雷击接触网高速动车组的车体过电压分析及抑制措施

曹保江，郑 玥，高国强，吴广宁

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

雷击作为人类最难控制的自然灾害之一，随温室效应全球气候变暖，其破坏范围和破坏性增大，近年来，由于雷击接触网，造成接触网故障和动车组部件受损事故频发，导致列车停运、旅客滞留[1]。雷电流通过接触网-受电弓-车顶避雷器侵入车体时，可能会给车载电子设备和信号系统的正常工作造成影响，因此对动车组各车体的过电压情况进行分析很有必要。

近年来，国内外学者对雷电参数以及雷电对电气设备、供电系统的影响进行了大量的研究。文献[2-3]利用磁带法实测雷电流波形，并通过大量实测数据分析了雷电流幅值以及陡度的频率分布的关系。文献[4-9]利用融合多种雷电监测手段或通过传感器和监控装置对杆塔进行在线监测，对雷击杆塔时的波过程进行暂态分析和输电线路的电磁分析，根据输电线路雷击和闪络情况做出不同等级的预警。 当雷电流侵入变电站时，可通过变压器中性线或增加中性线上避雷器的通流量来抑制其过电压[10]。在电气化铁路方面，雷电流的热效应导致线路设备加速老化，同时，在雷电流的作用下，弱电设备周围的电磁场发生畸变，导致电子设备损坏，由于雷击原因造成的损坏占了事故率的80%[11]。文献[12-17]利用几何模型和实测数据对高速铁路在不采用避雷线防护时的雷电特性进行了分析，并基于分析结果，对高铁的防雷体系提出了改进方法。

上述研究多是针对线路或变电所防雷问题，由于我国高速铁路采用高架桥结构，动车组作为一种移动的负荷通过受电弓与接触网相连，受电弓与车体之间安装有浪涌保护器(等效为避雷器)。当接触网遭受雷击时，雷电波容易通过接触网—受电弓—车顶避雷器入侵到动车组上，而有关雷击接触网时动车组车体过电压的问题研究相对较少。一旦产生过电压，对列车上的乘客和工作人员，以及设备的安全均可能带来威胁。为了研究雷击接触网时动车组车体过电压问题，本文基于动车组的电路结构和接地方式，建立动车组在正常运行时，接触网遭受雷击，动车组车体过电压仿真模型，基于该模型，分析接地电阻器对车体过电压的影响，提出采用直接接地和并联电容等抑制车体过电压的方法，并且在电阻器并联电容抑制措施的基础上通过减小接地电缆长度进一步降低各车体过电压。

1 高速列车主电路分析

某型动车组为动力分散、交流传动电动车组。其中8辆为一个编组，采用4动4拖(2、4、5、7车为动车，1、3、6、8车为拖车)。正常运行时，动车组采用单弓受流。列车通过3号或6号受电弓从接触网获取电能，通过高压断路器、电压、电流互感器、避雷器等设备后，经高压电缆分别传输到3车和6车牵引变压器的一次侧，整流逆变后传送到牵引电机，从而驱动列车运行。图1为动车组主电路结构图，变压器一次侧末端经车轴上的接地碳刷、轮对到钢轨，从而回流至牵引变电所。

图1 动车组主电路图

为了降低车体回流，各车厢均存在保护接地。接地电缆将车体、接地电阻器和轴端连通，电流通过接地碳刷入地。工作接地设置在3、6车，变压器末端连接至工作接地系统并分别与3车、6车两个不同转向架的接地碳刷相连，因此，工作电流可通过该接地系统与大地实现回流。此外，全车用电缆贯通连接。

2 雷击接触网车体过电压分析

2.1 雷击接触网车体过电压模型构建

我国牵引供电系统，采用地面牵引变压器降压的方式，把公共电网中的电压变为牵引供电电压，牵引电流从变电所流出后，在接触网上高压传输，并通过受电弓传递给动车组，经降压、整流及逆变后，供电机使用，以驱动动车组的运行。在雷击接触线后，设雷电流i(t)沿着接触网通过受电弓传到高压电缆和主电路，电压电缆铺设在3～6车车顶，且其屏蔽层与各车体车顶相连，高压电缆和3车车顶之间装有检测作用的电压和电流互感器以低压端连接车顶的避雷器，当过电压上升值大于避雷器阈值时，主变压器及其末端的工作接地相当于断路，故此模型不予考虑，雷电流通过避雷器传到3车车体的车顶，由于各车车底通过连接线相连，雷电流可在各车体间传播，再通过接地系统中的接地电阻器和连接线到接地碳刷，传至钢轨，最后向大地泄放。利用电路仿真软件PSPICE建立雷击接触网时牵引供电系统和动车组电路图，如图2所示。

图2 雷击接触网等效电路结构图

可以利用波前时间T1以及半峰时间T2描述一个双指数形式的雷电流(式( 1 ))，记为T1/T2。T1表示雷电流从峰值的10%上升到90%所需时间，T2表示由峰值的10%上升到峰值后又下降到50%所需的时间，其波形如图3所示。

i(t)=AIm(eα t-eβ t)

( 1 )

图3 雷电流波形图

常用的雷电参数分别是8/20 μs和10/350 μs，IEC 61312-1规定：10/350 μs是首次雷击波型，用于电源的第一级(A级)保护；而8/20 μs则主要用于一些避雷器和SPD(电涌保护)的性能指标测试。实际雷电流半峰时间多集中在20～100 μs内，且超过200 μs的概率小于5%[2]，故在此模型中波形参数选取8/20 μs，更为合理。

从实测雷电流的数据中可以看出，雷电流幅值出现的机率随幅值的增大先增加后减小[2-3]，大部分的雷电流在5～20 kA范围内，考虑最恶劣情况，雷电流幅值选择20 kA。模型中的雷电流参数为8/20 μs，20 kA。根据DL/T 620—1997，将雷电通道波阻抗Z0取为300 Ω。

根据我国高铁的典型参数，供电臂长度为25 km，接触网导线电阻值RS为4.975 Ω，电感值LS为35.7 mH，对地电容CS为0.081 μF，雷电流由受电弓经过避雷器侵入车体。

采用Pincete-Gianettoni模型建立该型动车组的车载避雷器模型，如图4所示。除了A1和A2为表示避雷器呈指数函数形式的非线性伏安特性的可变电阻外，其他参数均取决于该避雷器的测试参数，L0和L1的计算公式为

( 2 )

( 3 )

图4 Pincete-Gianettoni模型

式中：Vr(8/20)为8/20 μs、10 kA雷电流时最大残余电压，100 kV；Vr(1/t2)为厂家进行陡坡残余测试时的残余电压，151 kV；Vn为避雷器的额定电压值，37 kV。可计算求得L0为4.717 μH，L1为1.572 5 μH。雷电流随受电弓进入动车组，此时，避雷器呈低阻态，将电压互感器、电流互感器短路，故在模型中不考虑这两个因素的影响。各车体车底通过等势线相连，雷电流由3车车顶向其他车传播时，各车体阻抗主要是横向阻抗Zc导入电路，Zc可通过实测现场车体所得，车间连接电阻Rj为0.005 Ω，车体和接地碳刷之间的接地电阻器Zd中电阻Rd为0.5 Ω，寄生电感为20.3～20.5 μH[18]，接地电阻器通过两条保护接地电缆相连，每条电缆线径约150 mm2，长度为12 m，由动车组的车体中部并联延伸至向车体两端。经测试，其电阻1.584 mΩ，电感2.76 μH，再分别从车体两端串联1 m、95 mm2的电缆连接到接地碳刷，这部分电缆电阻阻值为0.21 mΩ，电感值为0.19 mH。接地电缆可用阻抗Zjt等效，这两部分接地电缆的电阻阻值之和Rjt为1.794 mΩ，电感之和Ljt为2.95 μH，接地碳刷阻值Rt为0.05 Ω，Rg为钢轨等效电阻，单位长度钢轨电阻阻值为r=0.073 4 Ω/m，Li=0.143 μH/m，两端车车厢长度为25.86 m，其他车厢均为24.83 m，将所有车厢均等效为25 m，对应钢轨的电阻阻值为0.001 8 Ω，电感值为3.575 μH。高压电缆线径240 mm，其屏蔽层与车体相连，从3车到6车车顶约100 m，每节车体上高压电缆电阻1.25 mΩ，电感0.008 μH，电容4.25 μF。

2.2 雷击接触网车体过电压仿真分析

虽然动车组3车和6车的车顶均有受电弓，但是正常运行下禁止双弓受流，假设仅3车车顶受电弓处于升弓状态。幅值为20 kA的雷电流击中接触线后，经受电弓侵入动车组，此时避雷器必然动作而呈低阻态，避雷器低压端与车顶电气连接，雷电流首先侵入3车车顶，再通过各车体间的连接线传入其他车体，形成车体过电压。对2～5车车体的过电压进行仿真分析，仿真结果如图5所示。

图5 雷击接触网各车过电压分布情况

由图5可知，3车车体过电压最大，在1.89 μs时达到最大值43.45 kV，过电压迅速上升到峰值以后，将以正负震荡的形式衰减，2、4、5车车体的过电压幅值分别为23.46、19.83、10.01 kV，相比3车稍低，对应时间分别为1.48、1.45、1.89 μs，均在20 μs左右衰减到最大值的一半，并且可以看出车体过电压峰值时间均在8 μs以内，即均在雷电流的上升阶段。由于雷电流直接由3车进入动车组，所以该车的过电压最大，雷电流进入动车组以后，一部分通过3车接地系统入地，另一部分通过车体之间的连接线传至相邻车体后，再通过其车下接地系统入地，在此过程中，不断分流，故距离3车车体越远的车体过电压越低。

3 接地系统对雷击接触网车体过电压的影响及抑制措施

3.1 接地电阻器对车体过电压的影响

各车体电压的抬升，是由于车顶到钢轨之间电阻和电感共同作用的，车体部分的感抗和阻抗相对接地系统中接地电阻器的电阻和寄生电感较小，车体结构和材料不易改进。接地电阻器中电阻值、电感值分别改变时对过电压的影响如图6所示，3车过电压幅值对应图6的左Y轴，其他车对应右Y轴。

(a)寄生电感值

(b)电阻值图6 接地电阻器对过电压的影响

由图6可知，电阻对车体过电压影响基本可以忽略，但是电感的影响较大。由图6(a)可知各车体过电压幅值随接地电阻器中电感增大而增加，基本呈现一次函数关系，对比图6(a)各车体过电压的斜率可知，接地电阻器中电感值对3车车体过电压的影响最大，离3车越远，电感的影响就越小。这是由于雷电流沿动车组传播时会不断由各车体接地系统分流，而距离3车越远的车体，电流会越小，由ΔU=ωIΔL可知，从车体流过的电流越小，ΔU也越小，因此影响越小。

3.2 车体过电压抑制措施

3.2.1 直接接地方式

接地系统中接地电阻器的存在的确抬升了车体过电压，且越远离3车，接地电阻器对其过电压的影响越小，可只对2～5车接地系统进行优化，考虑2～5车采用直接接地方式进行仿真分析。仿真结果如图7所示。

图7 直接接地方式下过电压情况

如图7所示，2～5车改为直接接地方式以后，能够有效抑制其过电压。2～5车各车车体过电压幅值分别为2.38、16.1、2.56、1.77 kV，对比图4，各车体过电压最大值分别下降了79.81%、79.9%、78%、53%。采用直接接地方式能够在一定程度上降低车体过电压，但是采用直接接地方式可能会带来车体回流增大的新问题，引发一定的电磁干扰，因此采用直接接地方式具有局限性。

3.2.2 接地电阻器并联电容的方式

由于雷电流一般为高频信号，而电容有通高阻低的作用，所以探讨仅将2～5车的接地电阻器并联一个电容的方式来抑制车体过电压，如图8所示。

图8 2～5车采用电阻器并联电容器接地方式

可以看出，随着电容的变化，车体过电压幅值不同，并联电容值分别取0.01、0.1、1、5、10、15、20、30、50、100 μF时，仿真分析2～5车车体过电压。各车体过电压最大值随并联电容值大小的变化如图9所示，3车过电压幅值对应左Y轴，其他车对应右Y轴。

图9 并联不同电容值下过电压幅值

从图9可以看出，各车体过电压幅值先随着并联电容的增大而减小，而当容值大于C0时，该车接地系统中的电阻器相当于被短路，雷电流直接通过电容、接地电缆到接地碳刷，该车车体过电压幅值趋于稳定，对于3车，C0为5 μF，其他车C0约为10～15 μF。由于在相同额定功率下电容器容值越大，电容体积也越大，而列车车底转向架空间非常有限，因此电容器容值也不宜选择过大，综合考虑，电容值均取10 μF。当并联电容值为10 μF时，2～5车车体过电压的波形如图10所示。从图10可以看出，并联10 μF的电容时，2～5车过电压分别为2.42、16.1、2.61、1.79 kV，对应时间分别为19.5、1.17、9.89、3.5 μs，对比图6，除3车以外，其他车体电压略高，但不超过2%。因此当并联电容值大于10 μF时，电阻器并联电容接地方式和直接接地方式对各车体过电压幅值的抑制作用基本一致，但过电压最大峰值时间延后，波形的增长和衰减有所减缓，使各车体承受过电压的时间变长。原因是电容有滤波作用，当雷电流侵入车体时，大幅度抬升车体电位，电容充电，当雷电流衰减时，车体过电压下降，电容释放所储能量。

图10 并联10 μF电容时车体过电压

3.2.3 减少接地电缆长度

虽然将2～5车车体接地系统改为电阻器并联电容接地方式均能有效抑制车体过电压，但是根据TB/T 3021—2001《铁道机车车辆电子装置》中相关规定，车载电子设备所能承受最大浪涌电压为2 kV，而该方式并不能将所有车体过电压均抑制在2 kV以内，故在电阻器并联电容接地方式的基础上，应对如何进一步抑制车体过电压的方法进行探究。

接地系统中除了接地电阻器中的电阻、电感抬升车体电位以外，还有将车体、接地电阻器和接地碳刷之间的的连接线，即接地电缆。该电缆由两部分串联而成，分别是车体中部到车体两端，再从端部到碳刷，不难发现，该接地电缆电阻、电感较大，在高频雷电波作用下，对雷电流的泄放有抑制作用，可以考虑直接从动车组各车体两端端部直接通过1 m长的接地电缆连接接地碳刷。车体端部连接到接地碳刷这部分电缆电阻阻值为0.21 mΩ，电感为0.19 mH。仿真分析2～5车车体电压，结果如图11所示。

图11 各车体过电压分布情况

图11中，2～5车车体过电压幅值分别为0.219、1.92、0.238、0.115 kV，均低于2 kV，满足要求。对比图11发现，在2～5车采用电阻器并联电容接地方式的基础上，再减小各车接地电缆长度后，2～5车车体过电压得到有效抑制，分别降为原来的0.93%、4.23%、1.2%、1.15%。但各车体过电压波形震荡加快，由式( 4 )、式( 5 )可知，振荡频率f与该回路的电容和电感有关，接地电缆变短，该回路的电感减小，ω增大，故震荡频率增大。通过减少接地电缆长度的方法可以有效抑制车体过电压。

f=ω/2π

( 4 )

( 5 )

4 结论

本文建立动车组处于正常运行状态，当接触网遭受8/20 μs、20 kA雷电流时车体过电压仿真模型，并分析接地电阻器对车体过电压的影响。基于其影响，仅将2～5车的接地系统分别改为直接接地方式和电阻器并联电容方式抑制车体过电压，并在后者基础上通过减少接地电缆长度进一步降低车体过电压幅值，得到以下结论：

(1)接触网遭受雷击时，各车体产生过电压，3车车体过电压最高，可达43.45 kV，距离3车越远的车体，其过电压越小，原因是距离3车越远，分流过程中所剩的电流越小，车体过电压就越小。

(2)接地系统中的电阻对车体过电压的影响可以忽略，但电感对其影响较大。各车体过电压受影响的大小随该车体与3车距离的增大而减小。

(3)将2～5车接地方式改为直接接地方式或电阻器并联电容的方式均能有效抑制车体过电压，当并联电容大于10 μF时，二者对过电压幅值的抑制程度基本一致，但是相比于直接接地方式，采用电阻器并联电容时，各车体过电压最大值出现的时间明显滞后，过电压的增长和衰减较慢。

(4)在将接地方式改为电阻器并联一个电容方式的基础上，再将接地电缆长度减小到1 m时，各车体过电压均能降到2 kV以内，但是过电压波形震荡加快。

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