接地方式對高速動車組車體雷電過電壓影響研究

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(1. 中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2. 西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；3. 西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031；4. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對高速動車組過電壓產(chǎn)生原因及預(yù)防措施進行了大量的研究。Hatsukade.S等人對列車車體浪涌電壓的研究結(jié)果表明，車頂高壓電纜與車體間的電氣連接，以及車體接地系統(tǒng)高阻抗是列車車體浪涌過電壓的主要來源[1-2]；Charles Mulertt等人對列車軸承電蝕的原因進行了分析，指出過電壓沖擊是導(dǎo)致軸承電蝕的主要原因[3]；安昌萍等人對35 kV真空斷路器開斷空載變壓器時過電壓進行了研究，分析了暫態(tài)過程、過電壓的特點，以及變壓器、真空斷路器參數(shù)對過電壓的影響[4]；邵沖等人研究了斷路器結(jié)構(gòu)參數(shù)對GIS中特快速暫態(tài)過電壓波形的影響，提出了在斷路器的設(shè)計中，應(yīng)盡量避免斷路器斷口間和斷口對地可能出現(xiàn)的諧振過電壓[5]。

利用電磁暫態(tài)仿真軟件建立了雷電流等效模型、車載氧化鋅避雷器等效模型、動車組車體電阻電感等值電路，通過仿真研究了雷擊接觸網(wǎng)時動車組車體車頂-車底之間、車底-軸端之間雷電過電壓波形特征，分析了新的接地設(shè)計方案下車體雷電過電壓的變化規(guī)律。

1 模型建立

1.1 動車組高壓系統(tǒng)

某型動車組為動力分散、交流傳動電動車組。其中8輛為一個編組，采用4動4拖(2、4、5、7號車為動車，1、3、6、8號車為拖車)。動車組采用單弓受流，另一受電弓處于折疊狀態(tài)。動車組通過2號或7號車受電弓從接觸網(wǎng)獲取電能，通過高壓斷路器、高壓互感器、避雷器等設(shè)備后，經(jīng)高壓電纜分別傳輸?shù)?號和6號車牽引變壓器的一次側(cè)，整流逆變后傳送到牽引電機，從而驅(qū)動列車運行。圖1給出了動車組主電路結(jié)構(gòu)圖，變壓器一次側(cè)末端經(jīng)車軸上的接地碳刷入地，從而回流至牽引變電所。

1.2 動車組接地系統(tǒng)

為了保持動車組車體低電位，在動車組車底與軸端之間安裝了動車組接地系統(tǒng)，不同車型接地系統(tǒng)設(shè)計各有不同。研究的動車組接地系統(tǒng)布置如圖2所示。在M02車和MH04車，MB05車和M07車車底和軸端分別設(shè)置電阻大小為100 mΩ的接地電阻器；TP03車和TP06車以及TC01車和TC08車則采用通過電纜直接連接車底和軸端的方式來保持車體的低電位。

1.3 雷電流參數(shù)

雷擊接觸網(wǎng)后，由于接觸網(wǎng)導(dǎo)線電阻電感對過電壓波形的衰減變形作用，雷電過電壓波前時間將延長，波前陡度將減小?？紤]一定的安全裕度，采用幅值大小為5 kA、參數(shù)為8/20 μs的雙指數(shù)函數(shù)模型來模擬傳播至動車組受電弓上的雷電流為：

i(t)=AIm(eαt-eβt)

(1)

Im為雷電流幅值。

1.4 仿真模型

雷擊接觸網(wǎng)后，過電壓沿接觸線傳播至動車組高壓系統(tǒng)以及車體上，引起動車組高壓設(shè)備和車體雷電過電壓。

動車組車體雷電過電壓仿真電路圖如圖3所示，模型中VCB為動車組車載真空斷路器，MOA為車載氧化鋅避雷器，為模擬避雷器的非線性伏安特性采用IEEE模型實現(xiàn)其動作過程的模擬。

仿真電路中動車組車廂兩端連接線電阻Rj=0.001 Ω；經(jīng)現(xiàn)場測量，鋼軌單位長度電阻阻值為R=0.0734 Ω/m，電感值為L=0.143 μH/m，Rr和Lr為每節(jié)車體所對應(yīng)鋼軌的電阻和電感；利用高精度RLC測試儀測得接地電阻器電阻Rd=0.1 Ω和寄生電感Ld=8.6 μH；接地碳刷電阻Rt=0.001 8 Ω；已知動車組頭車(TC01車和TC08車)車廂長度為25.86 m，中間6節(jié)車廂長度為24.83 m，為簡化計算模型將8節(jié)車體的車廂長度均近似為25 m。

圖3 仿真電路圖

2 動車組車體雷電過電壓仿真結(jié)果

圖4 車頂-車底之間車體雷電過電壓

傳播至動車組高壓系統(tǒng)的雷電過電壓將通過高壓電氣設(shè)備在車體上的接地點傳播至動車組車體引起動車組車體雷電過電壓。圖4～圖5為動車組升3號車受電弓時，仿真得出的動車組車體車頂與車底之間、車底與軸端之間的雷電過電壓波形，可以發(fā)現(xiàn)車體雷電過電壓波形呈現(xiàn)震蕩衰減變化趨勢。動車組3號車、4號車、5號車、6號車車體車頂-車底之間雷電過電壓幅值分別為14.13 kV，1.55 kV，2.15 kV，3.81kV；車底-軸端之間雷電過電壓幅值分別為7.25 kV，2.92 kV，1.6 kV，1.78 kV。

比較不同車體雷電過電壓幅值大小可以發(fā)現(xiàn)車頂-車底之間、車底-軸端之間雷電過電壓均為3號車過電壓最大，這是由于雷電過電壓傳播至動車組車載避雷器后，由于過電壓幅值超過避雷器動作電壓，避雷器兩端導(dǎo)通呈低阻狀態(tài)，雷電過電壓經(jīng)過避雷器傳播至車體上。另一方面，雷電過電壓在車頂高壓電纜傳播過程中引起高壓電纜屏蔽層雷電過電壓，通過高壓電纜屏蔽層在車體的接地點雷電過電壓傳播至每一節(jié)車體。

動車組通過車間連接線保持不同車體間的電位相同，過電壓會沿車間連接線傳播，根據(jù)仿真結(jié)果離3號車越遠的車體其雷電過電壓也較小。

3 接地方式對車體雷電過電壓的影響

根據(jù)過電壓產(chǎn)生的機理，減小兩點之間的電阻電感值大小可以減小其兩點之間的過電壓幅值。因此為了減小動車組車底-軸端之間的車體雷電過電壓，設(shè)計了如圖6所示的動車組車體接地系統(tǒng)，與現(xiàn)有接地系統(tǒng)的最大區(qū)別為在M02車和MH04車，MB05車和M07車車底和軸端之間直接通過電纜連接而不通過接地電阻器。

圖5 車底-軸端之間車體雷電過電壓

圖6 改變后的接地系統(tǒng)布置圖

圖7～8為原接地系統(tǒng)與改變的接地系統(tǒng)兩種情況下，動車組車體車頂-車底之間、車底-軸端之間雷電過電壓幅值大小對比?？梢钥闯觯淖兊慕拥叵到y(tǒng)對車頂-車底之間車體雷電過電壓影響較小，車底-軸端之間車體雷電過電壓影響較大，這與理論分析相一致。

4 結(jié)束語

本論文通過仿真模擬對高速鐵路接觸網(wǎng)遭受雷擊時，動車組車體雷電過電壓開展研究，并提出了一種新的接地系統(tǒng)設(shè)計方式。研究結(jié)果表明，動車組車體雷電過電壓波形基本呈震蕩衰減變化，其中車頂-車底之間車體雷電過電壓要大于車底-軸端之間雷電過電壓。不同車體間3號車體雷電過電壓比其他幾節(jié)車體雷電過電壓幅值要大，而且距離3號車體越遠，車體雷擊過電壓幅值越小。在改變的動車組接地系統(tǒng)設(shè)計方案下，動車組車體車頂-車底之間雷電過電壓變化較小，車底-軸端之間雷電過電壓變化較大，最大衰減幅度達到其原值的27%，有效地降低了車體過電壓。

圖7 車頂-車底之間過電壓幅值

圖8 車底-軸端之間過電壓幅值