重载铁路树形贯通式同相供电系统的运行状态

康德建; 易东; 王辉

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20220723

重载铁路树形贯通式同相供电系统的运行状态

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20220723

康德建^1,,
易东²,
王辉^{2, 3,}

1.
国能新朔铁路有限责任公司供电分公司，内蒙古鄂尔多斯 010318
2.
西南交通大学电气工程学院，四川成都 611756
3.
成都尚华电气有限公司，四川成都 610200

基金项目: 国家能源投资集团有限责任公司重大科技项目（F1GD20200002）

详细信息

作者简介:
康德建（1971—），男，高级工程师，研究方向为牵引供电系统运行与分析，E-mail：10573678@ceic.com

中图分类号: TM922.3
计量
- 文章访问数: 405
- HTML全文浏览量: 128
- PDF下载量: 62
- 被引次数: 2
出版历程
- 收稿日期: 2022-10-20
- 修回日期: 2023-02-16
- 网络出版日期: 2023-10-12
- 刊出日期: 2023-03-02

Operation Status of Tree Continuous Co-phase Power Supply System of Heavy-Haul Railways

KANG Dejian^1
,,
YI Dong²,
WANG Hui^{2, 3
,}

1.
Power Supply Branch of Xinshuo Railway Company Limited of CHN Energy, Ordos 010318, China
2.
School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China
3.
Chengdu Shanghua Electric Co., Ltd., Chengdu 610200, China

摘要

摘要:
重载铁路树形贯通式同相供电系统能够最大限度降低线路中电分相带来的安全隐患，提升牵引供电系统再生制动能量直接利用率、供电能力和供电品质. 为保障树形贯通式同相供电系统的良好运行，从均衡电流、供电能力、负序评估、故障分析及保护配置4个方面研究该系统的运行状态. 构建不同拓扑结构下双边供电系统均衡电流评估模型，揭示重载铁路树形贯通式同相供电系统的外部电源构成方式；以某重载铁路树形贯通式同相供电改造方案为例，探究正常和故障运行工况下系统的供电能力以及系统对外部电网的负序影响；对该系统不同类型的故障进行分析，并提出保护配置方案. 研究结果表明：相较平行双边供电，当两相邻牵引变电所变压器变比相同时，树形贯通式同相供电系统不会产生均衡电流；改造方案上、下行牵引网最低网压为22.74 kV，满足牵引网电压要求；设置组合式同相供电装置后，系统的三相电压不平衡度95%概率大值和最大值分别为1.20%和1.65%；相较于传统保护装置方案，所提保护配置方案能够确保牵引网停电区间最小.
- 重载铁路 /
- 贯通式同相供电 /
- 均衡电流 /
- 供电能力 /
- 分段保护
Abstract:
The tree continuous co-phase power supply system of heavy-haul railways can minimize the safety hazards caused by neutral sections in the line and improve the utilization rate of regenerative braking energy, power supply capacity, and power quality of the traction power supply system. In order to make the tree continuous co-phase power supply system run smoothly, the operation status of the system was studied from four aspects: equalizing current, power supply capacity, negative sequence evaluation, fault analysis, and protection configuration. The equalizing current evaluation model of the bilateral power supply system under different topologies was constructed to reveal the external power supply composition of the tree continuous co-phase power supply system of heavy-haul railways. With the tree continuous co-phase power supply transformation scheme of a heavy-haul railway as an example, the power supply capacity of the system under normal and fault conditions and the negative sequence impact on the external power grid were explored. Different types of faults in the system were analyzed, and the protection configuration scheme of the system was proposed. Compared with parallel bilateral power supply, the results show that the tree continuous co-phase power supply system will not produce an equalizing current when the transformer ratios of two adjacent traction substations are the same. The minimum voltage of the up and down traction network of the transformation scheme is 22.74 kV, which meets the voltage requirements of the traction network. By setting the combined co-phase power supply device, the 95% probability value and maximum value of the three-phase voltage unbalance factor of the system are 1.20% and 1.65%, respectively. Compared with the traditional protection device scheme, the proposed protection configuration scheme can ensure the minimum outage interval of the traction network.
- heavy-haul railway /
- continuous co-phase power supply /
- equalizing current /
- power supply capacity /
- segment protection

HTML全文

列车车轮多边形磨耗是车轮沿圆周方向所发生的波浪形磨耗，即车轮半径沿着整个圆周呈周期性或非周期性变化. 地铁车辆、和谐型电力机车和高速动车组等均普遍存在车轮多边形磨耗问题^[1-3]. Tao等^[4]系统评述了国内外铁道车辆车轮多边形磨耗特征及其对车辆-轨道系统的影响，着重对车轮多边形磨耗形成机理进行分类，总结了车轮多边形磨耗控制措施. 车轮多边形磨耗引起的高速动车组异常振动^[5]和噪声^[6]问题比普速机车车辆更为严重. 车轮多边形磨耗还会导致车辆和轨道零部件的疲劳失效^[7-9]，对行车安全性产生不利影响.

高速动车组车轮多边形磨耗问题近年来一直是学者们研究的热点. Pallgen^[10]对德国高速动车组车轮非圆化磨耗进行测量发现，整体辗钢车轮以3阶多边形磨耗为主，而弹性车轮以2阶椭圆磨耗为主. Johansson^[11]对瑞典客运列车、货运列车、通勤车和地铁等车辆的99个车轮的不圆度进行了测量和分析. 彭来先等^[8]通过试验和仿真分析发现，某高速动车组垂向止挡断裂原因是车轮27阶多边形引起的轮轨激励频率与垂向止挡固有频率一致导致的共振. Qu等^[12]跟踪测试了武广线某高速动车组车轮不圆度发现，车轮多边形磨耗主要表现为20阶，通过现场测试和实验室试验指出，车轮多边形频率可能是自由钢轨局部固有振动引起. Wu等^[13]对250 km/h高速动车组车轮多边形磨耗开展试验研究认为，高速动车组转向架系统共振是车轮23阶多边形磨耗的形成原因. Cai等^[14]通过车辆振动试验和动力学仿真研究了300 km/h高速列车车轮的18～20边形磨耗和250 km/h高速列车车轮的23～24边形磨耗，发现高阶多边形的激励频率主要分布在550～650 Hz，并指出钢轨3阶局部弯曲模态是车轮多边形磨耗的成因. 金学松等^[15]总结分析了300 km/h高速列车车轮多边形磨耗情况和特征，发现高速车轮主要表现出偏心和14～23边形磨耗，车辆转向架结构（含轮对）共振是形成多边形磨耗的根本原因，并指出车轮轮径在915、865、835 mm时是多边形磨耗高发期，变化列车运营速度和交叉路线运营能够有效地抑制高速列车车轮多边形的产生和发展.

为全面总结和掌握中国高速动车组非圆化磨耗特征，笔者课题组自2011年开始至今，对CRH2、CRH3、CRH5动车组和复兴号高速动车组车轮的非圆化磨耗展开不同线路普查以及长期跟踪测试，共测试3.05万个高速动车组车轮，深入分析了中国高速动车组车轮多边形磨耗特征及其关键影响因素，为高速动车组设计、运营和维护提供重要参考.

1. 车轮不圆度测试及数据处理

使用车轮不圆度测量仪对车轮不圆度进行现场测试. 为保证车轮绕轴心自由旋转，使用螺旋式千斤顶同时将两侧轴箱缓慢抬起，当车轮离开轨面即可. 测试点位于车轮踏面名义滚动圆处，即距离轮背70 mm处. 车轮不圆度测试设备固定的采样间隔是1 mm，测试精度为0.1 μm. 图1为现场拍摄的多边形磨耗车轮，平均波长为115 mm.

图 1 车轮多边形磨耗照片

Figure 1. Polygonal wheel wear photo

下载: 全尺寸图片幻灯片

非圆化磨耗数据处理主要包括4个步骤：

步骤1　剔除测试数据中毛刺. 毛刺可以通过数据的二阶导数和一阶导数进行识别，详细的毛刺剔除方法可参见EN 15610：2019标准^[16].

步骤2　曲率平滑. 测试数据中可能存在一些小的毛刺，达不到步骤1中毛刺剔除准则的要求，需要通过曲率平滑处理，详细的曲率平滑方法可参见EN 15610：2019标准^[16].

步骤3　窄带粗糙度谱分析（或阶次分析）. 使用离散傅里叶变换对车轮粗糙度数据分析，获得不圆波长和粗糙度水平的窄带粗糙度谱，通过车轮周长除以窄带粗糙度谱的波长就可以简单得到车轮阶次的粗糙度水平. 图2为车轮阶次分析结果，由图2可知：车轮1、15、25阶粗糙度对车轮整体粗糙度贡献较大，依次叫作车轮的1边形（偏心）、15边形和25边形磨耗.

图 2 车轮失圆阶次表示

Figure 2. Wheel OOR described in the harmonic order levels

下载: 全尺寸图片幻灯片

步骤4　1/3倍频程粗糙度谱分析. 1/3倍频程带宽 $k$ 的粗糙度水平可以通过式（1）得到^[16].

${L_k} = 10\;{\lg}\left( {\frac{{{\gamma _1}}}{\gamma }{S_1} + \sum\limits_{j = 2}^{{n_k} - 1} {{S_j} + \frac{{{\gamma _{{n_k}}}}}{\gamma }{S_{{n_k}}}} } \right),$

(1)

式中： ${n_k}$ 为1/3倍频程中波长上、下限之间窄带粗糙度谱的个数； ${S _j}$ 为窄带粗糙度谱中第 $j$ 个波长的粗糙谱幅值 $（ j = 1,2, \cdots ,{\text{ }}{n_k} ）$ ； $\gamma$ 为通过离散傅里叶变换得到的窄带粗糙度谱的宽度； ${\gamma _1}$ 和 ${\gamma _{n_k}}$ 分别为1/3倍频程带宽中波长上、下限的边界.

根据车辆结构参数、设计速度、车轮直径和线路的差异，本文将测试的高速动车组分为9类，不圆度测试信息分类情况如表1所示.

表 1 高速动车组车轮不圆测试信息

Table 1. Measurement information of wheel OOR of high-speed EMUs

厂家	车型	设计速度/ （km·h⁻¹）	车轮初始直径/mm	运行线路	列次/列	测试车轮数/个
A	A1	200	860	兰州—乌鲁木齐	16	4122
	A2	250	860	大同—西安、贵阳—广州、南宁—广州、南昌—福州	130	4080
	A3	250	920	成都—贵阳	2	1608
	A4	300	860	大同—西安、北京—广州	53	6088
B	B1	200	890	兰州—乌鲁木齐	40	1800
	B2	250	860	大同—西安、上海—昆明	2	440
	B3	300	920	武汉—广州、北京—广州、北京—上海	502	8456
	B4	300	920	哈尔滨—大连	78	1902
	B5	350	920	大同—西安、郑州—徐州、北京—广州、北京—上海、北京—天津	12	2004

下载: 导出CSV

| 显示表格

2. 高速列车车轮非圆化特征分析

2.1 A1～A4列车车轮多边形磨耗分析

车轮在钢轨上滚动过程中，其多边形磨耗激励频率为

$f=v/\lambda ,$

(2)

式中：v为列车运行速度，m/s；λ为多边形磨耗波长，m.

多边形阶次定义为

$N={\text{π}} D/\lambda ,$

(3)

式中：D为车轮直径，m.

图3统计了A厂A1～A4列车车轮多边形磨耗阶次. 由图可得：4种车型的多边形磨耗阶次峰值群不一致，阶次较低的有10边形和14～15边形；阶次较高的有17边形和22～30边形. 典型车轮不圆特征如图4所示.

图 3 A厂列车车轮多边形磨耗阶次

Figure 3. Harmonic order levels of wheel polygonal wear for manufacturer A

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 A厂列车车轮典型多边形磨耗

Figure 4. Typical wheel polygonal wear for manufacturer A

下载: 全尺寸图片幻灯片

根据图3所示的多边形磨耗阶次测试结果和表1所示的列车设计速度及车轮直径信息，基于窄带分析可得对应的车轮波长，如表2所示，由表2可知，A厂车车轮不圆波长处于2个波段范围，分别是短波长90～150 mm，长波长192 mm和250 mm.

表 2 A厂列车车轮多边形磨耗波长

Table 2. Wavelengths of wheel polygonal wear for manufacturer A

车型	直径/mm	主要阶次/阶	波长/mm
A1	860	26～28	96～102
A2	860	14 22～24 29～30	192 112～122 90～92
A3	920	15 22～26	192 111～131
A4	860	10 17	250 150

下载: 导出CSV

| 显示表格

A1、A2和A4车实际运行的最高速度依次为200、245、300 km/h，但当A2车运行于南昌至福州区间，由于线路的小半径曲线较多，最高速度降到190 km/h左右. 根据车轮多边形磨耗形成的“频率固定”机理，结合式（2），速度从190～200、245、300 km/h依次递增时，多边形短波长依次为90～102、111～131、150 mm；多边形长波长由192 mm提高到250 mm. A1、A2和A4车的车轮直径均为860 mm，由式（3）可知，车轮多边形阶次和波长成反比，波长增加阶次相应降低.

A3和A2车运行速度一样，均为245 km/h. A3车车轮多边形波长范围与A2车的相同，但A3车车轮直径是920 mm，约是A2车车轮直径的1.069倍，车轮直径增大时，车轮多边形阶次提高，相同波长下，A3车车轮多边形阶次比A2车的高了1～2阶.

2.2 B1～B5列车车轮多边形磨耗分析

图5统计了B1～B5列车车轮多边形磨耗阶次. 由图可知，5种车型均存在1个或2个阶次峰值群，车轮整体表现为较低阶10边形、12边形、14～16边形和高阶16～28边形磨耗. 典型车轮不圆特征见图6.

图 5 B厂列车车轮多边形磨耗阶次

Figure 5. Harmonic order levels of wheel polygonal wear for manufacturer B

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 B厂车轮典型多边形磨耗

Figure 6. Typical wheel polygonal wear for manufacturer B

下载: 全尺寸图片幻灯片

根据图5所示的车轮多边形阶次测试结果和表1所示的列车设计速度及车轮直径信息，基于窄带分析可得对应的车轮波长，如表3所示. B厂车车轮不圆波长处于2个波段范围：短波长100～178 mm；长波长174～288 mm.

表 3 B厂列车车轮多边形磨耗波长

Table 3. Wavelengths of wheel polygonal wear for manufacturer B

车型	直径/mm	主要阶次	波长/mm
B1	890	14～16 22～28	174～200 100～126
B2	860	14 22～24	192 112～122
B3	920	12 18～20	240 143～160
B4	920	21～23	124～136
B5	920	10 16～17	288 167～178

下载: 导出CSV

| 显示表格

B1和A1车运行线路相同，车辆实际最高运行速度均在200 km/h左右，但B1车车轮多边形波长整体比A1车的偏大，B1车车轮多边形波长分布在174～200 mm和100～126 mm 2个区段.

B2、B3和B5车实际运行的最高速度依次为245、300、350 km/h，根据车轮多边形形成的“频率固定”机理，随着速度增加，车轮多边形波长等比例增加，三者车轮多边形短波长为112～122、143～160、167～178 mm；长波长依次为192、240、288 mm.

B4和B3车的车辆结构完全相同，车轮直径均为920 mm，两者速度为300 km/h，B3车运行在京沪线和京广线，B4车运行在哈大线. B3车车轮多边形最高阶数为20阶，而B4车高阶多边形阶次达到23阶，B4车车轮多边形阶次相比B3车的增加了3阶，车轮多边形波长降低20 mm左右，这说明线路条件对B3和B4车车轮多边形磨耗有一定影响.

2.3 车轮多边形磨耗趋势分析

对上述9种车型车轮不圆数据进行阶次和窄带频谱累加处理，获得整体磨耗趋势，结果如图7所示. 由图7（a）可知：我国高速动车组车轮低阶多边形磨耗表现为偏心、椭圆、3边形和4边形，高阶多边形磨耗范围为10～30阶，从10～20阶，多边形粗糙度水平增加到最大，而20～30阶多边形粗糙度水平缓慢下降，这种现象与测试的车型、车轮个数和镟后里程均相关. 图7（b）表明：车轮多边形短波长分布在90～178 mm，处于140～150 mm波长段的车轮分布密集且多边形粗糙度水平最高；车轮多边形典型长波长为186～200、240～260、288 mm. 我国高速列车车轮多边形以178 mm以下短波长最为明显.

图 7 高速动车组多边形磨耗特征

Figure 7. Wheel polygonal wear characteristic of high-speed EMU

下载: 全尺寸图片幻灯片

车轮径跳是指车轮圆周上不同位置处的半径最大值和最小值之差，用于评价车轮一周上的非圆化程度. 对车轮径跳大小作概率分布，如图8，统计接近3万个车轮发现：92.80%的车轮径跳不超过0.100 mm；99.30%的车轮径跳在0～0.200 mm之间；仅0.14%的车轮径跳超过0.300 mm. 最大径跳0.750 mm是由于车轮偏心过大造成，车轮径跳均值为0.054 mm. 车轮径跳总体水平较低，这与我国高速列车车轮及时镟修有关.

图 8 车轮径跳

Figure 8. Radial run-out of wheels

下载: 全尺寸图片幻灯片

3. 车轮多边形磨耗影响因素分析

对动车组车辆结构参数、线路条件等进行调研，阐述相关因素对车轮多边形磨耗影响.

3.1 车辆轴距影响

本文9种车型仅B1车辆轴距为2.7 m，A1～A4和B2～B5车辆轴距均为2.5 m. 根据车轮多边形频率形成范围，按照车辆轴距将车轮不圆分成两大类，如表4所示，车辆轴距2.5 m的车轮多边形激励频带分布在3个频段：330～354、520～613 、613～672 Hz. 文献[12-13]指出，同一转向架两条轮对间的钢轨产生2阶和3阶弯曲模态，轮轨系统在相应模态频率下产生耦合共振，形成多边形磨耗. 本文中除B4车外，2.5 m轴距下产生的330～354 Hz和520～613 Hz多边形频率分别和文献[12-13]中的钢轨2阶和3阶弯曲模态频率一致，而B4车车轮多边形频率为613～672 Hz，高于上述钢轨弯曲模态频率. 钢轨弯曲模态频率和轴距呈负相关，相比2.5 m轴距，轴距2.7 m的B1车在线路运行时，钢轨弯曲模态频率有所降低，测试结果表明，B1车车轮多边形低频和高频频率分别为266～306 Hz和423～533 Hz，与文献[12]结果一致.

表 4 2种轴距下多边形磨耗对比

Table 4. Comparison of wheel polygonal wear under two wheelbases

轴距/m	车型	阶次	波长/mm	频率/Hz
2.5	A1～A4、 B2～B5	10～15	192、 240～288	330～354
		16～30	90～178	520～613
		21～23	124～136	613～672
2.7	B1	14～16	174～200	266～306
2.7	B1	21～28	100～126	423～533

下载: 导出CSV

| 显示表格

3.2 轨道结构影响

为获得我国高铁线路固有特性，对国内主要8条高铁线路参数进行调查（见表5），并开展力锤敲击试验. 我国高铁线路无砟轨道主要采用CRTS Ⅰ、CRTS Ⅱ和CRTS Ⅲ型板，扣件间距主要为629 mm和650 mm，结合表2和表3，除B1和B4车辆外，运行在不同轨道板和扣件间距下的其他7种车型车轮多边形频率相近，初步论证了轨道板类型和扣件间距与车轮多边形磨耗形成无明显联系.

表 5 高铁线路调查结果

Table 5. Investigation results for high-speed railway lines

线路	主要运行车型	轨道板类型	扣件类型	扣件间距/mm	扣件刚度/（kN·mm⁻¹）	频响主要频率/Hz
大西线	A2、A4、B2、B5	CRTS Ⅰ	WJ-8	629	20～40
贵广线	A2	CRTS Ⅰ	WJ-8	629	20～40	165
成贵线	A3	CRTS Ⅰ/CRTS Ⅲ	WJ-8	629	20～40	203
京广线	A4、B3、B5	CRTS Ⅰ	WJ-8/Vossloh 300	650	20～40	142
京沪线	B3、B5	CRTS Ⅱ	WJ-8/Vossloh 300	650	20～40	120
兰新线	A1、B1	CRTS Ⅰ	Vossloh	650	20～40	160
沪昆线	B2	CRTS Ⅰ	WJ-8	650	20～40	155
哈大线	B4	CRTS Ⅰ	WJ-7	629	30～40	252

下载: 导出CSV

| 显示表格

运行在哈大线的B4车车轮多边形频率高于其他车型，结合表5，哈大线使用30～40 kN/mm高刚度的WJ-7型扣件，本文其余线路均采用刚度20～40 kN/mm的WJ-8或Vossloh 300型扣件. 另考虑到哈大线纬度较高，处于我国最北端严寒地区，极低温条件下，扣件的弹性垫板具有显著的低温敏感特性^[17]，低温下扣件系统刚度会增大. 初步推断，扣件刚度和环境温度造成哈大线轨道系统刚度增大，导致钢轨弯曲模态频率增大，在轮轨系统耦合共振作用下，哈大线会形成更高频率的车轮多边形. 图9力锤敲击结果印证了上述结果，哈大线钢轨一阶弯曲频响主频为252 Hz，高于其他线路的120～203 Hz.

图 9 不同线路条件下轨头垂向敲击垂向响应

Figure 9. Vertical frequency response function of railhead vertical excitation from impact hammer test with different railway lines

下载: 全尺寸图片幻灯片

3.3 研磨子修形影响

从2008年我国开始高铁运营以来，我国高速动车组逐渐使用研磨子来清洁车轮踏面，增加轮轨黏着系数^[18]. 图10给出了使用研磨子前后典型车轮非圆化磨耗，使用研磨子前，车轮表现明显16边形磨耗；使用研磨子后，车轮非圆化磨耗变得不规则，车轮不圆度幅值减小. 图11给出300 km/h动车组高阶（16～30阶）非圆化粗糙度值变化，由图11可知：在第一和第二周期，车辆没安装研磨子，车轮多边形粗糙度值快速增长，在第二周期镟后30万公里，达到最大值25 dB re 1 μm；第三周期初期，由于车辆采用多线路混跑和频繁镟轮，有效抑制车轮多边形的发展；到第四周期使用研磨子后，车轮多边形粗糙度值降到10 dB re 1 μm以下，粗糙度值下降了60%. 因此，研磨子能有效减缓或抑制高速动车组车轮多边形磨耗的发展.

图 10 多边形磨耗的极坐标表示

Figure 10. Polar-coordinate system of wheel OOR

下载: 全尺寸图片幻灯片

图12给出某安装研磨子的高速动车组同一车轮不同横向位置的不圆度测试结果，从上至下依次表示踏面横向50、60、70（名义滚动圆）、80、90、100 mm位置处的圆周磨耗结果. 由结果可知：踏面横向50、60、90、100 mm处无明显多边形特征，横向70 mm和80 mm出现明显波浪形磨耗，且在80 mm处多边形幅值达到最大.

图 12 车轮踏面不同横向位置圆周磨耗

Figure 12. OOR wear at different transverse positions of wheel tread

下载: 全尺寸图片幻灯片

图13为该车轮踏面磨耗廓形，由图13可知：踏面横向50～100 mm出现凹形磨耗现象，在横向80 mm磨耗深度达到最大，这说明当踏面存在凹形磨耗时，研磨子与车轮踏面不能完全贴合，研磨子对车轮多边形的修形能力被削弱. 改善研磨子和车轮踏面匹配关系，增大两者的共型度，研磨子才能更好地抑制车轮多边形发展.

图 11 研磨子对车轮多边形磨耗影响

Figure 11. Influence of the abrasive block on roughness level of wheel OOR

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 13 车轮踏面外形

Figure 13. Wheel tread profile

下载: 全尺寸图片幻灯片

4. 结　论

车轮多边形磨耗一直是轮轨系统难以解决的问题之一，其形成机理目前仍然没有统一的观点. 本文搜集、整理和归纳了课题组近9年的高速铁路车轮多边形磨耗测试数据，其中包含9种车型、12条线路和4种运营速度，掌握了中国高速动车组多边形磨耗特征，得到相关结论如下：

1）我国高速列车多边形主要表现1～4阶和10～30阶磨耗，99.3%的车轮径跳为0～0.2 mm，径跳平均大小为0.054 mm.

2）我国高速列车车轮多边形频率有3个中心频带，低频266～354 Hz、高频423～613 Hz和更高频613～672 Hz，对应不圆波长为174～288、90～178 mm和124～136 mm.

3）我国高速线路的轨道板类型和扣件间距对车轮多边形形成无显著影响，车辆轴距以及轨道系统刚度（受扣件刚度和气温影响）影响车轮多边形磨耗特征. 通过改善研磨子与车轮踏面匹配关系，达到共形接触，研磨子才能有效减缓高速动车组车轮多边形磨耗的发展，消除踏面凹形磨耗，可更好地减缓多边形发展.

致谢：牵引动力国家重点实验室自主课题（2020TPL-T12）.

图 1 电气化铁路双边供电方式

Figure 1. Bilateral power supply modes of electrified railway

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 双边供电等值电路

Figure 2. Bilateral equivalent power supply circuit

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 均衡电流变化规律（平行双边供电）

Figure 3. Equalizing current variation （parallel bilateral power supply）

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 均衡电流变化规律（树形双边供电）

Figure 4. Equalizing current variation （tree bilateral power supply）

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 树形贯通式同相供电系统

Figure 5. Tree continuous co-phase power supply system

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 改造前的牵引供电系统

Figure 6. Traction power supply system before transformation

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 采用树形贯通式同相供电系统的改造方案

Figure 7. Transformation schemes with tree continuous co-phase power supply system

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 各类故障及保护装置示意

Figure 8. Various types of faults and protection devices

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 正常供电情况下典型值统计结果

Table 1. Statistical results of simulation values under normal power supply

年运量/ 万吨	牵引网最低电压/kV		钢轨对地最高电压/V
年运量/ 万吨	上行	下行	上行	下行
3500	24.37	24.44	41.81	42.33
5000	25.28	25.46	15.32	14.52

下载: 导出CSV

表 2 牵引变电所TS5故障时，TS4典型值统计结果

Table 2. Statistical results of simulation values of TS4 with traction substation TS5 fault

方向	牵引网最低电压/kV	钢轨对地最高电压/V
上行	22.74	50.44
下行	22.87	16.34

下载: 导出CSV

表 3 牵引变电所TS4故障时，TS5典型值统计结果

Table 3. Statistical results of simulation values of TS5 with traction substation TS4 fault

方向	牵引网最低电压/kV	钢轨对地最高电压/V
上行	22.78	59.81
下行	23.10	19.76

下载: 导出CSV

表 4 接触网不同位置发生故障时的保护装置动作分析

Table 4. Analysis of protection device action when faults occurred in different locations of overhead contact line system

故障位置	传统牵引供电系统保护装置动作情况	树形贯通式同相供电系统保护装置动作情况
K1	既有保护使断路器 DL31 动作切除故障供电臂	分段保护与测控装置识别故障区间并切除；如果不满足分段故障切除条件或分段保护装置故障，则既有保护使断路器 DL31 动作，切除故障供电臂，其余分段正常运行
K2	DL32 闭合，不越区，开闭所不闭合；既有保护使断路器 DL32 动作，切除 DL32 至 DL33间接触网；　DL32闭合，越区，开闭所闭合；既有保护使断路器 DL32动作，切除 DL32至 DL35间接触网；　DL35 闭合，越区，开闭所闭合；既有保护使断路器 DL35 动作，切除 DL35 至 DL 32 间接触网	分段保护及测控装置识别故障区间并切除；如不满足分段故障切除条件或分段保护装置故障，则既有保护使断路器 DL32和 DL35 动作，切除故障接触网区间

下载: 导出CSV

表 5 系统各类故障分析及措施对比

Table 5. Analysis of various types of system faults and comparison of measures

故障原因	传统牵引供电系统	树形贯通式同相供电系统
接触网短路	既有保护切除牵引变电所接触网上网馈线断路器	快速保护：分段测控装置故障将该段接触网切除
接触网短路	既有保护切除牵引变电所接触网上网馈线断路器	既有保护（后备）：切除牵引变电所接触网上网馈线断路器，此时与未改造前情况一致
牵引变压器短路	牵引变压器保护将变压器切除，备用牵引变压器投入运行	牵引变压器保护将变压器切除，备用牵引变压器投入运行
同相供电装置短路		同相供电装置继电保护将同相供电支路切除，备用装置投入运行
高压进线短路	牵引变电所反向保护断开电源进线，备用进线投入运行	牵引变电所反向保护断开电源进线，备用进线投入运行

下载: 导出CSV

参考文献(21)

[1]	李群湛. 论新一代牵引供电系统及其关键技术[J]. 西南交通大学学报,2014,49(4): 559-568. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2014.04.001 LI Qunzhan. One new generation traction power supply system and its key technologies for electrification railway[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2014, 49(4): 559-568. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2014.04.001
[2]	张丽艳,贾瑛,韩笃硕,等. 电气化铁路同相储能供电系统能量管理及容量配置策略[J]. 西南交通大学学报,2023,58(1): 22-29. ZHANG Liyan, JIA Ying, HAN Dushuo, et al. Energy management and capacity allocation scheme for co-phase traction power supply and energy storage system in electrified railways[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2023, 58(1): 22-29.
[3]	CHEN M W, LI Q Z, ROBERTS C, et al. Modelling and performance analysis of advanced combined co-phase traction power supply system in electrified railway[J]. IET Generation, Transmission & Distribution, 2016, 10(4): 906-916.
[4]	王辉,李群湛,李晋,等. 基于YNd变压器与静止无功发生器的电气化铁路同相供电综合补偿方案[J]. 电工技术学报,2020,35(17): 3739-3749. doi: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190957 WANG Hui, LI Qunzhan, LI Jin, et al. Comprehensive compensation schemes of cophase power supply of electrified railway based on YNd transformer and static var generator[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(17): 3739-3749. doi: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190957
[5]	周志成. 基于树形双边供电的重载铁路贯通同相供电方案[J]. 铁道科学与工程学报,2020,17(3): 722-731. doi: 10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20191011 ZHOU Zhicheng. Cophase connected power supply scheme of heavy haul railway based on tree bilateral power supply[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2020, 17(3): 722-731. doi: 10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20191011
[6]	沈曼盛,周方圆. 国内外铁路牵引供电技术发展现状及趋势[J]. 电气化铁道,2019,30(1): 1-7,12. doi: 10.3969/j.issn.1007-936X.2019.01.001 SHEN Mansheng, ZHOU Fangyuan. Current status and trend for development of railway traction power supply technologies at home and abroad[J]. Electric Railway, 2019, 30(1): 1-7,12. doi: 10.3969/j.issn.1007-936X.2019.01.001
[7]	李群湛,王辉,解绍锋. 电气化铁路双边供电技术应用研究[J]. 电气化铁道,2021,32(6): 1-4. doi: 10.19587/j.cnki.1007-936x.2021.06.001 LI Qunzhan, WANG Hui, XIE Shaofeng. Discussion on application of bilateral power supply technology on electrified railway[J]. Electric Railway, 2021, 32(6): 1-4. doi: 10.19587/j.cnki.1007-936x.2021.06.001
[8]	智慧,袁勇,李剑,等. 双边供电模式下高速铁路AT供电系统供电能力计算与分析[J]. 中国铁路,2017(12): 66-71. doi: 10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.066 ZHI Hui, YUAN Yong, LI Jian, et al. Calculation and analysis of the power supply capacity of the AT power supply system for high-speed railway under the two-way feeding model[J]. China Railway, 2017(12): 66-71. doi: 10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.066
[9]	CHOI K H. A phase-shifter for regulating circulating power flow in a parallel-feeding AC traction power system[J]. Journal of Electrical Engineering and Technology, 2014, 9(4): 1137-1144. doi: 10.5370/JEET.2014.9.4.1137
[10]	晏寒,解绍锋,王辉,等. 树形双边贯通供电方案及其应用研究[J]. 电力自动化设备,2022,42(5): 191-197. YAN Han, XIE Shaofeng, WANG Hui, et al. Research on tree bilateral continuous power supply scheme and its application[J]. Electric Power Automation Equipment, 2022, 42(5): 191-197.
[11]	李群湛,王辉,黄文勋,等. 电气化铁路牵引变电所群贯通供电系统及其关键技术[J]. 电工技术学报,2021,36(5): 1064-1074. doi: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191740 LI Qunzhan, WANG Hui, HUANG Wenxun, et al. Interconnected power supply system of traction substation group and its key technologies for the electrified railway[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(5): 1064-1074. doi: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191740
[12]	赵元哲,李群湛,朱鹏,等. 新型双边供电系统谐波谐振特性分析[J]. 电力系统及其自动化学报,2017,29(8): 57-63. doi: 10.3969/j.issn.1003-8930.2017.08.009 ZHAO Yuanzhe, LI Qunzhan, ZHU Peng, et al. Analysis of harmonic resonance in new bilateral power supply system[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2017, 29(8): 57-63. doi: 10.3969/j.issn.1003-8930.2017.08.009
[13]	辛成山,张美娟. 交流电气化铁道双边供电研究[J]. 电气化铁道,1998,9(3): 6-11.
[14]	周志成,马庆安. 交流牵引供电系统双边供电均衡电流的预估方法[J]. 机车电传动,2020(4): 94-97. doi: 10.13890/j.issn.1000-128x.2020.04.019 ZHOU Zhicheng, MA Qing’an. Prediction of balanced current in bilaterally-fed AC traction power supply system[J]. Electric Drive for Locomotives, 2020(4): 94-97. doi: 10.13890/j.issn.1000-128x.2020.04.019
[15]	王辉,刘炜,李群湛,等. 基于源网荷统一链式电路的交流电气化铁路动态潮流计算[J]. 中国电机工程学报,2022,42(11): 3936-3953. WANG Hui, LIU Wei, LI Qunzhan, et al. Dynamic power flow calculation of AC electrified railway based on source-grid-load unified chain circuit[J]. Proceedings of the CSEE, 2022, 42(11): 3936-3953.
[16]	李强,吴命利. 交流传动机车与直流传动机车混合运用条件下牵引网电压控制技术[J]. 铁道学报,2014,36(8): 19-24. doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2014.08.05 LI Qiang, WU Mingli. Traction network voltage control techniques under the condition of hybrid application of AC drive and DC drive locomotives[J]. Journal of the China Railway Society, 2014, 36(8): 19-24. doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2014.08.05
[17]	周栋,张威,雷佳华. 重载铁路桥隧地段钢轨电位分布及其抑制措施[J]. 铁路通信信号工程技术,2022,19(增1): 127-131. ZHOU Dong, ZHANG Wei, LEI Jiahua. Rail potential distribution and its suppression measures in bridge and tunnel sections of heavy-haul railway[J]. Railway Signalling & Communication Engineering, 2022, 19(S1): 127-131.
[18]	周子槊,汪繁荣. 直供方式下影响钢轨电位分布的因素研究[J]. 湖北工业大学学报,2022,37(4): 49-53. doi: 10.3969/j.issn.1003-4684.2022.04.010 ZHOU Zishuo, WANG Fanrong. Research on the factors affecting the rail potential distribution under the direct supply mode[J]. Journal of Hubei University of Technology, 2022, 37(4): 49-53. doi: 10.3969/j.issn.1003-4684.2022.04.010
[19]	WANG H, LIU W, LI Q Z, et al. Compensation of negative sequence for a novel AC integrated power supply system of urban rail transit[J]. IET Generation, Transmission & Distribution, 2021, 15(22): 3188-3203.
[20]	陈启迪,张丽艳,朱毅,等. 电气化铁路负序预测评估方法[J]. 电力系统及其自动化学报,2018,30(11): 1-7. doi: 10.3969/j.issn.1003-8930.2018.11.001 CHEN Qidi, ZHANG Liyan, ZHU Yi, et al. Negative-sequence prediction and evaluation method for electrified railway[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2018, 30(11): 1-7. doi: 10.3969/j.issn.1003-8930.2018.11.001
[21]	国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 电能质量——三相电压不平衡: GB/T 15543—2008[S]. 北京: 中国标准出版社, 2009.