曹保江，鄭 玥，高國(guó)強(qiáng)，吳廣寧

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

雷擊作為人類最難控制的自然災(zāi)害之一，隨溫室效應(yīng)全球氣候變暖，其破壞范圍和破壞性增大，近年來(lái)，由于雷擊接觸網(wǎng)，造成接觸網(wǎng)故障和動(dòng)車組部件受損事故頻發(fā)，導(dǎo)致列車停運(yùn)、旅客滯留[1]。雷電流通過(guò)接觸網(wǎng)-受電弓-車頂避雷器侵入車體時(shí)，可能會(huì)給車載電子設(shè)備和信號(hào)系統(tǒng)的正常工作造成影響，因此對(duì)動(dòng)車組各車體的過(guò)電壓情況進(jìn)行分析很有必要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雷電參數(shù)以及雷電對(duì)電氣設(shè)備、供電系統(tǒng)的影響進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[2-3]利用磁帶法實(shí)測(cè)雷電流波形，并通過(guò)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了雷電流幅值以及陡度的頻率分布的關(guān)系。文獻(xiàn)[4-9]利用融合多種雷電監(jiān)測(cè)手段或通過(guò)傳感器和監(jiān)控裝置對(duì)桿塔進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，對(duì)雷擊桿塔時(shí)的波過(guò)程進(jìn)行暫態(tài)分析和輸電線路的電磁分析，根據(jù)輸電線路雷擊和閃絡(luò)情況做出不同等級(jí)的預(yù)警。 當(dāng)雷電流侵入變電站時(shí)，可通過(guò)變壓器中性線或增加中性線上避雷器的通流量來(lái)抑制其過(guò)電壓[10]。在電氣化鐵路方面，雷電流的熱效應(yīng)導(dǎo)致線路設(shè)備加速老化，同時(shí)，在雷電流的作用下，弱電設(shè)備周圍的電磁場(chǎng)發(fā)生畸變，導(dǎo)致電子設(shè)備損壞，由于雷擊原因造成的損壞占了事故率的80%[11]。文獻(xiàn)[12-17]利用幾何模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)高速鐵路在不采用避雷線防護(hù)時(shí)的雷電特性進(jìn)行了分析，并基于分析結(jié)果，對(duì)高鐵的防雷體系提出了改進(jìn)方法。

上述研究多是針對(duì)線路或變電所防雷問(wèn)題，由于我國(guó)高速鐵路采用高架橋結(jié)構(gòu)，動(dòng)車組作為一種移動(dòng)的負(fù)荷通過(guò)受電弓與接觸網(wǎng)相連，受電弓與車體之間安裝有浪涌保護(hù)器(等效為避雷器)。當(dāng)接觸網(wǎng)遭受雷擊時(shí)，雷電波容易通過(guò)接觸網(wǎng)—受電弓—車頂避雷器入侵到動(dòng)車組上，而有關(guān)雷擊接觸網(wǎng)時(shí)動(dòng)車組車體過(guò)電壓的問(wèn)題研究相對(duì)較少。一旦產(chǎn)生過(guò)電壓，對(duì)列車上的乘客和工作人員，以及設(shè)備的安全均可能帶來(lái)威脅。為了研究雷擊接觸網(wǎng)時(shí)動(dòng)車組車體過(guò)電壓?jiǎn)栴}，本文基于動(dòng)車組的電路結(jié)構(gòu)和接地方式，建立動(dòng)車組在正常運(yùn)行時(shí)，接觸網(wǎng)遭受雷擊，動(dòng)車組車體過(guò)電壓仿真模型，基于該模型，分析接地電阻器對(duì)車體過(guò)電壓的影響，提出采用直接接地和并聯(lián)電容等抑制車體過(guò)電壓的方法，并且在電阻器并聯(lián)電容抑制措施的基礎(chǔ)上通過(guò)減小接地電纜長(zhǎng)度進(jìn)一步降低各車體過(guò)電壓。

1 高速列車主電路分析

某型動(dòng)車組為動(dòng)力分散、交流傳動(dòng)電動(dòng)車組。其中8輛為一個(gè)編組，采用4動(dòng)4拖(2、4、5、7車為動(dòng)車，1、3、6、8車為拖車)。正常運(yùn)行時(shí)，動(dòng)車組采用單弓受流。列車通過(guò)3號(hào)或6號(hào)受電弓從接觸網(wǎng)獲取電能，通過(guò)高壓斷路器、電壓、電流互感器、避雷器等設(shè)備后，經(jīng)高壓電纜分別傳輸?shù)?車和6車牽引變壓器的一次側(cè)，整流逆變后傳送到牽引電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行。圖1為動(dòng)車組主電路結(jié)構(gòu)圖，變壓器一次側(cè)末端經(jīng)車軸上的接地碳刷、輪對(duì)到鋼軌，從而回流至牽引變電所。

圖1 動(dòng)車組主電路圖

為了降低車體回流，各車廂均存在保護(hù)接地。接地電纜將車體、接地電阻器和軸端連通，電流通過(guò)接地碳刷入地。工作接地設(shè)置在3、6車，變壓器末端連接至工作接地系統(tǒng)并分別與3車、6車兩個(gè)不同轉(zhuǎn)向架的接地碳刷相連，因此，工作電流可通過(guò)該接地系統(tǒng)與大地實(shí)現(xiàn)回流。此外，全車用電纜貫通連接。

2 雷擊接觸網(wǎng)車體過(guò)電壓分析

2.1 雷擊接觸網(wǎng)車體過(guò)電壓模型構(gòu)建

我國(guó)牽引供電系統(tǒng)，采用地面牽引變壓器降壓的方式，把公共電網(wǎng)中的電壓變?yōu)闋恳╇婋妷海瑺恳娏鲝淖冸娝鞒龊?，在接觸網(wǎng)上高壓傳輸，并通過(guò)受電弓傳遞給動(dòng)車組，經(jīng)降壓、整流及逆變后，供電機(jī)使用，以驅(qū)動(dòng)動(dòng)車組的運(yùn)行。在雷擊接觸線后，設(shè)雷電流i(t)沿著接觸網(wǎng)通過(guò)受電弓傳到高壓電纜和主電路，電壓電纜鋪設(shè)在3～6車車頂，且其屏蔽層與各車體車頂相連，高壓電纜和3車車頂之間裝有檢測(cè)作用的電壓和電流互感器以低壓端連接車頂?shù)谋芾灼?，?dāng)過(guò)電壓上升值大于避雷器閾值時(shí)，主變壓器及其末端的工作接地相當(dāng)于斷路，故此模型不予考慮，雷電流通過(guò)避雷器傳到3車車體的車頂，由于各車車底通過(guò)連接線相連，雷電流可在各車體間傳播，再通過(guò)接地系統(tǒng)中的接地電阻器和連接線到接地碳刷，傳至鋼軌，最后向大地泄放。利用電路仿真軟件PSPICE建立雷擊接觸網(wǎng)時(shí)牽引供電系統(tǒng)和動(dòng)車組電路圖，如圖2所示。

圖2 雷擊接觸網(wǎng)等效電路結(jié)構(gòu)圖

可以利用波前時(shí)間T1以及半峰時(shí)間T2描述一個(gè)雙指數(shù)形式的雷電流(式( 1 ))，記為T(mén)1/T2。T1表示雷電流從峰值的10%上升到90%所需時(shí)間，T2表示由峰值的10%上升到峰值后又下降到50%所需的時(shí)間，其波形如圖3所示。

i(t)=AIm(eα t-eβ t)

( 1 )

圖3 雷電流波形圖

常用的雷電參數(shù)分別是8/20 μs和10/350 μs，IEC 61312-1規(guī)定：10/350 μs是首次雷擊波型，用于電源的第一級(jí)(A級(jí))保護(hù)；而8/20 μs則主要用于一些避雷器和SPD(電涌保護(hù))的性能指標(biāo)測(cè)試。實(shí)際雷電流半峰時(shí)間多集中在20～100 μs內(nèi)，且超過(guò)200 μs的概率小于5%[2]，故在此模型中波形參數(shù)選取8/20 μs，更為合理。

從實(shí)測(cè)雷電流的數(shù)據(jù)中可以看出，雷電流幅值出現(xiàn)的機(jī)率隨幅值的增大先增加后減小[2-3]，大部分的雷電流在5～20 kA范圍內(nèi)，考慮最惡劣情況，雷電流幅值選擇20 kA。模型中的雷電流參數(shù)為8/20 μs，20 kA。根據(jù)DL/T 620—1997，將雷電通道波阻抗Z0取為300 Ω。

根據(jù)我國(guó)高鐵的典型參數(shù)，供電臂長(zhǎng)度為25 km，接觸網(wǎng)導(dǎo)線電阻值RS為4.975 Ω，電感值LS為35.7 mH，對(duì)地電容CS為0.081 μF，雷電流由受電弓經(jīng)過(guò)避雷器侵入車體。

采用Pincete-Gianettoni模型建立該型動(dòng)車組的車載避雷器模型，如圖4所示。除了A1和A2為表示避雷器呈指數(shù)函數(shù)形式的非線性伏安特性的可變電阻外，其他參數(shù)均取決于該避雷器的測(cè)試參數(shù)，L0和L1的計(jì)算公式為

( 2 )

( 3 )

圖4 Pincete-Gianettoni模型

式中：Vr(8/20)為8/20 μs、10 kA雷電流時(shí)最大殘余電壓，100 kV；Vr(1/t2)為廠家進(jìn)行陡坡殘余測(cè)試時(shí)的殘余電壓，151 kV；Vn為避雷器的額定電壓值，37 kV。可計(jì)算求得L0為4.717 μH，L1為1.572 5 μH。雷電流隨受電弓進(jìn)入動(dòng)車組，此時(shí)，避雷器呈低阻態(tài)，將電壓互感器、電流互感器短路，故在模型中不考慮這兩個(gè)因素的影響。各車體車底通過(guò)等勢(shì)線相連，雷電流由3車車頂向其他車傳播時(shí)，各車體阻抗主要是橫向阻抗Zc導(dǎo)入電路，Zc可通過(guò)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)車體所得，車間連接電阻Rj為0.005 Ω，車體和接地碳刷之間的接地電阻器Zd中電阻Rd為0.5 Ω，寄生電感為20.3～20.5 μH[18]，接地電阻器通過(guò)兩條保護(hù)接地電纜相連，每條電纜線徑約150 mm2，長(zhǎng)度為12 m，由動(dòng)車組的車體中部并聯(lián)延伸至向車體兩端。經(jīng)測(cè)試，其電阻1.584 mΩ，電感2.76 μH，再分別從車體兩端串聯(lián)1 m、95 mm2的電纜連接到接地碳刷，這部分電纜電阻阻值為0.21 mΩ，電感值為0.19 mH。接地電纜可用阻抗Zjt等效，這兩部分接地電纜的電阻阻值之和Rjt為1.794 mΩ，電感之和Ljt為2.95 μH，接地碳刷阻值Rt為0.05 Ω，Rg為鋼軌等效電阻，單位長(zhǎng)度鋼軌電阻阻值為r=0.073 4 Ω/m，Li=0.143 μH/m，兩端車車廂長(zhǎng)度為25.86 m，其他車廂均為24.83 m，將所有車廂均等效為25 m，對(duì)應(yīng)鋼軌的電阻阻值為0.001 8 Ω，電感值為3.575 μH。高壓電纜線徑240 mm，其屏蔽層與車體相連，從3車到6車車頂約100 m，每節(jié)車體上高壓電纜電阻1.25 mΩ，電感0.008 μH，電容4.25 μF。

2.2 雷擊接觸網(wǎng)車體過(guò)電壓仿真分析

雖然動(dòng)車組3車和6車的車頂均有受電弓，但是正常運(yùn)行下禁止雙弓受流，假設(shè)僅3車車頂受電弓處于升弓狀態(tài)。幅值為20 kA的雷電流擊中接觸線后，經(jīng)受電弓侵入動(dòng)車組，此時(shí)避雷器必然動(dòng)作而呈低阻態(tài)，避雷器低壓端與車頂電氣連接，雷電流首先侵入3車車頂，再通過(guò)各車體間的連接線傳入其他車體，形成車體過(guò)電壓。對(duì)2～5車車體的過(guò)電壓進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 雷擊接觸網(wǎng)各車過(guò)電壓分布情況

由圖5可知，3車車體過(guò)電壓最大，在1.89 μs時(shí)達(dá)到最大值43.45 kV，過(guò)電壓迅速上升到峰值以后，將以正負(fù)震蕩的形式衰減，2、4、5車車體的過(guò)電壓幅值分別為23.46、19.83、10.01 kV，相比3車稍低，對(duì)應(yīng)時(shí)間分別為1.48、1.45、1.89 μs，均在20 μs左右衰減到最大值的一半，并且可以看出車體過(guò)電壓峰值時(shí)間均在8 μs以內(nèi)，即均在雷電流的上升階段。由于雷電流直接由3車進(jìn)入動(dòng)車組，所以該車的過(guò)電壓最大，雷電流進(jìn)入動(dòng)車組以后，一部分通過(guò)3車接地系統(tǒng)入地，另一部分通過(guò)車體之間的連接線傳至相鄰車體后，再通過(guò)其車下接地系統(tǒng)入地，在此過(guò)程中，不斷分流，故距離3車車體越遠(yuǎn)的車體過(guò)電壓越低。

3 接地系統(tǒng)對(duì)雷擊接觸網(wǎng)車體過(guò)電壓的影響及抑制措施

3.1 接地電阻器對(duì)車體過(guò)電壓的影響

各車體電壓的抬升，是由于車頂?shù)戒撥壷g電阻和電感共同作用的，車體部分的感抗和阻抗相對(duì)接地系統(tǒng)中接地電阻器的電阻和寄生電感較小，車體結(jié)構(gòu)和材料不易改進(jìn)。接地電阻器中電阻值、電感值分別改變時(shí)對(duì)過(guò)電壓的影響如圖6所示，3車過(guò)電壓幅值對(duì)應(yīng)圖6的左Y軸，其他車對(duì)應(yīng)右Y軸。

(a)寄生電感值

(b)電阻值圖6 接地電阻器對(duì)過(guò)電壓的影響

由圖6可知，電阻對(duì)車體過(guò)電壓影響基本可以忽略，但是電感的影響較大。由圖6(a)可知各車體過(guò)電壓幅值隨接地電阻器中電感增大而增加，基本呈現(xiàn)一次函數(shù)關(guān)系，對(duì)比圖6(a)各車體過(guò)電壓的斜率可知，接地電阻器中電感值對(duì)3車車體過(guò)電壓的影響最大，離3車越遠(yuǎn)，電感的影響就越小。這是由于雷電流沿動(dòng)車組傳播時(shí)會(huì)不斷由各車體接地系統(tǒng)分流，而距離3車越遠(yuǎn)的車體，電流會(huì)越小，由ΔU=ωIΔL可知，從車體流過(guò)的電流越小，ΔU也越小，因此影響越小。

3.2 車體過(guò)電壓抑制措施

3.2.1 直接接地方式

接地系統(tǒng)中接地電阻器的存在的確抬升了車體過(guò)電壓，且越遠(yuǎn)離3車，接地電阻器對(duì)其過(guò)電壓的影響越小，可只對(duì)2～5車接地系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，考慮2～5車采用直接接地方式進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 直接接地方式下過(guò)電壓情況

如圖7所示，2～5車改為直接接地方式以后，能夠有效抑制其過(guò)電壓。2～5車各車車體過(guò)電壓幅值分別為2.38、16.1、2.56、1.77 kV，對(duì)比圖4，各車體過(guò)電壓最大值分別下降了79.81%、79.9%、78%、53%。采用直接接地方式能夠在一定程度上降低車體過(guò)電壓，但是采用直接接地方式可能會(huì)帶來(lái)車體回流增大的新問(wèn)題，引發(fā)一定的電磁干擾，因此采用直接接地方式具有局限性。

3.2.2 接地電阻器并聯(lián)電容的方式

由于雷電流一般為高頻信號(hào)，而電容有通高阻低的作用，所以探討僅將2～5車的接地電阻器并聯(lián)一個(gè)電容的方式來(lái)抑制車體過(guò)電壓，如圖8所示。

圖8 2～5車采用電阻器并聯(lián)電容器接地方式

可以看出，隨著電容的變化，車體過(guò)電壓幅值不同，并聯(lián)電容值分別取0.01、0.1、1、5、10、15、20、30、50、100 μF時(shí)，仿真分析2～5車車體過(guò)電壓。各車體過(guò)電壓最大值隨并聯(lián)電容值大小的變化如圖9所示，3車過(guò)電壓幅值對(duì)應(yīng)左Y軸，其他車對(duì)應(yīng)右Y軸。

圖9 并聯(lián)不同電容值下過(guò)電壓幅值

從圖9可以看出，各車體過(guò)電壓幅值先隨著并聯(lián)電容的增大而減小，而當(dāng)容值大于C0時(shí)，該車接地系統(tǒng)中的電阻器相當(dāng)于被短路，雷電流直接通過(guò)電容、接地電纜到接地碳刷，該車車體過(guò)電壓幅值趨于穩(wěn)定，對(duì)于3車，C0為5 μF，其他車C0約為10～15 μF。由于在相同額定功率下電容器容值越大，電容體積也越大，而列車車底轉(zhuǎn)向架空間非常有限，因此電容器容值也不宜選擇過(guò)大，綜合考慮，電容值均取10 μF。當(dāng)并聯(lián)電容值為10 μF時(shí)，2～5車車體過(guò)電壓的波形如圖10所示。從圖10可以看出，并聯(lián)10 μF的電容時(shí)，2～5車過(guò)電壓分別為2.42、16.1、2.61、1.79 kV，對(duì)應(yīng)時(shí)間分別為19.5、1.17、9.89、3.5 μs，對(duì)比圖6，除3車以外，其他車體電壓略高，但不超過(guò)2%。因此當(dāng)并聯(lián)電容值大于10 μF時(shí)，電阻器并聯(lián)電容接地方式和直接接地方式對(duì)各車體過(guò)電壓幅值的抑制作用基本一致，但過(guò)電壓最大峰值時(shí)間延后，波形的增長(zhǎng)和衰減有所減緩，使各車體承受過(guò)電壓的時(shí)間變長(zhǎng)。原因是電容有濾波作用，當(dāng)雷電流侵入車體時(shí)，大幅度抬升車體電位，電容充電，當(dāng)雷電流衰減時(shí)，車體過(guò)電壓下降，電容釋放所儲(chǔ)能量。

圖10 并聯(lián)10 μF電容時(shí)車體過(guò)電壓

3.2.3 減少接地電纜長(zhǎng)度

雖然將2～5車車體接地系統(tǒng)改為電阻器并聯(lián)電容接地方式均能有效抑制車體過(guò)電壓，但是根據(jù)TB/T 3021—2001《鐵道機(jī)車車輛電子裝置》中相關(guān)規(guī)定，車載電子設(shè)備所能承受最大浪涌電壓為2 kV，而該方式并不能將所有車體過(guò)電壓均抑制在2 kV以內(nèi)，故在電阻器并聯(lián)電容接地方式的基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)如何進(jìn)一步抑制車體過(guò)電壓的方法進(jìn)行探究。

接地系統(tǒng)中除了接地電阻器中的電阻、電感抬升車體電位以外，還有將車體、接地電阻器和接地碳刷之間的的連接線，即接地電纜。該電纜由兩部分串聯(lián)而成，分別是車體中部到車體兩端，再?gòu)亩瞬康教妓ⅲ浑y發(fā)現(xiàn)，該接地電纜電阻、電感較大，在高頻雷電波作用下，對(duì)雷電流的泄放有抑制作用，可以考慮直接從動(dòng)車組各車體兩端端部直接通過(guò)1 m長(zhǎng)的接地電纜連接接地碳刷。車體端部連接到接地碳刷這部分電纜電阻阻值為0.21 mΩ，電感為0.19 mH。仿真分析2～5車車體電壓，結(jié)果如圖11所示。

圖11 各車體過(guò)電壓分布情況

圖11中，2～5車車體過(guò)電壓幅值分別為0.219、1.92、0.238、0.115 kV，均低于2 kV，滿足要求。對(duì)比圖11發(fā)現(xiàn)，在2～5車采用電阻器并聯(lián)電容接地方式的基礎(chǔ)上，再減小各車接地電纜長(zhǎng)度后，2～5車車體過(guò)電壓得到有效抑制，分別降為原來(lái)的0.93%、4.23%、1.2%、1.15%。但各車體過(guò)電壓波形震蕩加快，由式( 4 )、式( 5 )可知，振蕩頻率f與該回路的電容和電感有關(guān)，接地電纜變短，該回路的電感減小，ω增大，故震蕩頻率增大。通過(guò)減少接地電纜長(zhǎng)度的方法可以有效抑制車體過(guò)電壓。

f=ω/2π

( 4 )

( 5 )

4 結(jié)論

本文建立動(dòng)車組處于正常運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)接觸網(wǎng)遭受8/20 μs、20 kA雷電流時(shí)車體過(guò)電壓仿真模型，并分析接地電阻器對(duì)車體過(guò)電壓的影響。基于其影響，僅將2～5車的接地系統(tǒng)分別改為直接接地方式和電阻器并聯(lián)電容方式抑制車體過(guò)電壓，并在后者基礎(chǔ)上通過(guò)減少接地電纜長(zhǎng)度進(jìn)一步降低車體過(guò)電壓幅值，得到以下結(jié)論：

(1)接觸網(wǎng)遭受雷擊時(shí)，各車體產(chǎn)生過(guò)電壓，3車車體過(guò)電壓最高，可達(dá)43.45 kV，距離3車越遠(yuǎn)的車體，其過(guò)電壓越小，原因是距離3車越遠(yuǎn)，分流過(guò)程中所剩的電流越小，車體過(guò)電壓就越小。

(2)接地系統(tǒng)中的電阻對(duì)車體過(guò)電壓的影響可以忽略，但電感對(duì)其影響較大。各車體過(guò)電壓受影響的大小隨該車體與3車距離的增大而減小。

(3)將2～5車接地方式改為直接接地方式或電阻器并聯(lián)電容的方式均能有效抑制車體過(guò)電壓，當(dāng)并聯(lián)電容大于10 μF時(shí)，二者對(duì)過(guò)電壓幅值的抑制程度基本一致，但是相比于直接接地方式，采用電阻器并聯(lián)電容時(shí)，各車體過(guò)電壓最大值出現(xiàn)的時(shí)間明顯滯后，過(guò)電壓的增長(zhǎng)和衰減較慢。

(4)在將接地方式改為電阻器并聯(lián)一個(gè)電容方式的基礎(chǔ)上，再將接地電纜長(zhǎng)度減小到1 m時(shí)，各車體過(guò)電壓均能降到2 kV以內(nèi)，但是過(guò)電壓波形震蕩加快。

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