标C2，如公式3中所述

[0072]

[0073] 其中 表示拟合曲线函数 关于电流相位 的一阶导数， 表示拟合函数 关于电流相位 的二阶导数；C2是用来衡量各轴电流分布的均匀度的指标，其值越小
说明各接地轴电流分布均匀度越好，是对流过各接地轴电流分布均匀度的综合评估；

[0074] 步骤五的详细步骤如下所示：

[0075] 1)针对步骤二中所述共计的616种接地电阻设置方式，分别计算启动加速、稳定运行、制动减速三种典型工况的C1数值，分别表示为C1‑speedy、C1‑stable及C1‑slow；同时计算三种典
型工况下的C2数值，分别表示为C2‑speedy、C2‑stable及C2‑slow；

[0076] 2)针对动车组接地回流系统提出一种系统整体指标D，如公式4中所述

[0077]

[0078] 3)根据不同接地回流系统的整体指标D求解特征矩阵P、Q，如下所示：

[0079] P＝D·DT                            (5)

[0080] Q＝DT·D                            (6)

[0081] 4)计算接地回流系统评估指标W

[0082] W＝|P·Q+|                          (7)

[0083] 其中Q+表示矩阵Q的广义逆矩阵，若接地回流系统评估指标W<1，则表明该种接地回流方式性能优良。