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更高速度 | 基于CR450动车组的牵引回流动态分布及谐波特性研究

David的跨境日记

2025-04-11

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0 引言

高速铁路系统具有强弱电交叉、高低压并存、动静态混叠等特征，由于车地间、线路间、弓网间相互作用，电磁环境复杂。随着400km/h高速铁路的规划建设，机车车辆谱系更丰富、牵引功率更高、信号设备更多样，牵引电流稳态干扰随之增大，弓网、车辆自身特性使电磁干扰呈现多样性、瞬态性、叠加性，尤其对轨旁开放环境中的信号系统造成直接影响。轨旁电磁环境涉及多个专业，在 400km/h运行场景下，电磁干扰量值、特性、耦合途径尚不明晰，且400km/h

高速铁路在国际上无先例可借鉴，有必要对信号系统适应性进行进一步评估和完善。

根据400km/h高速铁路的背景和实际需求，研究新型动车组牵引回流分布和谐波特性，是确定轨道电路等信号设备抗扰度指标、平衡接地系统载流能力、工程成本的首要任务。在相关研究中，孙剑方基于400km/h高速铁路牵引系统的要求，采用理论计算和仿真方法，研究了牵引系统主要顶层技术指标；高俊明等分析了400 km/h高速铁路不平衡牵引电流、牵引电流及其谐波对轨道电路器材设备的影响；刘希高等讨论了400 km/h速度条件下轨道电路指标的适应性。但是，以上研究均将牵引供电和轨道电路作为独立系统分析，未考虑运营场景的复杂性及牵引电机对谐波的影响。另外，Yang等面向400km/h运行条件，建立精细化网络模型，并定量计算各导体中回流分布情况，但对于不同工况的差异性分析还有待完善。

400km/h高速铁路“车-网-地”一体化涉及动车组（车辆）、牵引回流（供电）、列车运行控制系统（信号），三者相互作用耦合关系复杂。运营速度提升后，除牵引功率增加，动车组谐波特性、弓网离线发生频次也随之变化，通过传导和空间辐射耦合方式对周围电磁环境带来影响，应全面分析牵引回流分布、信号带内谐波分量、瞬态干扰等干扰源特性和量值。在此背景下，为保障更高运营速度条件下列车的安全可靠运行，应提炼轨旁信号设备电磁干扰关键问题，在电磁干扰源及信号设备受扰机理、测试评估手段、标准体系建设等方面进行系统性研究，进一步从顶层规划协调各专业电磁干扰及防护边界要求。轨旁信号设备包括轨道电路、应答器、道岔转辙设备、信号机等，车载信号设备包括轨道电路信息读取器（TCR）、应答器传输模块（BTM）等，根据干扰源和轨旁敏感设备特性，聚焦牵引电流传导性干扰对轨道电路设备的影响，预测分析400km/h高速列车牵引回流分布及谐波特性的影响。

1 牵引回流幅值动态估计及对信号设备干扰分析

牵引电流的动态变化及分布对轨道电路形成直接影响，不仅可以为传导性干扰抑制方法提供参考，也是评估扼流变压器、贯通地线等容量配置合理性的依据。

1. 1　牵引电流分布建模仿真

复杂站场中，正线接触网通过引出并联线的方式给侧线供电，并在侧线重新与正线交汇的地点再次并联。侧线与正线共用贯通地线与保护线，且钢轨、正馈线、贯通地线均横连。轨道电路以贯通地线作为主要媒介与综合接地系统连通，并通过多导体网络回流至变电所，通电导体中的电流增大产生更强的交变磁场，铁路多载流导体间的耦合干扰更趋严重。基于潮流计算原理，建模预测CR450 动车组在典型双线区间紧密追踪运行情况下的回流分布。该模型考虑机车车辆、供电系统与轨道电路之间的相互作用，可定量计算牵引总回流及分布。计算原理见图1。详细见原文。

图1　潮流计算原理

1. 2　仿真计算及分析　

根据牵引计算规程，推导计算列车运行基本阻力。详细见原文。

在给定模拟站及区间条件下搭建模型（见原文）。不失一般性，计算条件如下：AT所通常相距10~15km，取10km（追踪间隔密集的不利条件）；以 CR450动车组运营速度400km/h计算，3min追踪间隔下，紧密追踪时车距为20km，即：常态追踪运营场景下，上下行供电臂分别有1列车运行；不利场景下，上下行供电臂分别有2列车追踪运行。CR450动车组最大牵引电流幅值取966A（最大坡度及牵引过程时）；其他列车通过场景下，电流幅值取570A。

基于上述不利场景（即上下行供电臂分别有2列车追踪运行）展开计算及分析，CR400、CR450动车组牵引回流计算结果对比见表1。其中，该站场区间追踪运行的具体配置为：（1）下行区间内2列列车追踪运行；（2）上行站内1列正线通过列车与其后方1列区间列车相距20km紧密追踪运行。

表1　动态条件下CR400与CR450动车组牵引回流计算结果对比 A

列车在区间中的分布示意见原文，每个区段长度均1500m。

仿真结果表明，在更高运营速度条件下，牵引电流幅值增加，导致信号设备受到更大电磁干扰。对照ZPW-2000系列轨道电路技术条件和Q/CR628.1牵引电流抗干扰指标，轨道电路可适应高速条件下总电流为1000A和不平衡系数为10%的要求。因此，轨道电路基本可适应400km/h正常运营条件下的牵引电流容量及抗干扰要求。

2 牵引谐波仿真预测及对信号设备干扰分析

高速动车组牵引系统主要采用“交—直—交”传动方式下的牵引传动系统。首先，由PWM整流器将工频交流电压转换为直流电压，再通过逆变设备转换为交流电压供给交流异步电机。动车组谐波干扰的幅值、频率分布与牵引系统的结构存在密切联系。同时，在列车启动、加速、制动等不同工况下，动车组取流不断变化，谐波电流分量也随之变化。

2. 1　谐波源仿真电路模型

既有动车组牵引系统主要采用四象限PWM脉冲整流器，其优势是降低低次谐波含量，提高电能利用效率，缺点是带来高次特征谐波干扰。其中，铁路信号设备所受稳态谐波干扰主要来源于PWM整流器在交流侧产生的谐波电流。构建CR450动车组牵引系统及电路仿真模型（见原文）。该模型基于实际动车组的电气参数建立，包括主变压器、牵引变流器和牵引电机等关键部件。

2. 2　仿真参数及牵引谐波预测　

仿真主要参数参见表2。

表2　谐波仿真计算主要参数

通过对列车在不同工况下的谐波干扰幅值和频率分布进行预测仿真计算，确定主要的谐波成分及其频率。结果显示，牵引系统在启动、加速、制动等工况下产生特定谐波电流，可能对轨道电路等信号设备造成干扰。由此可见，高次谐波幅度与PWM整流器的调制策略有关，主要集中在1400、2800Hz附近，均处于 ZPW-2000系列轨道电路信号频段附近；另外，随着牵引功率和电流的增加，谐波幅值并未显著变化，但最高幅值的谐波频率有所移动。多工况下牵引电流谐波分布见图2。

图2　多工况下牵引电流谐波分布

针对CR450动车组，对各谐波最大值进行预测（见表3）。频率范围涵盖国产移频、ZPW-2000系列轨道电路信号工作频段，以及2700~3000Hz频段。

表3　信号频带各次谐波预测值

对比国内外现行轨道电路抗干扰标准，对CR450动车组的轨道电路设备在 400km/h运营速度条件下的干扰适应性进行评估。将仿真结果与抗扰度标准限值进行对比（见表4）。结果表明，现有的轨道电路设备能够适应CR450动车组产生的谐波干扰，且有一定裕量。

表4　ZPW-2000系列工作频率预测结果及各标准要求限值

3 结束语

在列车运营速度提升至400km/h的背景下，重点关注牵引电流幅值增加和谐波特性变化。通过仿真计算，分析牵引电流对轨旁轨道电路设备的影响。首先构建牵引电流动态分布模型，基于潮流计算原理，提出更高运营速度下回流动态分布的建模及计算方法，预测动车组高速运行时牵引总回流的增加幅度；其次，通过仿真建模，预测新车型在高速运行条件下的谐波特性，明确不同工况下动车组谐波干扰的幅值和频率分布。在此基础上，依据国内外现行标准，分析信号设备对牵引电流和谐波干扰的适应性。根据仿真预测结果可知，现有ZPW系列轨道电路设备满足CR450动车组牵引电流和谐波干扰下的抗扰度要求。

通过对牵引电流及谐波定量仿真预测，不仅为信号设备的抗干扰设计提供了参考依据，也为信号设备适应性评估提供了良好基础，有利于保障高速运行条件下的可靠性和安全性。未来在CR450动车组下线后，应继续补充开展现场试验，采集不同工况下的牵引电流数据，进一步验证仿真模型的准确性；重点监测瞬态牵引电流，关注其传导和空间辐射特征，以及对应答器、GSM-R无线通信等的影响。