吳政南，程遠(yuǎn)勝

（1武漢東湖學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，武漢430212；2長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，武漢430010）

高鐵變電所設(shè)備雷電侵入波防護(hù)分析

吳政南1，程遠(yuǎn)勝2

（1武漢東湖學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，武漢430212；2長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，武漢430010）

高速鐵路的快速發(fā)展伴隨日益嚴(yán)重的雷電災(zāi)害事故，為了合理保護(hù)高鐵變電所電氣、信號(hào)設(shè)備，需要研究雷電侵入波對(duì)其危害。利用EMTP軟件搭建了高鐵接觸網(wǎng)線模型，分析線路、設(shè)備前端安裝避雷器防護(hù)效果，最后隔離變壓器起到設(shè)備末端精細(xì)保護(hù)的作用。仿真結(jié)果表明：高鐵接觸網(wǎng)安裝避雷器能夠降低接觸網(wǎng)過(guò)電壓，其防護(hù)效果與避雷器安裝密度、距雷擊點(diǎn)距離有關(guān)；變電所設(shè)備前端安裝SPD不能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)電壓完全防護(hù)，殘壓仍然較高；安裝隔離變壓器能夠進(jìn)一步衰減侵入波過(guò)電壓，同時(shí)有效抑制過(guò)電壓高頻成分。隔離變壓器與終端SPD配合可以有效保護(hù)變電所設(shè)備。

雷電電涌；高鐵；避雷器；隔離變壓器

0 引言

截止到2016年底，我國(guó)高速鐵路里程已達(dá)到2.2萬(wàn)公里，居世界第一[1]。當(dāng)前中國(guó)高鐵發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入新階段，保障高鐵的安全、可靠運(yùn)行對(duì)于推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)更好的發(fā)展意義重大。雷電是威脅高鐵安全發(fā)展的重要因素，高鐵牽引供電系統(tǒng)遭受雷擊引起線路跳閘事件時(shí)有發(fā)生[2－4]。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，僅2011年7—8月，京滬高鐵徐州至虹橋段就因雷擊跳閘214次，占全部跳閘次數(shù)的93%[5]。雷擊除了引起跳閘之外，雷電電涌沿線路侵入還會(huì)損壞接觸網(wǎng)設(shè)備，7·23甬溫線特別重大鐵路交通事故就是因?yàn)槔纂姄p壞信號(hào)設(shè)備造成通信故障所導(dǎo)致。

目前，針對(duì)高鐵接觸網(wǎng)雷擊特性研究主要集中在線路耐雷水平、雷擊跳閘率[6-9]等方面，對(duì)于變電所設(shè)備的雷電電涌防護(hù)研究較少。相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)指南[10-11]規(guī)定了安裝金屬氧化物避雷器，但是對(duì)于安裝數(shù)量、效果沒(méi)有深入分析。

筆者利用ATP-EMTP軟件[12]搭建高鐵接觸網(wǎng)模型，分析安裝避雷器、隔離變壓器對(duì)牽引變電所設(shè)備雷電電涌的保護(hù)效果，為高鐵變電所設(shè)備的雷電過(guò)電壓防護(hù)提供參考。

1 仿真模型

完整的高鐵牽引供電系統(tǒng)包括接觸網(wǎng)線、支柱、絕緣子、避雷器和設(shè)備終端。

1.1 接觸網(wǎng)模型

圖1給出了高速鐵路接觸網(wǎng)示意圖。仿真采用單線供電方式。牽引網(wǎng)包括AF線和T線兩條饋線，T線由承力索和其下方接觸線構(gòu)成。AF線下方還設(shè)有起回流保護(hù)作用的PW線[13-14]。接觸網(wǎng)檔距為50m，AF線、承力索、接觸線和PW線相對(duì)鐵路軌面高度分別為 8.4m、8.1m、6.7m 和 7.0m[2]。

圖1 高速鐵路接觸網(wǎng)模型Fig.1 Model of high speed railway catenary

雷電流波形頻譜豐富，而接觸網(wǎng)線路參數(shù)受頻率的影響很大，為了反映波形受頻率影響在線路中傳播時(shí)發(fā)生衰減和畸變，選用Jmarti線路模型來(lái)反映頻率與線路參數(shù)的關(guān)系以及分布的損耗特性。仿真中將T線按二分裂導(dǎo)線處理以代替承力索和接觸線[9]。T線型號(hào)為CTHA120，PW線型號(hào)為L(zhǎng)GJ120，AF線型號(hào)為L(zhǎng)GJ240。

1.2 支柱與絕緣子串模型

接觸網(wǎng)支柱仿真時(shí)采用波阻抗模型，波阻抗通過(guò)下式計(jì)算[15]：

式中：h為支柱高度，m；r為支柱半徑，m。桿塔的接地電阻用工頻接地電阻近似代替，取4Ω[16]。

線路絕緣子串閃絡(luò)的判據(jù)采用判據(jù)法，當(dāng)絕緣子串兩端電位差超過(guò)絕緣子50%沖擊擊穿電壓時(shí)，絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)。絕緣子采用4片盤式絕緣子，50%沖擊擊穿電壓354 kV[9]。

1.3 避雷器模型

目前線路廣泛采用的過(guò)電壓防護(hù)設(shè)備是金屬氧化物避雷器，其流過(guò)電流與電壓間的關(guān)系服從下式規(guī)律：

式中：ib為陡波電流，kA；p、q 是常數(shù)；q 的典型值為20～30；Uref為參考電壓，通常取額定電壓的2倍或接近于2倍的值。線路避雷器直流參考電壓U1mA為84 kV，10 kA時(shí)為240 kV[9]。變電所設(shè)備終端側(cè)SPD直流參考電壓U1mA為1.2 kV，10 kA時(shí)為2.6 kV。

1.4 雷電流模型

雷電流波形采用Heidler函數(shù)[17]表示，表達(dá)式為

式中：I0為峰值電流，kA；τ1和τ2分別為波頭時(shí)間常數(shù)和波尾時(shí)間常數(shù)，μs；n為電流陡度因子，一般情況下取n=2或10。雷電流通道的波阻抗和雷電流幅值緊密相關(guān)，根據(jù)GB50064-2014給出的波阻抗隨雷電流幅值變化規(guī)律[18]確定。

2 仿真結(jié)果分析

圖2給出了雷擊接觸網(wǎng)時(shí)雷擊點(diǎn)處過(guò)電壓與變電所前終端支柱處過(guò)電壓波形。雷擊點(diǎn)距終端支柱500m，每隔250m安裝一組避雷器；雷電流幅值為10 kA，波形 2.6/50 μs。

圖2 接觸網(wǎng)過(guò)電壓Fig.2 Waveforms of overvoltage on the catenary

由圖2可以看出，終端支柱處接觸網(wǎng)過(guò)電壓峰值到達(dá)時(shí)間有所推遲，幅值也衰減至雷擊點(diǎn)過(guò)電壓的1/3，這主要是因?yàn)榫€路過(guò)電壓高頻分量的衰減和沿線避雷器對(duì)雷電流泄放。

圖3給出了不同避雷器安裝方式和不同雷擊點(diǎn)距離對(duì)接觸網(wǎng)過(guò)電壓的影響。

圖3 不同避雷器安裝方式對(duì)過(guò)電壓影響Fig.3 Effect of different surge arrestermodel

由圖3可以看出，接觸網(wǎng)安裝避雷器能起較好的過(guò)電壓防護(hù)作用，避雷器安裝越密，防護(hù)效果也明顯。但是避雷器對(duì)電涌過(guò)電壓的衰減程度隨著到雷擊點(diǎn)距離的增大而減小，因?yàn)楸芾灼鞅Ｗo(hù)范圍有一定限制。

圖4給出了距終端支柱100 m處變電所設(shè)備安裝SPD保護(hù)后侵入波過(guò)電壓的時(shí)域和頻域波形。

圖4 終端設(shè)備過(guò)電壓波形Fig.4 Waveforms of overvoltage on terminal equipment

由圖4看出，雖然終端設(shè)備安裝SPD后，沿線侵入波過(guò)電壓得到了大幅的抑制，但是過(guò)電壓幅值超過(guò)了6 kV，高頻成分仍較多，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的完全保護(hù)。對(duì)于設(shè)備終端而言，末端支柱處侵入波過(guò)電壓幅值仍然較高，需要進(jìn)一步降低，可以增加避雷器的安裝密度，但這也會(huì)增加建設(shè)成本和后續(xù)維護(hù)費(fèi)用。

3 隔離變壓器防護(hù)

除了安裝避雷器外，可以在設(shè)備終端安裝隔離變壓器實(shí)現(xiàn)變電所設(shè)備過(guò)電壓的絕緣保護(hù)[19]。圖5和圖6分別給出了隔離變壓器的防護(hù)方式與等效電路模型[20]。

圖5 隔離變壓器保護(hù)方式Fig.5 Protectionmodel of the insulation transformer

圖6 隔離變壓器模型Fig.6 Equivalent circuitmodel of the insulation transformer

圖7給出了雷擊點(diǎn)距終端支柱500 m處接觸網(wǎng)時(shí)，隔離變壓器次級(jí)過(guò)電壓波形和頻率特性。雷電波波形取2.6/50μs波形，幅值取10 kA。

由圖7可以看出，安裝隔離變壓器后，次級(jí)線圈電壓遠(yuǎn)低于初級(jí)電壓，設(shè)備終端過(guò)電壓進(jìn)一步得到了大幅衰減，頻率在100 kHz以上電涌過(guò)電壓成分也被抑制。隔離變壓器與終端SPD配合作為設(shè)備末端保護(hù)設(shè)備，能夠有效彌補(bǔ)SPD防護(hù)不足，使設(shè)備得到可靠保。

圖7 隔離變壓器防護(hù)效果Fig.7 Protection effect of the insulation transformer

4 結(jié)論

通過(guò)ATP-EMTP軟件搭建高鐵接觸網(wǎng)模型，分析了安裝避雷器、隔離變壓器對(duì)牽引變電所設(shè)備雷電電涌的保護(hù)效果。得到如下結(jié)論：

1）接觸網(wǎng)安裝避雷器能夠降低接觸網(wǎng)過(guò)電壓，但是防護(hù)效果與避雷器安裝密度、距雷擊點(diǎn)距離有關(guān)。

2）設(shè)備前端安裝SPD一定程度上降低了侵入波過(guò)電壓，但是殘壓幅值仍然較高，高頻成分較多。

3）設(shè)備前端安裝隔離變壓器能夠大幅度衰減侵入波過(guò)電壓，同時(shí)有效抑制過(guò)電壓高頻成分。

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Analysis of Lightning Invaded W ave Protection for Equipment in High-Speed Railway Substation

WU Zhengnan1，CHENG Yuansheng2
（1.School of Electronics and Information Engineering,Wuhan Donghu University,Wuhan 430212,China；2.The Hydrological and Water Resources Survey Bureau of the Middle Changjiang River,ChangjiangWater Resources Commission,Wuhan 430010,China）

The rapid development of high－speed railway is shadowed by lightning disasters.In order to protect the electric and signal equipment in high－speed railway substation properly,it is necessary to study the lightning surge characteristic.Themodel of typical high－speed railway catenary is established in EMTP.The protection effects of surge arrester installed on high－speed railway catenary and equipment front end are analyzed.Fine protection effect of isolation transformer on equipment terminal is also discussed.The simulation results show that：installation of arrester can reduce the catenary overvoltage,the protective effect is related to the arrester installation density and the distance from the lightning point;The installation of isolation transformers can further attenuate the incoming wave overvoltages while effectively suppressing overvoltage and high frequency components.It is reliable to protect terminalequipmentbymeans of cooperation between SPD and isolation transformer.

lightning surge； high－speed railway； surge arrester； isolation transformer

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.04.008

2017－01－03

吳政南 （1981—），女，講師，研究方向：電工技術(shù)。

武漢東湖學(xué)院“通信與信息工程”湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心項(xiàng)目。