高鐵變電所設備雷電侵入波防護分析

吳政南，程遠勝

（1武漢東湖學院 電子信息工程學院，武漢430212；2長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局，武漢430010）

高鐵變電所設備雷電侵入波防護分析

吳政南1，程遠勝2

（1武漢東湖學院 電子信息工程學院，武漢430212；2長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局，武漢430010）

高速鐵路的快速發(fā)展伴隨日益嚴重的雷電災害事故，為了合理保護高鐵變電所電氣、信號設備，需要研究雷電侵入波對其危害。利用EMTP軟件搭建了高鐵接觸網線模型，分析線路、設備前端安裝避雷器防護效果，最后隔離變壓器起到設備末端精細保護的作用。仿真結果表明：高鐵接觸網安裝避雷器能夠降低接觸網過電壓，其防護效果與避雷器安裝密度、距雷擊點距離有關；變電所設備前端安裝SPD不能夠實現(xiàn)過電壓完全防護，殘壓仍然較高；安裝隔離變壓器能夠進一步衰減侵入波過電壓，同時有效抑制過電壓高頻成分。隔離變壓器與終端SPD配合可以有效保護變電所設備。

雷電電涌；高鐵；避雷器；隔離變壓器

0 引言

截止到2016年底，我國高速鐵路里程已達到2.2萬公里，居世界第一[1]。當前中國高鐵發(fā)展已經進入新階段，保障高鐵的安全、可靠運行對于推動社會經濟更好的發(fā)展意義重大。雷電是威脅高鐵安全發(fā)展的重要因素，高鐵牽引供電系統(tǒng)遭受雷擊引起線路跳閘事件時有發(fā)生[2－4]。相關數據表明，僅2011年7—8月，京滬高鐵徐州至虹橋段就因雷擊跳閘214次，占全部跳閘次數的93%[5]。雷擊除了引起跳閘之外，雷電電涌沿線路侵入還會損壞接觸網設備，7·23甬溫線特別重大鐵路交通事故就是因為雷電損壞信號設備造成通信故障所導致。

目前，針對高鐵接觸網雷擊特性研究主要集中在線路耐雷水平、雷擊跳閘率[6-9]等方面，對于變電所設備的雷電電涌防護研究較少。相關規(guī)范和設計指南[10-11]規(guī)定了安裝金屬氧化物避雷器，但是對于安裝數量、效果沒有深入分析。

筆者利用ATP-EMTP軟件[12]搭建高鐵接觸網模型，分析安裝避雷器、隔離變壓器對牽引變電所設備雷電電涌的保護效果，為高鐵變電所設備的雷電過電壓防護提供參考。

1 仿真模型

完整的高鐵牽引供電系統(tǒng)包括接觸網線、支柱、絕緣子、避雷器和設備終端。

1.1 接觸網模型

圖1給出了高速鐵路接觸網示意圖。仿真采用單線供電方式。牽引網包括AF線和T線兩條饋線，T線由承力索和其下方接觸線構成。AF線下方還設有起回流保護作用的PW線[13-14]。接觸網檔距為50m，AF線、承力索、接觸線和PW線相對鐵路軌面高度分別為 8.4m、8.1m、6.7m 和 7.0m[2]。

圖1 高速鐵路接觸網模型Fig.1 Model of high speed railway catenary

雷電流波形頻譜豐富，而接觸網線路參數受頻率的影響很大，為了反映波形受頻率影響在線路中傳播時發(fā)生衰減和畸變，選用Jmarti線路模型來反映頻率與線路參數的關系以及分布的損耗特性。仿真中將T線按二分裂導線處理以代替承力索和接觸線[9]。T線型號為CTHA120，PW線型號為LGJ120，AF線型號為LGJ240。

1.2 支柱與絕緣子串模型

接觸網支柱仿真時采用波阻抗模型，波阻抗通過下式計算[15]：

式中：h為支柱高度，m；r為支柱半徑，m。桿塔的接地電阻用工頻接地電阻近似代替，取4Ω[16]。

線路絕緣子串閃絡的判據采用判據法，當絕緣子串兩端電位差超過絕緣子50%沖擊擊穿電壓時，絕緣子串發(fā)生閃絡。絕緣子采用4片盤式絕緣子，50%沖擊擊穿電壓354 kV[9]。

1.3 避雷器模型

目前線路廣泛采用的過電壓防護設備是金屬氧化物避雷器，其流過電流與電壓間的關系服從下式規(guī)律：

式中：ib為陡波電流，kA；p、q 是常數；q 的典型值為20～30；Uref為參考電壓，通常取額定電壓的2倍或接近于2倍的值。線路避雷器直流參考電壓U1mA為84 kV，10 kA時為240 kV[9]。變電所設備終端側SPD直流參考電壓U1mA為1.2 kV，10 kA時為2.6 kV。

1.4 雷電流模型

雷電流波形采用Heidler函數[17]表示，表達式為

式中：I0為峰值電流，kA；τ1和τ2分別為波頭時間常數和波尾時間常數，μs；n為電流陡度因子，一般情況下取n=2或10。雷電流通道的波阻抗和雷電流幅值緊密相關，根據GB50064-2014給出的波阻抗隨雷電流幅值變化規(guī)律[18]確定。

2 仿真結果分析

圖2給出了雷擊接觸網時雷擊點處過電壓與變電所前終端支柱處過電壓波形。雷擊點距終端支柱500m，每隔250m安裝一組避雷器；雷電流幅值為10 kA，波形 2.6/50 μs。

圖2 接觸網過電壓Fig.2 Waveforms of overvoltage on the catenary

由圖2可以看出，終端支柱處接觸網過電壓峰值到達時間有所推遲，幅值也衰減至雷擊點過電壓的1/3，這主要是因為線路過電壓高頻分量的衰減和沿線避雷器對雷電流泄放。

圖3給出了不同避雷器安裝方式和不同雷擊點距離對接觸網過電壓的影響。

圖3 不同避雷器安裝方式對過電壓影響Fig.3 Effect of different surge arrestermodel

由圖3可以看出，接觸網安裝避雷器能起較好的過電壓防護作用，避雷器安裝越密，防護效果也明顯。但是避雷器對電涌過電壓的衰減程度隨著到雷擊點距離的增大而減小，因為避雷器保護范圍有一定限制。

圖4給出了距終端支柱100 m處變電所設備安裝SPD保護后侵入波過電壓的時域和頻域波形。

圖4 終端設備過電壓波形Fig.4 Waveforms of overvoltage on terminal equipment

由圖4看出，雖然終端設備安裝SPD后，沿線侵入波過電壓得到了大幅的抑制，但是過電壓幅值超過了6 kV，高頻成分仍較多，不能實現(xiàn)對設備的完全保護。對于設備終端而言，末端支柱處侵入波過電壓幅值仍然較高，需要進一步降低，可以增加避雷器的安裝密度，但這也會增加建設成本和后續(xù)維護費用。

3 隔離變壓器防護

除了安裝避雷器外，可以在設備終端安裝隔離變壓器實現(xiàn)變電所設備過電壓的絕緣保護[19]。圖5和圖6分別給出了隔離變壓器的防護方式與等效電路模型[20]。

圖5 隔離變壓器保護方式Fig.5 Protectionmodel of the insulation transformer

圖6 隔離變壓器模型Fig.6 Equivalent circuitmodel of the insulation transformer

圖7給出了雷擊點距終端支柱500 m處接觸網時，隔離變壓器次級過電壓波形和頻率特性。雷電波波形取2.6/50μs波形，幅值取10 kA。

由圖7可以看出，安裝隔離變壓器后，次級線圈電壓遠低于初級電壓，設備終端過電壓進一步得到了大幅衰減，頻率在100 kHz以上電涌過電壓成分也被抑制。隔離變壓器與終端SPD配合作為設備末端保護設備，能夠有效彌補SPD防護不足，使設備得到可靠保。

圖7 隔離變壓器防護效果Fig.7 Protection effect of the insulation transformer

4 結論

通過ATP-EMTP軟件搭建高鐵接觸網模型，分析了安裝避雷器、隔離變壓器對牽引變電所設備雷電電涌的保護效果。得到如下結論：

1）接觸網安裝避雷器能夠降低接觸網過電壓，但是防護效果與避雷器安裝密度、距雷擊點距離有關。

2）設備前端安裝SPD一定程度上降低了侵入波過電壓，但是殘壓幅值仍然較高，高頻成分較多。

3）設備前端安裝隔離變壓器能夠大幅度衰減侵入波過電壓，同時有效抑制過電壓高頻成分。

[1]莫友．中國速度 中國高鐵發(fā)展紀實 中文版[M]．北京：外文出版社，2016．

[2]劉明光．鐵道電網過電壓分析與防護 電網,暫態(tài),防雷與接地[M]．北京：北京交通大學出版社，2009．

[3]吳廣寧，曹曉斌，李瑞芳．軌道交通供電系統(tǒng)的防雷與接地[M]．北京：科學出版社，2011．

[4]李康，劉家軍，卓元志，等．高速電氣化鐵路接觸網防雷研究[J]．電網與清潔能源，2012,28（7）：39－45．LI Kang,LIU Jiajun,ZHUO Yuanzhi,et al.Research on lightning protection of contact system for High－Speed electrified railway[J].Advances of Power System&Hydroelectric Engineering,2012,28(7)：39－45.

[5]魏儔元．高速鐵路接觸網雷擊特性及避雷器防護效果的研究[J]．電瓷避雷器，2014（3）：53－56．WEIChouyuan.Study on lightning characteristics and arrester protective effect of traction power supply catenary of high－speed railway[J].Insulators and Surge Arresters,2014（3）：53－56.

[6]曹曉斌，熊萬亮，吳廣寧，等．接觸網引雷范圍劃分及跳閘率的計算方法[J]．高電壓技術，2013,39（6）：1515－1521．CAO Xiaobin,XIONG Wanliang,WU Guangning,et al.Lightning scope division and lightning trip－out rate calculationmethod for overhead catenary system[J].High Voltage Engineering,2013，39（6）：1515－1521.

[7]楊昱鑫，張友鵬．西部干旱沙漠地區(qū)接觸網防雷仿真研究[J]．電瓷避雷器，2016（5）：48－53．YANG Yuxin,ZHANG Youpeng.Research on lightning protection simulation of catenary in arid desert region[J].Insulators and Surge Arresters,2016（5）：48－53.

[8]周利軍，高峰，李瑞芳，等．高速鐵路牽引供電系統(tǒng)雷電防護體系[J]．高電壓技術，2013，39（2）：399－406．ZHOU Lijun,GAO Feng,LIRuifang,et al.Lightning protection system of traction power supply system for highspeed railway[J].High Voltage Engineering,2013,39(2)：399－406.

[9]邊凱，陳維江，王立天，等．高速鐵路牽引供電接觸網雷電防護[J]．中國電機工程學報，2013，33（10）：191－199．BIAN Kai,CHENWeijiang,WANG Litian,etal.Lightning protection of traction power supply catenary of high－speed railway[J].Proceedingsof the CSEE,2013，33（10）：191－199.

[10]中華人民共和國鐵道部．TB10621—2009高速鐵路設計規(guī)范[S]．北京：中華人民共和國鐵道部，2009.

[11]鐵道部工程設計鑒定中心．鐵路綜合接地和信號設備防雷系統(tǒng)工程設計指南[M]．北京：中國鐵道出版社，2009．

[12]吳文輝，曹祥麟．電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算與EMTP應用[M]．北京：中國水利水電出版社，2012．

[13]王梓丞，郭進，羅蓉，等．軌道電路的EMTP建模及其雷電過電壓的研究[J]．電瓷避雷器，2016（4）：152－158．WANG Zicheng,GUO Jin,LUO Rong,et al.Study on EMTPmodeling and lightning overvoltage of track circuit[J].Insulators and Surge Arresters,2016（4）：152－158.

[14]鄭學賢．高速鐵路接觸網ATP建模及防雷保護研究[D]．南昌：華東交通大學，2013．

[15]PASTROMASS,PAPAMIKOU A,PEPPASG,et al.Investigation of grounding resistance effect on the MV grid of Hellenic electromotive railway during lightning strikes[C].33rd International Conference on Lightning Protection（ICLP 2016）， 2016：1－7.

[16]曹曉斌，易志興，陳奎，等．高速鐵路饋線電纜雷電過電壓及防護措施[J]．高電壓技術，2016，42（2）：619－626．CAO Xiaobin,YI Zhixing,CHEN Kui,et al.Lightning overvoltage and protection measures of high－speed railway feeder cable[J].High Voltage Engineering,2016，42（2）：619－626.

[17]IEEE Std.1410－2010.IEEE guide for improving the lightning performance of electric power overhead distribution lines[S].

[18]中國電力科學研究院.GB/T 50064—2014交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[19]向念文，陳維江，李成榕，等．高鐵軌道電路隔離變壓器雷電暫態(tài)模型[J]．高電壓技術，2016（5）：1594－1599．XIANG Nianwen,CHEN Weijiang,LI Chengrong,et al.Lightning transientmodel of isolation transformer for highspeed railway track circuit system[J].High Voltage Engineering,2016（5）：1594－1599.

[20]YANAGAWA S,YAMAMOTO K,NAITO Y.Experimental study and circuit analysis model of lightning isolation transformer for railway signal system[C].33rd International Conference on Lightning Protection（ICLP 2016），2016：1－5.

Analysis of Lightning Invaded W ave Protection for Equipment in High-Speed Railway Substation

WU Zhengnan1，CHENG Yuansheng2
（1.School of Electronics and Information Engineering,Wuhan Donghu University,Wuhan 430212,China；2.The Hydrological and Water Resources Survey Bureau of the Middle Changjiang River,ChangjiangWater Resources Commission,Wuhan 430010,China）

The rapid development of high－speed railway is shadowed by lightning disasters.In order to protect the electric and signal equipment in high－speed railway substation properly,it is necessary to study the lightning surge characteristic.Themodel of typical high－speed railway catenary is established in EMTP.The protection effects of surge arrester installed on high－speed railway catenary and equipment front end are analyzed.Fine protection effect of isolation transformer on equipment terminal is also discussed.The simulation results show that：installation of arrester can reduce the catenary overvoltage,the protective effect is related to the arrester installation density and the distance from the lightning point;The installation of isolation transformers can further attenuate the incoming wave overvoltages while effectively suppressing overvoltage and high frequency components.It is reliable to protect terminalequipmentbymeans of cooperation between SPD and isolation transformer.

lightning surge； high－speed railway； surge arrester； isolation transformer

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.04.008

2017－01－03

吳政南 （1981—），女，講師，研究方向：電工技術。

武漢東湖學院“通信與信息工程”湖北省重點實驗教學示范中心項目。