雷击接触网高速列车车体过电压分析＊

韩伟锋，胡学永，肖石，吴广宁，高国强，刘东来，杨坤松

(1．西南交通大学 电气工程学院，四川成都610031;2．南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心，山东青岛266111)

近年来，随着国民经济的快速发展，人们对铁路旅客列车运输的安全性、舒适性和速度提出了更高的要求。高速铁路应运而生，经过若干年的发展，我国高速铁路的技术逐渐成熟，建设高速铁路将是未来铁路的发展趋势，同时高速铁路的运营安全性得到人们的日益关注［1］。我国高速铁路大都架设在空旷的野外和高架桥上，没有避雷线的防护，并且高速铁路线路分布地域广，接触网遭受雷击的概率较大。在列车行驶的接触网段遭受雷击时，接触网过电压将会向车体内传输。高速铁路架设在高架桥上，延长了综合地线的长度，增加了高速铁路接地线的电阻和电感，接地电流较大时引起钢轨电位抬升。列车内的信号监测与控制等电气设备都是以车体作为“信号地”，列车车体过电压将会危害车内电气设备的安全，影响列车的安全运行。目前，国内学者致力于研究接触网过电压产生因素，对过分相、雷击等工况时接触网过电压产生机理进行了详尽阐述［2－5］，但是缺乏对于接触网过电压对列车车体电压的影响分析。Hatsukade分析研究了列车在升降弓时车体浪涌过电压的产生因素，并提出了针对浪涌过电压的抑制方法［6－7］。但车体浪涌过电压与雷击接触网车体过电压产生机理不同，车体浪涌电流与雷电流在频率和幅值上存在一定的差异，浪涌过电压的抑制方法并不能较好地适用于抑制雷击接触网车体过电压。因此，为确保高速列车的运行安全可靠，有必要对高速列车车体过电压产生原因进行进一步分析与研究。本文基于高速列车的车体接地方式，分析雷击接触网时引起列车车体电位突变的机理，并提出相应的降低车体电位的建议。

1 高速列车主电路分析

1．1 主电路

图1所示是8编组的高速列车结构图，2号、3号、6号和7号车体为动车，其余车体为拖车。正常运行时，列车采用单弓受流，另一台受电弓备用，处于折叠状态。列车通过受电弓接受电流后，经过高压电缆、主断路器，将电流传送到2号和6号车厢的主变压器，经整流逆变过程，传送至牵引电机，驱动列车前进。2号、3号动车与6号、7号动车组成两个动力单元，图2给出6号、7号车组成的动力单元主电路结构图，左边为车顶有受电弓车厢底部安装有主变压器的6号车体，右边为7号车体，两车体之间有跳线进行电气连接。

图1 动车组结构图Fig．1 Structure diagram of EMU

图2 主电路结构图Fig．2 Structure diagram of main circuit

1．2 接地系统

列车通过受电弓从接触网接受的电流供给车载电气设备使用后经车体接地系统流入钢轨，并通过综合贯通地线入地，将电流回流至牵引变电所。为避免车体接地系统中的电流流过轴承，防止轴承电剥蚀，轴承箱与转向架联接处有橡胶绝缘。在正常情况下，车体通过接地碳刷与车轴上的集电环相连，碳刷装置与车轴组成车体的接地系统［8～10］。

接地碳刷接触电阻不稳定，碳刷滑动接触电阻的变化使不同车体接地电阻不相等，造成各动车车体接地电流不相等。接地电阻小的车体其接地电流大，流过该车体碳刷中的电流大，引起碳刷发热过快，加速了碳刷的磨损，影响碳刷接触性能。碳刷接触性能降低，车体接地系统电阻增加，车内电流可能会通过转向架与轴承箱处的绝缘橡胶泄漏到轴承箱，通过轴承，造成轴承电腐蚀。为防止接地碳刷的异常磨损、轴承电腐蚀，高速列车车体采用串联接地电阻器的接地方式，在车体与电刷之间串联等值的电阻器(图2中的R)。接地电阻器的阻值远大于碳刷接触电阻，稳定了车体接地电阻，使车体接地电流均匀，防止接地碳刷的异常磨损、轴承电腐蚀。

2 车体过电压分析

2．1 雷电流流过车体造成的车体电位抬升

2．1．1 建模

高速列车车体通过碳刷与钢轨相连，每个车体车轴上有4个碳刷，4个碳刷对称分布在车底，都通过接地电阻器与车体连接。将每个车体车轴上的4个碳刷等效为1个接触电阻，车体等效为1个阻抗。图3所示是雷电流注入高速列车的等效电路结构图，Rc为车体阻抗，Rj为车体接地系统电阻(接地电阻器电阻和碳刷滑动接触等效电阻之和)，R1和R3为相邻车体间连线电阻，R2是4和5号车体以及车体间连线阻抗总和，雷电流等效为一个高频冲击电流源。

图3 车体等效电路结构图Fig．3 Structure diagram of the body equivalent circuit

图4 车体瞬时电位Fig．4 The instantaneous potential

车载避雷器采用氧化锌避雷器，动作电压57kV，雷电流 i(t)在接触网中引起的雷电压u=0．5i(t)Z，其中:Z是为接触网悬挂系统波阻抗，取 Z=230 Ω［11］。由此可知:几百安培的雷电流就足以使车载避雷器动作，在分析几十kA雷电流的注入引起车体过电压过程中忽略雷电流上升沿避雷器未动作的时间间隙，将避雷器等效为短路状态。

雷电击中接触网导线后，雷电行波在接触网导线雷击点处向2个方向传播，接触网中雷电流为i0(t)，雷电流在接触网上产生过电压，车载避雷器动作，雷电流通过避雷器流入车体。

2．1．2 仿真分析

雷电流采用Heidler函数模型，解析表达式为

其中:I0为峰值电流;η为峰值电流修正系数;ks=t/τ1，n为电流陡度因子，一般情况下取n=10;τ1和τ2分别为雷电流的波头时间和波尾时间。

根据图3所给出的车体等效电路结构图，利用Matlab/Simulink软件建立仿真模型，雷电流参数为2．6 μs/50 μs，峰值为 20 kA，接地电阻器的阻值为0．5 Ω，经现场测量，碳刷接触电阻等效电阻值取0．01 Ω，车体阻抗为47 mΩ。车体瞬时电位变化如图4所示，受电弓与避雷器所在6号车体中雷电流分量最大，其车体瞬时电势峰值也最大，为3．24 kV。2号、3号和7号车体底端瞬时电位幅值分别为 1．87，1．90 和3．20 kV。

2．2 接触网中的雷电流对车体的感应电势

2．2．1 理论分析

当雷电流在接触网上传播时，接触网周围空间电场和磁场发生突变，列车车体为铝合金材料，在瞬变的电磁场环境中，车体内部产生环流，如图5所示。另外动车车体通过接地系统与钢轨相连，相邻动车车体与钢轨间通过车体接地系统形成闭合回路，雷电流引起的瞬变电磁场在车体－钢轨回路中产生大幅值的感应电流，感应电流流过接地系统引起车体电位瞬时抬升，造成车体过电压。

图5 车体－钢轨回路Fig．5 The body－rail loops

雷电流在其周围产生的电磁场为瞬变磁场，本文依据麦克斯韦方程理论，利用偶极子法［12］分析计算接触网中的雷电流在周围空间产生的电磁场。

图6 向量关系Fig．6 Vector relationship

对线性、时不变、各向同性的均匀媒质中麦克斯韦方程组可表示为

引进定义矢量位A和标量势φ，根据洛伦兹条件能够得到:

将式(3)代入式(2)则麦克斯韦方程可转化为矢势A和标势φ的达朗贝尔方程:

其动态矢量位A的非齐次解为

代入式(3)得:

对式(7)积分求得空间某处的磁场强度:

车体－钢轨回路所围区域包括设备舱、转向架和设备舱底面与轨面间的空气，将设备舱和设备舱与轨面间空气的磁导率简化为μ0，设备舱面板为铝合金材料，转向架假设为均匀刚质材料，不同区域分界面满足动态磁场边界条件。车体－钢轨回路中的感应电势为:

其中:s为回路等效面积，文献［7］中给出了动车组参数:车体底面板距轨面1 300 mm，设备舱底面板距轨面200 mm，单体车长26．5 m。对单个车体－钢轨回路其等效电路如图7所示。ig为回路中的感应电流，Rc，Rj和Rg分别为车体电阻、车体接地电阻和钢轨电阻，钢轨电阻取0．2 Ω/km。

图7 单个车体－钢轨回路等效电路Fig．7 Equivalent circuit of single body－rail loop

2．2．2 仿真分析

通过对式(9)的积分运算能够得出车体－钢轨回路电势，利用Matlab/Simulink建立车体－钢轨回路的感应电势仿真模型，通过仿真得到各动车车体的瞬时感应电势，如图8所示。车体与钢轨之间的瞬时感应电势集中在雷电流的上升沿，在上升沿中点处达到最大值，在雷电流下降沿其值在零值附近。由式(9)可知:感应电势与雷电流的变化率有关，在雷电流上升沿中点处，其变化率最大，感应电势达到峰值，在其下降沿，变化相对比较平缓，感应电势较弱。6号车体感应电势峰值最大，为18 kV，其他车体感应电势峰值分别为 7．8，16．8 和5．7 kV。由图5可知:b回路的长度是a和c回路长度的3倍，结合式(9)，回路感应电势与回路区域面积有关，因此，b回路中的3号和6号车体接地系统两端感应电势峰值大于2号和7号车体接地系统两端的感应电势峰值。

与雷电流流过车体造成的车体瞬时电势Ui相比较，接触网中的雷电流对车体－钢轨回路引起的车体瞬时感应电势Ug的幅值要大很多，但是感应电势信号的脉宽较窄，只有5 μs;车体的瞬时感应电势Ug的幅值发生在雷电流的上升沿，瞬时电势Ui的幅值与雷电流的幅值同步;Ug的幅值主要与雷电流的最大陡度有关，幅值小、陡度大的雷电流的雷击也会引发较大的车体感应电势。

图8 车体瞬时感应电势Fig．8 Instantaneous induction potential

3 车体过电压抑制措施

通过以上阐述，接触网遭受雷击时，接触网中的雷电流会在车体与钢轨之间产生瞬时过电压，过电压包含2个分量:一是接触网雷电流通过避雷器流入车体产生的过电压Ui，二是接触网中的雷电流在车体－钢轨回路中产生的瞬时感应电势Ug。根据我国铁道行业标准TB/T3021—2001铁道机车车辆电子装置标准，列车上的电子装置要能够承受最低2 kV的浪涌电压［13］。当接触网中雷电流峰值为20 kA时，6号车体瞬时电势峰值达19．6 kV(Ui和Ug的叠加值)。车体电势的突变严重危害了电气设备的安全，因此，应采取相应措施以抑制车体瞬时电位过电压，保证车内电气设备的安全工作。

3．1 并联滤波电容

雷电流为高频脉冲信号，在一般情况下，雷电流的频率为几十甚至几百kHz。利用电容器“通高频阻低频”的特性，在接地电阻器两端并联一定容值的电容器，降低在雷击工况下车体接地系统的电阻值，而不影响工况下车体接地电阻。雷击接触网引起的车体瞬时电压包含Ui和Ug2个分量，2个电压分量到达幅值的时间不同，电压信号脉宽相差较大，因此，单独分析并联滤波电容对2个电压分量的幅值影响。以6号车体为例探讨将车体浪涌电势下降到安全值域内所需并联滤波电容器的容值。

当接触网的雷电流幅值为20 kA时，在2．1中的仿真中流过6号列车车体的雷电流幅值最大，达到6．4 kA，在此雷电流下为使车体瞬时电势不超过2 kV，滤波电容阻抗X≤0．18 Ω，雷电流脉宽为100 μs，得并联滤波电容容 C≥88 μF。

图4和图8的对比表明:车体瞬时感应电势是车体瞬时电势峰值的主要影响因素，降低车体感应电势才能更有效降低车体电势峰值。通过仿真发现，在接地电阻器两端并联88 μF电容，车体瞬时感应电势没有被降低到安全范围内。

图9所示为并联220μF滤波电容后接触网中雷电流为20 kA时6号车体瞬时电势，车体瞬时感应电势下降到1．5 kV，总电势峰值也只有1．7 kV。

并联滤波电容还能够降低列车升降弓车体浪涌电势，但是，雷电信号以及浪涌信号都是高频信号，滤波电容中的杂散电感会影响电容对过电压的抑制效果，因此选择的滤波电容应具有自感小、等效串联电阻低和能经受高电压、大电流冲击的特性。为保障滤波电容的使用寿命，为过电压留有一定的裕度，电容器的耐压值可选择在2．5 kV。

加载1～100 kHz电源测量列车车体电感，电感约为2 μH。接地电阻器两端并联滤波电容后在雷电流与感应电流回路利用式(10)计算得回路谐振频率f，f约为7 kHz，与雷电流和雷电感应电流的频率不在1个数量级，因此，不会引起电路的高频谐振。

图9 并联220μF滤波电容后6号车体雷击接触网时车体瞬时电势Fig．9 No．6 body’s Instantaneous potential after paralleling 220 μF filtering capacity when lightning catenary

3．2 增加车体接地点

回路感应电势与回路所围面积有关，因此，可以尝试通过分割b回路来降低单个车体－钢轨感应电势回路面积，从而降低回路感应电势。在图10中，4号和5号车体上安装相同的接地装置，回路b被分为b1，b2和b3共3个回路。5个车体－钢轨回路结构相同，利用式(9)计算出在5个回路中的感应电势大致相同，回路阻抗相等，因此，各回路中感应电流基本相等。3～6号车体分别存在于2个相邻回路中，相邻回路中的感应电流在同一车体接地系统中方向相反，降低了这4个车体接地系统中的感应电势峰值，如图11所示。3～5号车体瞬时电势中几乎不存在感应电势分量，6号车体瞬时电势从18 kV降低到1．6 kV。2号和7号车体与没有增加车体接地点相比其车体瞬时感应电势不变。

图10 车体－钢轨回路Fig．10 Modified body－rail loops

图11表明增加车体接地点后，车体感应电势峰值最大值从18 kV下降到7．80 kV，但没有完全解决雷击接触网时车体感应过电压问题，2号和7号车体瞬时感应电势仍对车内电气设备安全存在一定的威胁。另外，增加车体接地点减小了流过单个车体的雷电流，降低因雷电流流过车体接地系统而引起车体电势的抬升量。

图11 增加车体接地点后车体瞬时感应电势Fig．11 Instantaneous induction potential after increasing body’s earth point

3．3 减小接地电阻器阻值

车体的接地电阻主要是接地电阻器，减小接地电阻器阻值能够降低车体接地电阻，从而降低雷电流注入车体引起的车体电位抬升量，并在一定程度上降低车体与钢轨之间的感应电压。但是，接地电阻器起着保护碳刷、防止轴承电腐蚀的作用，接地电阻器的阻值过小可能会加速碳刷的异常磨损，降低碳刷寿命，因此，通过减小接地电阻器电阻来降低车体瞬时电位峰值有一定的局限性。

4 结论

(1)高速动车组采用车体与碳刷间串联接地电阻器的接地方式，接触网遭受雷击时，将引起列车车体电势瞬时抬升。车体瞬时电势的幅值与雷电流的峰值、雷电流陡度以及车体接地系统的阻值有关。当接触网中雷电流峰值为20 kA时，车体瞬时电势峰值最大值达到18 kV，严重威胁到车内电气设备的安全。

(2)车体瞬时过电压产生的途径包括2个方面:一是雷电流流过车体接地系统引起的车体瞬时电势变化;二是接触网中的雷电流对车体－钢轨回路中产生感应电势。

(3)在接地电阻器两端并联滤波电容能够有效降低雷击接触网时车体底部瞬时电势的峰值，电容器电容不小于220 μF。增加车体接地点，减小接地电阻器阻值也能够在一定程度上降低车体瞬时电势峰值。

［1］杜欣．我国高速铁路运营概况与未来需求展望［J］．中国铁路．2011(1):31－33．DU Xin．Operational overview and future demand outlook of china’s high － speed railway［J］．Chinese Railway，2011(1):31－33．

［2］周福林，李群湛，贺建闽，等．基于概率的机车过分相过电压仿真实测及其机理研究［J］．机车电传动，2008(6):13－16．ZHOU Fulin，LI Qunzhan，HE Jianmin，et al．Research on simulation，practical measurement and mechanism of locomotive over－voltage and passing neutral－section based on probability［J］．Electric Drive for Locomotives．2008(6):13－16．

［3］宫衍圣．电力机车过关节式电分相过电压研究［J］．铁道学报，2008，30(4):104 －107．GONG Yansheng．Research of over－voltages of electric locomotive passing the articulated phase insulator［J］．Journal of the China Railway Society，2008，30(4):104 －107．

［4］刘明光．接触网受雷击过电压影响及其分析计算［J］．铁道学报，1997，19(3):47 －50．LIU Mingguang．The impact and analysis of lightning overvoltage on catenary［J］．Journal of the China Railway Society，1997，19(3):47 －50．

［5］刘靖，刘明光，屈志坚，等．接触网雷击跳闸率的新算法［J］．中国铁道科学，2010，31(2):73 －78．LIU Jing，LIU Mingguang，QU Zhijian，et al．A new algorithm for lightning outage rate of the catenary［J］．China Railway Science，2010，31(2):73 －78．

［6］Hatsukade S．Reduction method of surge voltage on AC railcar’s body［J］．QR of RTRI，2009，50(2):70 －75．

［7］Hatsukade S，Maeda T．Experiment and basic analysis of the surge on a rolling stock’s body［J］．IEEJ Trans．PE，2005，125(8):754 －758．

［8］张曙光．CRH2型动车组［M］．北京:中国铁道出版社，2008:136－138．ZHANG Shuguang．Electric multiple unit of CRH2［M］．Beijing:China Railway Publishing House，2008:136 －138．

［9］郭晖．车辆的接地电流［J］．国外铁道车辆，2001，38(6):39－45．GUO Hui．Grounding current of cars．［J］．Foreign Rolling Stock，2001，38(6):39 －45．

［10］Mulertt，等．防止电流通过轴承［J］．国外铁道车辆．1994，(3):46 －49．Mulertt C，et al．Prevent current through the bearing［J］．Foreign Rolling Stock．1994，(3):46 －49．

［11］刘靖，刘明光，屈志坚，等．计算接触网雷击参数的新方法［J］．中国铁道科学，2011，32(4):76 －81．LIU Jing，LIU Mingguang，QU Zhijian，et al．A new method for calculating the lightning parameter of catenary［J］．China Railway Science，2011，32(4):76 －81．

［12］Rubinstein M，Martin A．Methods for calculating the electromagnetic fields from a known source distribution:application to lightning ［J］．IEEE Trans．on Electromagnetic Compatibility，1989，31(2):183 －189．

［13］严云升，范祚成．机车车辆电子装置标准的技术发展和探讨［J］．机车电传动，2011，7(4):5 －10．YAN Yunsheng，FAN Zuocheng．Technic development and discussion of electronic－installation standards for rail vehicle［J］．Electric Drive for Lovomotives，2011，7(4):5－10．