曹保江,宋勇葆,魏文賦,高國(guó)強(qiáng),吳廣寧

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,成都 610031)

接觸網(wǎng)是高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分,其所鋪設(shè)的地方多包含山區(qū)、丘陵等地區(qū),長(zhǎng)大隧道和高架橋占全線比重大,接觸網(wǎng)遭受雷擊的概率較高[1-3]。以京廣高速鐵路廣東段接觸網(wǎng)跳閘數(shù)據(jù)為例,從2009年至2013年4年間,共發(fā)生361件跳閘事件,發(fā)生絕緣子閃絡(luò)或破損事件共140件。國(guó)內(nèi)外對(duì)接觸網(wǎng)雷擊過電壓的防護(hù)措施不盡相同,日本將高速鐵路劃分為A、B和C三個(gè)等級(jí),對(duì)個(gè)別等級(jí)線路采取全線架設(shè)避雷線的防護(hù)措施。德國(guó)采用避雷器來限制接觸網(wǎng)雷擊過電壓。國(guó)內(nèi)學(xué)者提出將架空地線(PW線)抬高至饋線(F線)以上兼做避雷線以及在F線絕緣子安裝帶串聯(lián)間隙避雷器的方法。通過對(duì)比分析升高保護(hù)線或回流線以及單獨(dú)架設(shè)避雷線均能提高接觸網(wǎng)耐雷水平,在落雷密度大且雷害事故嚴(yán)重的地區(qū)采取單獨(dú)架設(shè)避雷線的方式效果更好[4]。我國(guó)京廣、京津、京滬高速鐵路在雷害多發(fā)地區(qū)正線錨段關(guān)節(jié)處、電分相關(guān)節(jié)處、長(zhǎng)度2 000 m及以上隧道等重點(diǎn)位置設(shè)置帶脫離器的氧化鋅避雷器。研究表明,接觸網(wǎng)遭受直擊雷,并造成雷擊跳閘占總跳閘事件的95%～98%,絕緣子閃絡(luò)、接觸網(wǎng)跳閘的主要原因?yàn)橹睋衾?因此高速鐵路接觸網(wǎng)的防雷應(yīng)主要考慮防護(hù)直擊雷,而不是感應(yīng)雷[5]。當(dāng)接觸網(wǎng)遭受雷擊時(shí),雷擊點(diǎn)臨近支柱絕緣子先閃絡(luò)放電,雷電流通過支撐絕緣子泄放到大地中,形成的雷電沖擊過電壓沿接觸網(wǎng)傳播到動(dòng)車組高壓系統(tǒng)[9]。

高速動(dòng)車組通過在車頂高壓系統(tǒng)中安裝氧化鋅避雷器來防護(hù)雷電過電壓侵入動(dòng)車組高壓系統(tǒng)對(duì)電氣設(shè)備造成的威脅。目前針對(duì)牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)耐雷水平及防雷措施的研究較多[6-8],現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)程主要根據(jù)絕緣配合的確定性法,通過將車載避雷器的保護(hù)水平乘以一定的配合系數(shù)來選擇動(dòng)車組高壓系統(tǒng)被保護(hù)設(shè)備上的絕緣水平[9-10],缺少將接觸網(wǎng)和動(dòng)車組作為整體綜合考慮傳播至動(dòng)車組高壓系統(tǒng)的實(shí)際雷電沖擊電壓特性。另一方面,在確定動(dòng)車組設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平時(shí),準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高壓系統(tǒng)雷電過電壓水平,對(duì)于合理選擇高壓設(shè)備絕緣配合關(guān)系至關(guān)重要[11]。

針對(duì)上述問題,本文根據(jù)牽引網(wǎng)和動(dòng)車組主要結(jié)構(gòu)參數(shù)建立仿真模型,計(jì)算雷擊T線(承力索/接觸線)和F線不同位置時(shí)傳播至動(dòng)車組受電弓位置的雷電波波形特征,以及車載變壓器雷電過電壓波形特征及幅值范圍。

1 模型建立

1.1 牽引供電系統(tǒng)模型

牽引網(wǎng)是由饋線、接觸線、承力索、鋼軌、回流線、變電所等組成的牽引供電回路。牽引網(wǎng)的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示,本文采用頻變參數(shù)模型作為懸掛導(dǎo)線的模型。為防止在所研究的時(shí)間范圍內(nèi),傳到兩側(cè)線路末端的反射波沿線路返回后對(duì)雷擊點(diǎn)處過電壓的影響,在線路末端分別連接一條長(zhǎng)的、與所研究線路具有相同特性的線路。由于接觸網(wǎng)支柱高度一般低于30 m,仿真采用集中電感模型來模擬支柱模型,該模型將支柱作為集中參數(shù)電感和接地電阻相串聯(lián)[12]。

圖1 牽引網(wǎng)懸掛系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)(單位：m)

1.2 絕緣子閃絡(luò)模型

絕緣子閃絡(luò)過程的準(zhǔn)確模擬無論是對(duì)反擊還是繞擊侵入波的計(jì)算都非常重要。本文采用電壓控制開關(guān)的方法來模擬絕緣子的閃絡(luò)過程,采用將絕緣子沖擊放電的50%(記為U50%)與絕緣子伏-秒特性模型相結(jié)合的方式作為絕緣子的閃絡(luò)判據(jù),當(dāng)絕緣子兩端電壓與其伏-秒特性曲線相交或兩者不相交但是超過U50%時(shí)開關(guān)導(dǎo)通,絕緣子發(fā)生閃絡(luò)放電[13]。在標(biāo)準(zhǔn)雷電波下絕緣子伏-秒特性為

(1)

式中：Vs-t為閃絡(luò)電壓,kV；L為絕緣子長(zhǎng)度,m；t為從雷擊開始到閃絡(luò)所經(jīng)歷的時(shí)間,μs。

U50%采用文獻(xiàn) [10]中絕緣子雷電沖擊放電試驗(yàn)獲得的參數(shù),見表1?？紤]到大多數(shù)雷電為負(fù)極性,仿真中采用460 kV和315 kV分別作為T線和F線U50%判斷值。

表1 接觸網(wǎng)絕緣子雷電沖擊50%放電電壓 kV

1.3 車載氧化鋅避雷器模型

避雷器模型主要在于模擬其非線性的伏-安特性曲線,僅用一個(gè)非線性元件不能完全模擬避雷器的動(dòng)作過程[14]。文中采用IEEE工作組3.4.11提出的模型[15-17],見圖2。已知?jiǎng)榆嚱M氧化鋅避雷器的標(biāo)稱放電電流為10 kA,動(dòng)作電壓為60.5 kV,標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊殘壓最大值為94 kV。

圖2 避雷器模型

非線性電阻A0和A1可根據(jù)避雷器標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊試驗(yàn)確定,其他參數(shù)均取決于該避雷器的幾何尺寸,計(jì)算公式為

(2)

式中：d為避雷器元件的全長(zhǎng)，m；n為并聯(lián)柱數(shù)。計(jì)算可得L0=6.0 μH,C=250 pF,R0=40 Ω,L1=6.0 μH,R1=26 Ω。

1.4 沖擊電暈?zāi)Ｐ?/h3>

導(dǎo)線上雷擊過電壓大于導(dǎo)線的起暈電壓時(shí),在導(dǎo)線周圍就會(huì)產(chǎn)生沖擊電暈,電暈的產(chǎn)生引起導(dǎo)線對(duì)地電容和電導(dǎo)的增大。圖3 為沖擊電暈?zāi)Ｐ蚚18-19],K閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊電暈采用動(dòng)態(tài)電導(dǎo)Gc和動(dòng)態(tài)電容Cc來擬合沖擊電暈的伏-庫(kù)特性[20-21],動(dòng)態(tài)電導(dǎo)用以表征沖擊電暈引起的能量損耗,動(dòng)態(tài)電容表征起暈后伏庫(kù)特性曲線上升段非線性特點(diǎn),兩者均隨導(dǎo)線電壓變化。

圖3 沖擊電暈?zāi)Ｐ?/p>

(3)

式中：C0為導(dǎo)線的幾何電容；U和U0分別為導(dǎo)線電壓和起暈電壓；r和h分別為導(dǎo)線半徑和對(duì)地高度；δG為電暈損耗常數(shù)。經(jīng)計(jì)算,饋線的幾何電容為6.827 pF/m,接觸線和承力索的幾何電容為14.252 pF/m。

2 牽引網(wǎng)-動(dòng)車組仿真模型

現(xiàn)行規(guī)程中推薦的交流線路耐雷水平計(jì)算方法不考慮工作電壓的影響,而且接觸網(wǎng)電壓等級(jí)較低,因此在模型中忽略接觸網(wǎng)電壓的作用。文中雷電流采用波形為2.6/50 μs的雙指數(shù)波,對(duì)于雷電流的波過程,在大電流30～200 kA范圍內(nèi)波阻抗比較穩(wěn)定,為600～300 Ω,取仿真中雷電通道波阻抗ZR=300 Ω,土壤電阻率為100 Ω·m。

由于雷電流為μs級(jí)別,等值頻率約為1 MHz,此時(shí)變壓器繞組為高阻性,雜散電容為低阻性,雷電壓以電容分壓的形式傳遞,變壓器可用入口電容來等值[22]。仿真計(jì)算中,車載牽引變壓器的入口電容設(shè)為500 pF,電壓互感器的雜散電容設(shè)為100 pF[23]。

動(dòng)車組主電路如圖4所示,圖中1號(hào)車(TC01)和8號(hào)車(TC08)為拖車,2號(hào)車(M02)和4號(hào)車(MH04)、5號(hào)車(MB05)和7號(hào)車(MB07)為動(dòng)車,3號(hào)車(TP03)和6號(hào)車(TP06)為受電弓所在車。受電弓設(shè)在3號(hào)和6號(hào)車車頂,受電弓與車頂高壓箱內(nèi)設(shè)備通過高壓電纜連接,斷路器放置在車頂?shù)母邏涸O(shè)備箱內(nèi),車載變壓器位于3號(hào)和6號(hào)車車底。受電弓端及斷路器輸出端分別設(shè)置一個(gè)避雷器。車頂高壓電纜總長(zhǎng)103 m,分布在3號(hào)車到6號(hào)車的4輛車車頂,電纜跨越車輛時(shí),采用電纜終端連接,每段高壓電纜的屏蔽層采用單端接地,變壓器一次側(cè)和主斷路器也通過高壓電纜連接。

仿真電路圖及模型參數(shù)數(shù)值如圖5和表2所示,模型中Rj為車體連接線電阻；Rd和Ld分別為接地電阻器電阻及其寄生電感；Rt為接地碳刷電阻；Rr和Lr為每節(jié)車體對(duì)應(yīng)鋼軌的電阻和電感值,單位長(zhǎng)度鋼軌電阻R=0.073 4 Ω/m,電感L=0.143 μH/m,已知首車車廂長(zhǎng)度為25.86 m,其他車廂為24.83 m,將所有車廂均近似為25 m。

圖5 雷擊接觸網(wǎng)時(shí)動(dòng)車組過電壓仿真模型

表2 仿真模型參數(shù)值

3 雷擊T線(承力索/接觸線)

由于接觸線和承力索在每個(gè)跨距內(nèi)都通過若干條吊弦相連接,在牽引網(wǎng)建模過程中,將承力索和接觸線合并為二分裂導(dǎo)線。模型中考慮雷擊T線絕緣子附近導(dǎo)線。圖6為雷擊接觸網(wǎng)不同位置示意圖,仿真過程中將不同幅值雷電流分別加載在和動(dòng)車組不同距離的支柱附近,觀察傳播至動(dòng)車組受電弓處的雷電流和變壓器雷電過電壓波形特征。

根據(jù)文獻(xiàn)[24-25]推薦的雷電流幅值分布概率公式及觀測(cè)數(shù)據(jù),表3為幅值分別為60、80、100 kA雷電流雷擊T線不同位置,經(jīng)接觸網(wǎng)傳播至動(dòng)車組受電弓位置的雷電流幅值大小。雷擊T線后,由于雷電流較大,靠近雷擊點(diǎn)的絕緣子發(fā)生閃絡(luò),大部分雷電流經(jīng)由支柱流入大地,引起支柱電位的大幅度升高,并且由于支柱等值電感及接地電阻對(duì)雷電波的折、反射作用,支柱上的雷電過電壓波形發(fā)生了振蕩,振蕩電壓波作用在下一級(jí)T線絕緣子上,引起絕緣子的閃絡(luò)放電。從表中可得,隨著雷擊點(diǎn)與動(dòng)車組距離的增加,流經(jīng)受電弓的雷電流幅值逐漸減小,在經(jīng)過2～3級(jí)支柱后,傳播至動(dòng)車組受電弓處的雷電流幅值已經(jīng)減小至10 kA以下,大約70%的雷電流在經(jīng)過第一級(jí)支柱時(shí)流入大地。

圖6 雷擊接觸網(wǎng)位置示意圖(單位：m)

表3 流經(jīng)支柱的雷電流幅值 kA

近年來對(duì)變電站實(shí)際雷電侵入波的研究已經(jīng)引起了關(guān)注,某變電站實(shí)測(cè)雷電侵入波具有50%統(tǒng)計(jì)概率的波前時(shí)間和波尾時(shí)間分別為20μs和198 μs,與目前用于測(cè)試變壓器絕緣水平和試驗(yàn)研究的1.2/50 μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波形區(qū)別較大[26-27]。研究結(jié)果表明,變壓器油紙絕緣在實(shí)測(cè)雷電波和標(biāo)準(zhǔn)雷電波下的擊穿特性存在明顯差異,變壓器絕緣配合方式還需考慮實(shí)測(cè)雷電數(shù)據(jù)[26]。為說明雷擊接觸網(wǎng)時(shí)傳播至動(dòng)車組高壓系統(tǒng)的雷電侵入波特征,圖7給出雷電流幅值為60 kA,雷擊點(diǎn)與動(dòng)車組不同距離時(shí),流經(jīng)受電弓的雷電流波形?？梢妱?dòng)車組雷電侵入波與標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形相比發(fā)生了衰減變形,其波前時(shí)間在10～20 μs,波尾時(shí)間在30～50 μs,這與雷電波在線路的傳輸過程、導(dǎo)線沖擊電暈及避雷器等因素的影響有關(guān)。隨著雷擊點(diǎn)距離的增加,雷電流在傳播過程中,幅值逐漸降低,波前時(shí)間逐漸增加,波尾時(shí)間逐漸減小。

圖7 雷擊點(diǎn)距離對(duì)受電弓處雷電流波形的影響

雷電沖擊電壓在沿接觸網(wǎng)流向車頂高壓設(shè)備時(shí)會(huì)觸發(fā)避雷器動(dòng)作,避雷器動(dòng)作后,施加在距離避雷器較近的高壓設(shè)備上的電壓就成了避雷器動(dòng)作后的殘壓。由于避雷器一般放置在車頂,其與車底變壓器相距一定的距離,變壓器入口電容和線路電感構(gòu)成的LC回路引起侵入波的波前過程形成振蕩[28],避雷器動(dòng)作過后產(chǎn)生的電壓波在變壓器與避雷器之間發(fā)生多次折反射,變壓器過電壓值比避雷器的殘壓值要大。

圖8為雷電流幅值為60 kA,雷擊點(diǎn)在2#支柱和3#支柱之間時(shí),車載避雷器動(dòng)作后動(dòng)車組避雷器和3號(hào)車及6號(hào)車變壓器一次側(cè)過電壓波形圖?？梢?由于過電壓折反射、避雷器電阻的衰減作用等,變壓器波形相當(dāng)于在避雷器殘壓上疊加一個(gè)衰減的振蕩波,波前時(shí)間達(dá)到4.2 μs,大約在51 μs時(shí)過電壓開始迅速衰減,經(jīng)過50～60 μs減小至穩(wěn)定值。3號(hào)車變壓器一次側(cè)過電壓幅值為121.2 kV,6號(hào)車變壓器一次側(cè)過電壓幅值為118.3 kV,過電壓幅值大約為避雷器標(biāo)稱電流下殘壓值的1.3倍。

圖8 動(dòng)車組避雷器和3號(hào)車及6號(hào)車變壓器一次側(cè)過電壓波形圖

圖9為避雷器標(biāo)稱放電電流下殘壓的比值范圍。考慮到避雷器的正常工作范圍,只給出雷擊2#、3#和4#支柱附近時(shí)的比值大小,可以發(fā)現(xiàn)其值不大于1.34。

圖9 車載變壓器雷電過電壓與避雷器保護(hù)水平比值

4 雷擊F線(饋線)

雷擊F線時(shí),當(dāng)饋線電壓大于起暈電壓時(shí),起暈導(dǎo)線周圍的空間電荷使導(dǎo)線間耦合電容增大,由于導(dǎo)線間的電磁耦合作用,在導(dǎo)線上將出現(xiàn)耦合電壓。電暈引起的耦合電容Cij與電暈引起的導(dǎo)線對(duì)地電容Cc的比值為[29]

(4)

式中:

根據(jù)以上計(jì)算參數(shù),可得接觸網(wǎng)T線及F線電暈特性的非線性電路，見圖10,其中C12為兩線間耦合電容,K閉合時(shí)發(fā)生電暈。

圖10 導(dǎo)線間電暈耦合電容

雷擊F線時(shí),F線絕緣子發(fā)生閃絡(luò),T線絕緣子未發(fā)生閃絡(luò)。仿真過程中將不同幅值雷電流分別加載在饋線靠近支柱的位置,觀察T線上感應(yīng)電壓波形和變壓器雷電過電壓波形特征。圖11為T線上感應(yīng)電壓波形,其主要是由F線上的電位感應(yīng)而來,波尾時(shí)間相較于標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波形有所減小,這主要是由于F線絕緣子閃絡(luò)后,線路上雷電流迅速減小,T線上感應(yīng)電壓隨之迅速衰減。T線上的感應(yīng)電壓形成后,將沿線路傳播至動(dòng)車組,受線路沖擊電暈、電阻、電導(dǎo)等因素的影響,雷電感應(yīng)電壓波形在傳輸過程中發(fā)生衰減變形。分別計(jì)算雷擊F線不同位置時(shí)沿接觸線傳播至受電弓處的電流幅值,如表4所示?？梢园l(fā)現(xiàn),雷擊F線后入侵動(dòng)車組電流幅值在100 kA左右,隨著雷擊點(diǎn)距離的增加,受電弓處電流幅值逐漸減小。

圖11 T線感應(yīng)電壓

表4 流經(jīng)支柱的電流幅值 kA

圖12為雷電流幅值為80 kA,雷擊點(diǎn)在1#支柱附近時(shí),動(dòng)車組避雷器和3號(hào)車及6號(hào)車變壓器一次側(cè)過電壓波形圖?？梢?號(hào)車變壓器一次側(cè)過電壓幅值為79.1 kV,6號(hào)車變壓器一次側(cè)過電壓幅值為77.2 kV。由于避雷器對(duì)過電壓的抑制作用,傳播至動(dòng)車組高壓系統(tǒng)的感應(yīng)雷電過電壓將受到抑制,變壓器過電壓波形近似為平頂波,在波前位置形成振蕩,波前時(shí)間達(dá)到6.3 μs,波尾時(shí)間相較于T線感應(yīng)電壓波尾時(shí)間有所減少,大約在28 μs時(shí),過電壓開始逐漸衰減至穩(wěn)態(tài)值。

圖12 動(dòng)車組避雷器和3號(hào)車及6號(hào)車變壓器一次側(cè)過電壓波形圖

5 結(jié)論

(1)雷擊T線(承力索/接觸線)時(shí),T線絕緣子發(fā)生閃絡(luò)放電,動(dòng)車組雷電侵入波波前時(shí)間在10～20 μs,波尾時(shí)間在30～50 μs。隨著雷擊點(diǎn)和動(dòng)車組距離的增加,雷電波幅值逐漸降低,波前時(shí)間逐漸增加,波尾時(shí)間逐漸減小。

(2)不同幅值雷電流雷擊T線不同位置時(shí),車載變壓器雷電過電壓與避雷器保護(hù)水平的比值不大于1.34。變壓器過電壓波形相當(dāng)于在避雷器殘壓上疊加一個(gè)衰減的振蕩波,波前時(shí)間大于標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波前時(shí)間,波尾時(shí)間小于標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波尾時(shí)間。

(3)雷擊F線時(shí),饋線絕緣子閃絡(luò)放電,線路上雷電流迅速減小,T線感應(yīng)電壓波尾時(shí)間小于標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波尾時(shí)間。受避雷器的工作特性的影響,車載變壓器過電壓波形近似為平頂波,波前位置出現(xiàn)振蕩,波前時(shí)間大于標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波前時(shí)間,波尾時(shí)間相較于T線感應(yīng)電壓波尾時(shí)間有所減少。