雷擊接觸網高速列車車體過電壓分析＊

韓偉鋒，胡學永，肖石，吳廣寧，高國強，劉東來，楊坤松

(1．西南交通大學 電氣工程學院，四川成都610031;2．南車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心，山東青島266111)

近年來，隨著國民經濟的快速發(fā)展，人們對鐵路旅客列車運輸?shù)陌踩?、舒適性和速度提出了更高的要求。高速鐵路應運而生，經過若干年的發(fā)展，我國高速鐵路的技術逐漸成熟，建設高速鐵路將是未來鐵路的發(fā)展趨勢，同時高速鐵路的運營安全性得到人們的日益關注［1］。我國高速鐵路大都架設在空曠的野外和高架橋上，沒有避雷線的防護，并且高速鐵路線路分布地域廣，接觸網遭受雷擊的概率較大。在列車行駛的接觸網段遭受雷擊時，接觸網過電壓將會向車體內傳輸。高速鐵路架設在高架橋上，延長了綜合地線的長度，增加了高速鐵路接地線的電阻和電感，接地電流較大時引起鋼軌電位抬升。列車內的信號監(jiān)測與控制等電氣設備都是以車體作為“信號地”，列車車體過電壓將會危害車內電氣設備的安全，影響列車的安全運行。目前，國內學者致力于研究接觸網過電壓產生因素，對過分相、雷擊等工況時接觸網過電壓產生機理進行了詳盡闡述［2－5］，但是缺乏對于接觸網過電壓對列車車體電壓的影響分析。Hatsukade分析研究了列車在升降弓時車體浪涌過電壓的產生因素，并提出了針對浪涌過電壓的抑制方法［6－7］。但車體浪涌過電壓與雷擊接觸網車體過電壓產生機理不同，車體浪涌電流與雷電流在頻率和幅值上存在一定的差異，浪涌過電壓的抑制方法并不能較好地適用于抑制雷擊接觸網車體過電壓。因此，為確保高速列車的運行安全可靠，有必要對高速列車車體過電壓產生原因進行進一步分析與研究。本文基于高速列車的車體接地方式，分析雷擊接觸網時引起列車車體電位突變的機理，并提出相應的降低車體電位的建議。

1 高速列車主電路分析

1．1 主電路

圖1所示是8編組的高速列車結構圖，2號、3號、6號和7號車體為動車，其余車體為拖車。正常運行時，列車采用單弓受流，另一臺受電弓備用，處于折疊狀態(tài)。列車通過受電弓接受電流后，經過高壓電纜、主斷路器，將電流傳送到2號和6號車廂的主變壓器，經整流逆變過程，傳送至牽引電機，驅動列車前進。2號、3號動車與6號、7號動車組成兩個動力單元，圖2給出6號、7號車組成的動力單元主電路結構圖，左邊為車頂有受電弓車廂底部安裝有主變壓器的6號車體，右邊為7號車體，兩車體之間有跳線進行電氣連接。

圖1 動車組結構圖Fig．1 Structure diagram of EMU

圖2 主電路結構圖Fig．2 Structure diagram of main circuit

1．2 接地系統(tǒng)

列車通過受電弓從接觸網接受的電流供給車載電氣設備使用后經車體接地系統(tǒng)流入鋼軌，并通過綜合貫通地線入地，將電流回流至牽引變電所。為避免車體接地系統(tǒng)中的電流流過軸承，防止軸承電剝蝕，軸承箱與轉向架聯(lián)接處有橡膠絕緣。在正常情況下，車體通過接地碳刷與車軸上的集電環(huán)相連，碳刷裝置與車軸組成車體的接地系統(tǒng)［8～10］。

接地碳刷接觸電阻不穩(wěn)定，碳刷滑動接觸電阻的變化使不同車體接地電阻不相等，造成各動車車體接地電流不相等。接地電阻小的車體其接地電流大，流過該車體碳刷中的電流大，引起碳刷發(fā)熱過快，加速了碳刷的磨損，影響碳刷接觸性能。碳刷接觸性能降低，車體接地系統(tǒng)電阻增加，車內電流可能會通過轉向架與軸承箱處的絕緣橡膠泄漏到軸承箱，通過軸承，造成軸承電腐蝕。為防止接地碳刷的異常磨損、軸承電腐蝕，高速列車車體采用串聯(lián)接地電阻器的接地方式，在車體與電刷之間串聯(lián)等值的電阻器(圖2中的R)。接地電阻器的阻值遠大于碳刷接觸電阻，穩(wěn)定了車體接地電阻，使車體接地電流均勻，防止接地碳刷的異常磨損、軸承電腐蝕。

2 車體過電壓分析

2．1 雷電流流過車體造成的車體電位抬升

2．1．1 建模

高速列車車體通過碳刷與鋼軌相連，每個車體車軸上有4個碳刷，4個碳刷對稱分布在車底，都通過接地電阻器與車體連接。將每個車體車軸上的4個碳刷等效為1個接觸電阻，車體等效為1個阻抗。圖3所示是雷電流注入高速列車的等效電路結構圖，Rc為車體阻抗，Rj為車體接地系統(tǒng)電阻(接地電阻器電阻和碳刷滑動接觸等效電阻之和)，R1和R3為相鄰車體間連線電阻，R2是4和5號車體以及車體間連線阻抗總和，雷電流等效為一個高頻沖擊電流源。

圖3 車體等效電路結構圖Fig．3 Structure diagram of the body equivalent circuit

圖4 車體瞬時電位Fig．4 The instantaneous potential

車載避雷器采用氧化鋅避雷器，動作電壓57kV，雷電流 i(t)在接觸網中引起的雷電壓u=0．5i(t)Z，其中:Z是為接觸網懸掛系統(tǒng)波阻抗，取 Z=230 Ω［11］。由此可知:幾百安培的雷電流就足以使車載避雷器動作，在分析幾十kA雷電流的注入引起車體過電壓過程中忽略雷電流上升沿避雷器未動作的時間間隙，將避雷器等效為短路狀態(tài)。

雷電擊中接觸網導線后，雷電行波在接觸網導線雷擊點處向2個方向傳播，接觸網中雷電流為i0(t)，雷電流在接觸網上產生過電壓，車載避雷器動作，雷電流通過避雷器流入車體。

2．1．2 仿真分析

雷電流采用Heidler函數(shù)模型，解析表達式為

其中:I0為峰值電流;η為峰值電流修正系數(shù);ks=t/τ1，n為電流陡度因子，一般情況下取n=10;τ1和τ2分別為雷電流的波頭時間和波尾時間。

根據圖3所給出的車體等效電路結構圖，利用Matlab/Simulink軟件建立仿真模型，雷電流參數(shù)為2．6 μs/50 μs，峰值為 20 kA，接地電阻器的阻值為0．5 Ω，經現(xiàn)場測量，碳刷接觸電阻等效電阻值取0．01 Ω，車體阻抗為47 mΩ。車體瞬時電位變化如圖4所示，受電弓與避雷器所在6號車體中雷電流分量最大，其車體瞬時電勢峰值也最大，為3．24 kV。2號、3號和7號車體底端瞬時電位幅值分別為 1．87，1．90 和3．20 kV。

2．2 接觸網中的雷電流對車體的感應電勢

2．2．1 理論分析

當雷電流在接觸網上傳播時，接觸網周圍空間電場和磁場發(fā)生突變，列車車體為鋁合金材料，在瞬變的電磁場環(huán)境中，車體內部產生環(huán)流，如圖5所示。另外動車車體通過接地系統(tǒng)與鋼軌相連，相鄰動車車體與鋼軌間通過車體接地系統(tǒng)形成閉合回路，雷電流引起的瞬變電磁場在車體－鋼軌回路中產生大幅值的感應電流，感應電流流過接地系統(tǒng)引起車體電位瞬時抬升，造成車體過電壓。

圖5 車體－鋼軌回路Fig．5 The body－rail loops

雷電流在其周圍產生的電磁場為瞬變磁場，本文依據麥克斯韋方程理論，利用偶極子法［12］分析計算接觸網中的雷電流在周圍空間產生的電磁場。

圖6 向量關系Fig．6 Vector relationship

對線性、時不變、各向同性的均勻媒質中麥克斯韋方程組可表示為

引進定義矢量位A和標量勢φ，根據洛倫茲條件能夠得到:

將式(3)代入式(2)則麥克斯韋方程可轉化為矢勢A和標勢φ的達朗貝爾方程:

其動態(tài)矢量位A的非齊次解為

代入式(3)得:

對式(7)積分求得空間某處的磁場強度:

車體－鋼軌回路所圍區(qū)域包括設備艙、轉向架和設備艙底面與軌面間的空氣，將設備艙和設備艙與軌面間空氣的磁導率簡化為μ0，設備艙面板為鋁合金材料，轉向架假設為均勻剛質材料，不同區(qū)域分界面滿足動態(tài)磁場邊界條件。車體－鋼軌回路中的感應電勢為:

其中:s為回路等效面積，文獻［7］中給出了動車組參數(shù):車體底面板距軌面1 300 mm，設備艙底面板距軌面200 mm，單體車長26．5 m。對單個車體－鋼軌回路其等效電路如圖7所示。ig為回路中的感應電流，Rc，Rj和Rg分別為車體電阻、車體接地電阻和鋼軌電阻，鋼軌電阻取0．2 Ω/km。

圖7 單個車體－鋼軌回路等效電路Fig．7 Equivalent circuit of single body－rail loop

2．2．2 仿真分析

通過對式(9)的積分運算能夠得出車體－鋼軌回路電勢，利用Matlab/Simulink建立車體－鋼軌回路的感應電勢仿真模型，通過仿真得到各動車車體的瞬時感應電勢，如圖8所示。車體與鋼軌之間的瞬時感應電勢集中在雷電流的上升沿，在上升沿中點處達到最大值，在雷電流下降沿其值在零值附近。由式(9)可知:感應電勢與雷電流的變化率有關，在雷電流上升沿中點處，其變化率最大，感應電勢達到峰值，在其下降沿，變化相對比較平緩，感應電勢較弱。6號車體感應電勢峰值最大，為18 kV，其他車體感應電勢峰值分別為 7．8，16．8 和5．7 kV。由圖5可知:b回路的長度是a和c回路長度的3倍，結合式(9)，回路感應電勢與回路區(qū)域面積有關，因此，b回路中的3號和6號車體接地系統(tǒng)兩端感應電勢峰值大于2號和7號車體接地系統(tǒng)兩端的感應電勢峰值。

與雷電流流過車體造成的車體瞬時電勢Ui相比較，接觸網中的雷電流對車體－鋼軌回路引起的車體瞬時感應電勢Ug的幅值要大很多，但是感應電勢信號的脈寬較窄，只有5 μs;車體的瞬時感應電勢Ug的幅值發(fā)生在雷電流的上升沿，瞬時電勢Ui的幅值與雷電流的幅值同步;Ug的幅值主要與雷電流的最大陡度有關，幅值小、陡度大的雷電流的雷擊也會引發(fā)較大的車體感應電勢。

圖8 車體瞬時感應電勢Fig．8 Instantaneous induction potential

3 車體過電壓抑制措施

通過以上闡述，接觸網遭受雷擊時，接觸網中的雷電流會在車體與鋼軌之間產生瞬時過電壓，過電壓包含2個分量:一是接觸網雷電流通過避雷器流入車體產生的過電壓Ui，二是接觸網中的雷電流在車體－鋼軌回路中產生的瞬時感應電勢Ug。根據我國鐵道行業(yè)標準TB/T3021—2001鐵道機車車輛電子裝置標準，列車上的電子裝置要能夠承受最低2 kV的浪涌電壓［13］。當接觸網中雷電流峰值為20 kA時，6號車體瞬時電勢峰值達19．6 kV(Ui和Ug的疊加值)。車體電勢的突變嚴重危害了電氣設備的安全，因此，應采取相應措施以抑制車體瞬時電位過電壓，保證車內電氣設備的安全工作。

3．1 并聯(lián)濾波電容

雷電流為高頻脈沖信號，在一般情況下，雷電流的頻率為幾十甚至幾百kHz。利用電容器“通高頻阻低頻”的特性，在接地電阻器兩端并聯(lián)一定容值的電容器，降低在雷擊工況下車體接地系統(tǒng)的電阻值，而不影響工況下車體接地電阻。雷擊接觸網引起的車體瞬時電壓包含Ui和Ug2個分量，2個電壓分量到達幅值的時間不同，電壓信號脈寬相差較大，因此，單獨分析并聯(lián)濾波電容對2個電壓分量的幅值影響。以6號車體為例探討將車體浪涌電勢下降到安全值域內所需并聯(lián)濾波電容器的容值。

當接觸網的雷電流幅值為20 kA時，在2．1中的仿真中流過6號列車車體的雷電流幅值最大，達到6．4 kA，在此雷電流下為使車體瞬時電勢不超過2 kV，濾波電容阻抗X≤0．18 Ω，雷電流脈寬為100 μs，得并聯(lián)濾波電容容 C≥88 μF。

圖4和圖8的對比表明:車體瞬時感應電勢是車體瞬時電勢峰值的主要影響因素，降低車體感應電勢才能更有效降低車體電勢峰值。通過仿真發(fā)現(xiàn)，在接地電阻器兩端并聯(lián)88 μF電容，車體瞬時感應電勢沒有被降低到安全范圍內。

圖9所示為并聯(lián)220μF濾波電容后接觸網中雷電流為20 kA時6號車體瞬時電勢，車體瞬時感應電勢下降到1．5 kV，總電勢峰值也只有1．7 kV。

并聯(lián)濾波電容還能夠降低列車升降弓車體浪涌電勢，但是，雷電信號以及浪涌信號都是高頻信號，濾波電容中的雜散電感會影響電容對過電壓的抑制效果，因此選擇的濾波電容應具有自感小、等效串聯(lián)電阻低和能經受高電壓、大電流沖擊的特性。為保障濾波電容的使用壽命，為過電壓留有一定的裕度，電容器的耐壓值可選擇在2．5 kV。

加載1～100 kHz電源測量列車車體電感，電感約為2 μH。接地電阻器兩端并聯(lián)濾波電容后在雷電流與感應電流回路利用式(10)計算得回路諧振頻率f，f約為7 kHz，與雷電流和雷電感應電流的頻率不在1個數(shù)量級，因此，不會引起電路的高頻諧振。

圖9 并聯(lián)220μF濾波電容后6號車體雷擊接觸網時車體瞬時電勢Fig．9 No．6 body’s Instantaneous potential after paralleling 220 μF filtering capacity when lightning catenary

3．2 增加車體接地點

回路感應電勢與回路所圍面積有關，因此，可以嘗試通過分割b回路來降低單個車體－鋼軌感應電勢回路面積，從而降低回路感應電勢。在圖10中，4號和5號車體上安裝相同的接地裝置，回路b被分為b1，b2和b3共3個回路。5個車體－鋼軌回路結構相同，利用式(9)計算出在5個回路中的感應電勢大致相同，回路阻抗相等，因此，各回路中感應電流基本相等。3～6號車體分別存在于2個相鄰回路中，相鄰回路中的感應電流在同一車體接地系統(tǒng)中方向相反，降低了這4個車體接地系統(tǒng)中的感應電勢峰值，如圖11所示。3～5號車體瞬時電勢中幾乎不存在感應電勢分量，6號車體瞬時電勢從18 kV降低到1．6 kV。2號和7號車體與沒有增加車體接地點相比其車體瞬時感應電勢不變。

圖10 車體－鋼軌回路Fig．10 Modified body－rail loops

圖11表明增加車體接地點后，車體感應電勢峰值最大值從18 kV下降到7．80 kV，但沒有完全解決雷擊接觸網時車體感應過電壓問題，2號和7號車體瞬時感應電勢仍對車內電氣設備安全存在一定的威脅。另外，增加車體接地點減小了流過單個車體的雷電流，降低因雷電流流過車體接地系統(tǒng)而引起車體電勢的抬升量。

圖11 增加車體接地點后車體瞬時感應電勢Fig．11 Instantaneous induction potential after increasing body’s earth point

3．3 減小接地電阻器阻值

車體的接地電阻主要是接地電阻器，減小接地電阻器阻值能夠降低車體接地電阻，從而降低雷電流注入車體引起的車體電位抬升量，并在一定程度上降低車體與鋼軌之間的感應電壓。但是，接地電阻器起著保護碳刷、防止軸承電腐蝕的作用，接地電阻器的阻值過小可能會加速碳刷的異常磨損，降低碳刷壽命，因此，通過減小接地電阻器電阻來降低車體瞬時電位峰值有一定的局限性。

4 結論

(1)高速動車組采用車體與碳刷間串聯(lián)接地電阻器的接地方式，接觸網遭受雷擊時，將引起列車車體電勢瞬時抬升。車體瞬時電勢的幅值與雷電流的峰值、雷電流陡度以及車體接地系統(tǒng)的阻值有關。當接觸網中雷電流峰值為20 kA時，車體瞬時電勢峰值最大值達到18 kV，嚴重威脅到車內電氣設備的安全。

(2)車體瞬時過電壓產生的途徑包括2個方面:一是雷電流流過車體接地系統(tǒng)引起的車體瞬時電勢變化;二是接觸網中的雷電流對車體－鋼軌回路中產生感應電勢。

(3)在接地電阻器兩端并聯(lián)濾波電容能夠有效降低雷擊接觸網時車體底部瞬時電勢的峰值，電容器電容不小于220 μF。增加車體接地點，減小接地電阻器阻值也能夠在一定程度上降低車體瞬時電勢峰值。

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