磁浮列车雷击车体过电压特性及抑制方法研究

李克雷

磁浮列车雷击车体过电压特性及抑制方法研究

李克雷

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

磁浮列车高速运行时与轨道没有直接接触，并且车体上方没有类似接触网一类的防雷设施。当列车在高架空旷地带行驶时，容易遭受雷电的直接侵袭，并在车体上产生雷击过电压，影响列车运行安全，因此有必要研究雷击磁浮列车引起的车体过电压特性及其抑制方法。基于磁浮列车接地系统结构，建立雷击磁浮引起车体过电压的集总参数电路仿真模型，分析得到车体过电压大小与分布规律：雷击磁浮列车引起的车体过电压瞬态峰值达到31.5 kV，距离雷击点越远车厢的过电压峰值呈降低趋势，但尾车过电压峰值出现抬升；通过改进导向电磁铁的结构使其与轨道之间存在尖端效应，能够显著降低车体对地电压。

磁浮列车；雷击；车体过电压；尖端效应

随着我国轨道交通行业的快速发展，人们对铁路客运运输的安全性、舒适性和运行速度提出了更高的要求。我国高速磁浮列车系统经过多年的发展，技术日趋成熟，建设高速磁浮列车干线是未来轨道交通的一个重要趋势。因此高速磁浮列车的运营安全性得到了广泛关注。磁浮列车属于复杂电子电力系统，其牵引系统由车体下方的导向电磁铁、悬浮电磁铁和轨道下方的直线电机组成，车体上方没有类似动车组系统的接触网[1]，高速运行时与轨道没有任何接触。当磁浮列车行驶于高架空旷地带时容易遭受雷击的直接侵害，对车载设备和人员带来潜在的危害，严重影响列车的安全运行。近年来，国内外学者对动车组列车雷击接触网过电压的产生机理和抑制措施开展了大量研究[2−5]。然而由于我国高速磁浮列车的防雷特性研究起步较晚，并且磁浮列车的牵引供电机理和接地系统结构与动车组存在较大差异，因此对于磁浮列车雷击车体过电压的特性研究以及过电压的抑制措施鲜有系统报道。Ametani等[6]采用集总电路的方法讨论了日本磁悬浮列车线圈系统在保护线圈系统免受雷击的架空地线上产生的瞬态感应电压。WU等[7]基于磁浮列车接地系统结构分析了雷击电流的泄流路径，提出了一种磁浮列车接地系统的建模方法。上述研究均没有深入研究车体遭受直击雷时车体过电压的特性。车载设备均以车体作为“公共地”，车体过电压引起的车体电位浮动会危害车内电气设备的安全。因此有必要对雷击车体过电压的特性展开系统研究。本文基于磁浮列车接地系统结构建立了整车雷击车体过电压仿真模型，分析了雷击车体过电压峰值和分布特性，并提出改进导向电磁铁结构的方式降低雷击车体过电压。

1 高速磁浮列车雷击接地系统

图1所示为磁浮列车车体横截面结构，磁浮列车分为车体和轨道两部分，车体部分由承载设备和旅客的车厢以及支撑车厢的悬浮架组成。悬浮架安装滑橇、导向电磁铁、制动电磁铁和悬浮电磁铁。轨道分为上方的滑行轨和两侧的导向轨，轨道下方安装有长定子铁芯和线圈[8]。磁浮列车供电系统中的整流和变流设备均安装在轨道，变电站通过给长定子线圈供电提供磁浮列车运行所需的电能。

磁浮列车遭受直击雷时，雷电流直接通过车体流向悬浮架上的电磁铁，并在电磁铁和轨道之间的气隙形成很高的电压差，当这个电压达到气隙的击穿阈值时，就会形成等离子体通道从而将雷电流泄入大地[7]。在磁浮列车高速运行时，滑橇与滑行轨之间的距离为17 mm，导向电磁铁和制动电磁铁分别与导向轨间距10 mm和20 mm，故导向电磁铁与轨道之间的气隙是雷电流泄入大地的主要通道。图2表示了磁浮列车遭受直击雷时，车体、悬浮架、电磁铁与轨道之间的气隙和轨道组成的雷击泄流通道。

图1 磁浮列车结构示意图

图2 磁浮列车雷击泄流通道

2 雷击车体过电压分析

2.1 雷击车体过电压建模

磁浮列车牵引供电系统均安装于轨道下方，因此车体上方没有受电弓和接触网。当雷击直接击中车体上方后，雷电流将直接通过车厢的金属结构流向车厢下方的悬浮架，并在导向电磁铁和轨道之间的气隙间瞬间形成巨大的电压差，当气隙间的电压足够击穿空气时，雷电流将通过被击穿的气隙流入大地。由于各车通过连接线相连，雷电流可在各车体间传播，此时各车体均产生对地的电压抬升。利用电子电力仿真软件Simulink建立雷击车体过电压仿真电路，如图3所示。

关于雷电流的工程应用通常采用电流峰值，波前时间1和半波时间2来描述。1表示雷电流从峰值的10%上升到90%所需的时间，2表示由峰值的10%上升到峰值后又下降到50%所需的时间，通常记为1/2。根据IEC62305给出的用于分析目的的雷击电流波形如图4所示，其数学模型如下：

其中：Im为电流峰值；k为峰值电流的修正系数；τ为时间变量；τ1和τ2分别为波前和半波时间常数。

图4 雷电流波形

常用的雷电参数有8/20ms和10/350ms，其中10/350ms描述了首次闪击波形，用于电源的第一级保护。由于磁浮列车车体遭受直击雷影响，故仿真模型的雷电流参数选取10/350ms更有利于分析雷电首次闪击下的车体过电压。雷电流幅值常见的为5~20 kA[9−10]，为充分考虑磁浮列车雷击防护设计的安全阈值，本文针对雷击车体过电压的仿真模型考虑了最高20 kA的雷击电流峰值，使用的雷击电流参数如表1所示。雷电流波阻抗0取为300W。

表1 仿真电流波形参数

为简化分析，将各车车体长度取中间车体长度即24.7 m，利用有限元法计算单节车体的横向阻抗，横向电阻R为0.8 mW，横向电感L为12.7mH，各节车体通过车底的导线进行连接，导线阻抗可通过测试得到，连接电阻R为0.1 mW。雷电流从车顶流向车底时的纵向电阻R为0.47 mW，纵向电感L为1.49mH。车厢和悬浮架之间由电缆进行连接，接地电缆为单芯圆形导体，并且接地电缆在车体上分布较远，因此接地线模型仅考虑趋肤效应而忽略临近效应，其阻抗由解析式(2)和式(3)计算，R为0.26 mW，L为1.17mH。

其中：为铜芯半径；0为真空磁导率；为材料相对磁导率；为材料电阻率；为电缆长度。

导向电磁铁和轨道之间的气隙可等效为大电容，其容值由极板电容公式得到。磁浮列车车体中部有一块制动电磁铁，其余两侧均为导向电磁铁，因此极板长度取车体长度的一半，计算得到气隙电容s为0.518 nF。采用电压控制型电路模拟气隙的击穿特性，将压控开关并联于气隙电容两端，当气隙电容电压达到空气击穿阈值时，气隙的阻抗特性将变为放电小电阻，空气击穿阈值取为3 kV/mm。

考虑到车体之间存在连接结构，故每节车体对应的轨道长度均取25 m，将与导向电磁铁正对的导向轨道等效为长直导体，其宽度和厚度均取导向电磁铁尺寸。利用长直导体阻抗计算式(4)和式(5)得到轨道电阻R为0.55W，L为2.58mH。

其中：0为真空磁导率；为相对磁导率；为材料电阻率；为等效导体长度；为等效导体宽度；为等效导体厚度。

2.2 雷击车体过电压仿真分析

磁浮列车编组为8节，每节车体的导向电磁铁均与轨道形成气隙，这些气隙在列车遭受直击雷时均有可能被击穿而形成泄流通道。雷电流击中车体后，经车体阻抗流入车底悬浮架系统，然后击穿悬浮气隙泄入大地，同时有一部分雷电流通过各车体的连接装置侵入其他车体，形成了各车体的雷击过电压。由于磁浮列车的头车、中部车厢和尾车均可能遭受直接雷击，因此本文选取1车前端、4车前端和7车前端作为车体遭受直击雷的典型情况进行仿真分析，仿真得到的各车体雷击过电压峰值如图5所示。

图5 磁浮列车各车体雷击过电压峰值分布

由图5可知，遭受直击雷的车体具有最大的雷击过电压峰值。在1车前端受雷时，雷电流在1车导向电磁铁和轨道间的气隙积聚，形成了瞬态的电压峰值，该峰值达到31.5 kV。当气隙两端电压达到空气击穿阈值后，1车体和轨道间的气隙被击穿从而泄放雷电流，此时1车体的电压迅速衰减。由于1车体的泄流通道将雷电流引入大地，因此2车体的雷击过电压峰值显著降低，但后续车体与轨道间的气隙均未被击穿，传入后续车体的雷电流无法就近接地，导致了后续车体的过电压抬升，故2车之后的各车体雷击过电压峰值具有逐渐上升的趋势。此时各车体的雷击过电压波形如图6所示，可以看出，具有泄流通道的1车体的雷击过电压在达到峰值后迅速衰减，其余没有泄流通道的车体的雷击过电压具有较高幅值的震荡特性。

同样，在4车前端受雷时，4车具有最大的雷击过电压峰值29.4 kV，4车的相邻的3号和5号车体的雷击过电压峰值也显著降低，越往两端的车体的雷击过电压逐渐上升，头车和尾车的雷击过电压峰值具有相近的量值，1车和8车雷击过电压分别为28.6 kV和28.2 kV。当7车前端受雷时，各车体的雷击过电压分布具有和前述2种情况相同的分布特性，7车雷击过电压峰值达到29.7 kV，两端车体的雷击过电压峰值显著降低后逐渐上升，头车和尾车的雷击过电压峰值近似相等。

图6 1车前端受雷时各车体雷击过电压波形

3 雷击车体过电压的影响因素及抑制措施

3.1 雷电流峰值对车体过电压的影响

雷电属于随机的自然现象，实际情况的雷击事件往往具有不同峰值的雷电流。由于磁浮列车需要依靠击穿车体和轨道之间的气隙才能实现对雷电流的泄流，因此不同峰值的雷电流击中磁浮列车时，各车体的雷击过电压分布需要考虑。图7和图8分别为1车前端和4车前端遭受不同峰值的直击雷下，磁浮列车遭受直击雷时各车体雷击过电压峰值的分布情况。

图7 1车受不同雷电流时各车体雷击过电压峰值

图8 4车受不同雷电流时各车体雷击过电压峰值

从图中可以看出，不同峰值的雷电流对各车体雷击过电压峰值的最大值影响不大，这是因为车体和轨道间的气隙的击穿阈值不受雷电流峰值影响，因此峰值较低的雷电流无法降低磁浮列车的雷击过电压最大值，但其他车体的雷击过电压峰值均有少量衰减。

3.2 接地系统阻抗对车体过电压的影响

雷电流在磁浮列车系统中的流通路径包括车体阻抗、接地系统阻抗和轨道，其中车体阻抗和轨道由于结构设计、材料选型等原因不易于改进。接地系统阻抗分为接地线阻抗和气隙阻抗，接地线电感值对各车体雷击过电压峰值的影响如图9所示，气隙的容值可通过改进导向电磁铁的尺寸实现，不同的气隙容值对各车体雷击过电压峰值的影响如图10所示。图9和图10中，1车体的雷击过电压峰值为左轴，2，3和8车体对应为右轴。

图9 接地线电感对各车体雷击过电压的影响

图10 气隙电容对各车体雷击过电压的影响

接地线电阻值对车体的雷击过电压几乎没有影响，而由图9可知，接地线电感增大会引起车体的雷击过电压峰值上升，近似为一次函数的关系。电感两端的电压=(d/d)·，因此电感增大会导致车体电压上升，在电感值增大1mH时，车体雷击过电压峰值平均上升1.88 kV。由图10可知，气隙电容增大时，遭受直击雷的1车的雷击过电压峰值随之增大，而其他车体随之减小。

3.3 雷击车体过电压抑制措施

在不改变列车导向电磁铁和轨道的尺寸结构基础上，可以在导向电磁铁局部位置增加一种埋入式的尖端结构，这种结构呈锥形，分布在导向电磁铁上，其结构示意图如图12所示。在列车遭受雷击时，尖端结构可以改变气隙的电场环境，降低气隙的击穿阈值[11−12]。

磁浮列车遭受20 kA雷击电流时，不同气隙击穿阈值对车体雷击过电压的影响如图13所示。

图12 埋入式尖端结构示意图

图13 不同的气隙击穿阈值对车体雷击过电压的影响

较低的气隙击穿阈值能够有效降低车体的雷击过电压。当气隙击穿阈值减小至30%时，车体雷击过电压的最大值为12.69 kV，相比原有的最大值降低59.71%。这种方法能够用较细微的结构变化减小雷电流的路径阻抗，从而显著地抑制磁浮列车的雷击过电压。这种局部位置的尖端结构不会改变导向电磁铁的表面尺寸和与轨道的间距，对列车运行状况影响较小，如何设计埋入式尖端结构的直径大小和埋入位置则需要更进一步的研究。

4 结论

1) 磁浮列车车体遭受直击雷，受雷位置的车厢具有最高的雷击过电压峰值，达到31.5 kV；后续车厢的雷击过电压峰值逐渐降低，但尾车的雷击过电压峰值出现抬升。这是由于尾车车体没有形成泄流通道，导致电流反射叠加形成了电压抬升。

2) 接地线电感和气隙阻抗影响了车体的雷击过电压峰值，较小的接地线电感和气隙阻抗可以降低车体雷击过电压。

3) 改进导向电磁铁使得气隙存在尖端效应进而降低气隙的击穿阈值，能够在不改变尺寸的前提下有效抑制车体的雷击过电压。雷击过电压峰值的抑制幅度接近60%。

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Research on overvoltage characteristics of maglev train and suppression method

LI Kelei

(CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China)

Maglev train has no direct contact with the rail during high-speed operation, and there is no lightning protection facility like catenary above the train. When maglev train is running in the open area, it is easy to suffer from the direct lightning and generate lightning overvoltage on the train, which threatens the operation safety of the passengers. Therefore, a study on the characteristics of the overvoltage and the suppression methods is necessary. Based on the grounding system of the train, a lumped parameter circuit simulation model was established. And this paper analyzed the value and distribution of the overvoltage. The transient peak value of the overvoltage caused by the lightning stroke reached 31.5 kV. The peak value of the overvoltage was reduced in the carriages farther away from the lightning point, but it was lifting in the rear carriages. The overvoltage can be significantly reduced by improving the structure to make a tip effect between the guidance electromagnet and the rail.

maglev train; lightning strike; overvoltage; tip effect

U223.6+

A

1672 − 7029(2020)09 − 2191 − 07

10.19713/j.cnki.43−1423/u. T20191084

2019−12−04

国家重点研发计划课题资助项目(2016YFB1200602)

李克雷(1979−)，男，黑龙江桦川人，高级工程师，从事电气系统集成方向的研究；E−mail：yzypkpk@163.com

(编辑 涂鹏)