电气化铁路车网电气振荡的机理、检测与治理

北京交通大学

成果图

电气化铁路运行的电力机车/动车组（简称机车）由牵引网供电，二者构成耦合紧密的车网电气系统。自2007年8月京秦线首例车网高次谐波谐振和2008年1月湖东机务段首例车网低频振荡发生以来，我国电气化铁路电气振荡事故时有发生。高次谐波谐振引起牵引供电馈线跳闸、接触网或机车高压电器烧损，导致线路供电中断；低频振荡造成列车牵引封锁在站场集体“趴窝”，延误客货运输。这些事故严重干扰运输秩序，造成了巨大经济损失，也带来了负面社会影响。

一、主要科技创新

车网电气振荡事故发生区段分布广，呈现一定偶发性特点，电压、电流振荡频率和幅值范围宽，缺乏有效的测试和检测手段，短时间内难以查明原因、确定技术对策。项目团队针对车网电气振荡问题，历时十余年持续攻关，基于大量实测数据并通过理论研究、仿真分析、试验验证及治理试点取得重要技术创新：

系统阐明了电气化铁路车网高次谐波谐振和低频振荡的发生机理，以及谐振过电压、过电流对高压电器和铁路信号的影响机理。高次谐波谐振为机车网侧谐波电流频率与牵引网固有谐振频率接近产生的准稳态电气振荡行为，低频振荡属车网耦合系统欠阻尼不稳定表现；基于稳定性分析和分布参数建模，厘清了电气振荡临界条件和敏感参数；建立了车网耦合系统广义欧姆定律方程对宽频带振荡现象作出统一数学描述；基于实测电气振荡数值特征，揭示了车网电气振荡过程中高压电器烧损机理和铁路信号系统受干扰机理。

研发形成了车网电气综合检测技术，探明了电气振荡数值特征和影响规律，实现了高次谐波谐振和低频振荡的快速检测与有效预警。开发了便携式模块化测试系统，通过车网协同测试探明了电气振荡事故原因和数值特征；提出了主动干预式宽频域阻抗测试技术，研发了世界首套25kV牵引网谐波阻抗测试装置，在京沈高铁完成了世界首例现场实测并掌握了8种工况16组运行模式下牵引网5000Hz范围谐振频率分布特性；提出了低频振荡检测、谐振频率辨识等核心算法，并研制了地面和车载电气运行参数监测系统，实现了车网电气振荡快速检测和预警。

研发了车网电气振荡成套抑制技术，实施了高次谐波谐振和低频振荡工程治理，保障了铁路供电安全。针对高次谐波谐振研制了我国首套牵引网谐振过电压抑制装置，在全路近20个供电区段推广应用，杜绝了谐振发生；针对低频振荡提出车载变流器控制和地面供电设施参数优化方法，在CRH5型动车组、徐州铁路枢纽等处实施，为解决车网低频振荡事故发挥了关键作用。

二、项目评价

该项目研制的25kV牵引网阻抗频率测试装置为世界首套，可在线路带电测试，扫频带宽达5000Hz，克服了传统方法无法准确评估牵引网阻抗频率特性的缺陷；开发的牵引网高次谐波谐振及暂态过电压抑制装置为我国首款，推广应用解决了因谐振过电压烧损机车、地面供电设备的问题，解决了部分线路保护跳闸、供电中断、列车停开、减少发车等一系列影响运输秩序的问题。本项目取得的系列成果提升了我电气化铁路车网电气匹配技术水平，有力保障了车网电气安全，促进了铁路行业技术进步，经鉴定居国际领先水平。

三、成果及效益

本项目在电气化铁路车网电气振荡分析方法、检测技术、治理技术等方面取得丰硕成果，授权专利12项、发表论文73篇。相关铁路运营单位和轨道机车车辆制造企业运用本项目车网电气振荡治理技术成果开展了高次谐波谐振和低频振荡工程治理，科研院校运用电气振荡机理、检测等方面取得的理论和技术成果完成了多项技术服务及技术开发课题，成果应用单位近三年取得直接和间接经济效益共计近10亿元。技术成果推广应用改善了我国电气化铁路车网电气耦合系统的匹配性能，有力促进了铁路行业技术进步，为保障铁路正常运输秩序发挥了重要作用，取得了良好的社会效益。