環(huán)境因素對(duì)于牽引網(wǎng)雷電防護(hù)的影響分析

楊昱鑫，李泉

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州，730060）

0 引言

隨著國家對(duì)于西部地區(qū)的大力開發(fā)，高速鐵路里程及時(shí)速都在增加，這就要求了其線路需遇溝架橋、遇山穿洞，由此使得電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)所經(jīng)地貌千差萬別，當(dāng)高速行進(jìn)的列車穿過一些雷暴日較多、落雷密度較大、地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域時(shí)，很容易遭受直擊雷或感應(yīng)雷而發(fā)生重大事故，如“7·23”動(dòng)車追尾事故[1,2]。

因此本文利用EMTP(電磁暫態(tài)仿真程序)建立雷擊牽引網(wǎng)模型，通過仿真分析在不同的環(huán)境因素對(duì)于牽引網(wǎng)耐雷水平的影響，進(jìn)而對(duì)高速鐵路的安全防護(hù)建設(shè)提供參考性意見。

1 雷擊牽引網(wǎng)模型建立

■1.1 軟件選擇

EMTP是電力系統(tǒng)中高電壓等級(jí)的電力網(wǎng)絡(luò)和電力電子仿真應(yīng)用最廣泛的程序，由于它的很多子模型都是經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試論證過的，其可信度及精度毋庸置疑，因此本文在建立雷擊牽引網(wǎng)模型時(shí)選擇EMTP軟件[3]。

■1.2 雷電流模型

目前對(duì)于雷電流的數(shù)學(xué)模型已有雙指數(shù)函數(shù)模型、脈沖函數(shù)模型、Hidler函數(shù)模型等，經(jīng)過對(duì)比分析可知，由于Hidler函數(shù)模型能夠更好地反應(yīng)雷電流的各項(xiàng)特征參數(shù)，因此，本文在后續(xù)的仿真測(cè)試中選擇Hidler函數(shù)模型，表達(dá)式如下[4-6]：

式中，k為雷電流峰值修正系數(shù)；1τ為視在波頭時(shí)間；2τ為視在波尾時(shí)間；Im為雷電流峰值；n為陡度因子。

■1.3 懸掛導(dǎo)線模型

牽引網(wǎng)的懸掛導(dǎo)線主要有承力索、接觸線、正饋線和保護(hù)線等，它們間距不大，當(dāng)某條線路受直擊雷或感應(yīng)雷沖擊時(shí)，其線路參數(shù)會(huì)隨著含高次諧波雷電流參數(shù)的改變而改變。經(jīng)對(duì)比分析，本文選擇能夠計(jì)及頻率特性的JMarti-LCC模型[7,8]。

■1.4 絕緣子閃模型

牽引網(wǎng)絕緣子不僅起絕緣作用，而且還可以承受相應(yīng)的力矩。由于其安裝位置不同，爬電距離及閃絡(luò)電壓也不同，本文采用電壓控制開關(guān)來模擬絕緣子的閃絡(luò)狀態(tài)，圖1為絕緣子被擊穿時(shí)端電壓的變化情況。

圖1 牽引網(wǎng)絕緣子閃絡(luò)波形圖

■1.5 牽引網(wǎng)支柱模型

高速鐵路牽引網(wǎng)支柱多為圓形鋼柱，當(dāng)牽引網(wǎng)受雷擊后，絕緣子閃絡(luò)致使雷電流沿鋼柱經(jīng)接地體泄入大地，而雷電流經(jīng)鋼柱傳波的過程中，鋼柱的阻抗變化較復(fù)雜，多層波阻抗模型能夠更加真實(shí)地反映這一過程，所以，本文采用多層波阻抗模型對(duì)牽引網(wǎng)支柱進(jìn)行建模。其計(jì)算公式為：

其中，R為牽引網(wǎng)支柱的半徑；H為牽引網(wǎng)支柱的高度。

由于牽引網(wǎng)懸掛導(dǎo)線的空間幾何位置不同，根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，用它們實(shí)際所處的位置將支柱分為四段建立模型如圖2所示。

圖2 牽引網(wǎng)支柱模型截圖

■1.6 沖擊接地電阻模型

接地體是雷電流泄入大地的最后一道阻礙，當(dāng)牽引網(wǎng)受雷電過電壓后，高幅值的雷電流在流經(jīng)接地體時(shí)會(huì)使其周圍土壤的電流密度J增加，進(jìn)而場(chǎng)強(qiáng)E也隨之增加，當(dāng)大于臨界值時(shí)擊穿土壤，此時(shí)，沖擊接地電阻的大小將隨將隨雷電流及土壤電阻率等因素的變化而動(dòng)態(tài)變化。本文建模時(shí)選擇如下表達(dá)式[5]：

其中，0R為低頻電流下接地體的接地電阻；I為流過接地體的雷電流；ρ為土壤的電阻率；E0為土壤電離強(qiáng)度，通常取400kV m。

■1.7 避雷器模型

牽引網(wǎng)常用的是氧化鋅避雷器，考慮到不同廠家生產(chǎn)的避雷器的幾何尺寸存在差異，而Pinceti模型的側(cè)重不在避雷器尺寸，因此選擇其模型Pinceti如圖3所示。

圖3 Pinceti模型圖

圖3 中，R為氧化鋅避雷器的泄漏電阻；0A、1A為可變電阻；0L、1L為電感。

根據(jù)牽引網(wǎng)供電原理及結(jié)構(gòu)，利用各個(gè)子模型，最后搭建并調(diào)試得雷擊牽引網(wǎng)整體模型如圖4所示。

圖4 雷擊牽引網(wǎng)仿真模型

2 環(huán)境因素對(duì)牽引網(wǎng)耐雷水平的影響分析

牽引網(wǎng)的耐雷水平與接地電阻的大小直接相關(guān)，而接地電阻又與環(huán)境因素相關(guān)，下面將分析不同環(huán)境因素影響下，通過接地電阻變化而引起的耐雷水平的變化情況。

■2.1 土壤含水量

土壤含水量的變化主要受當(dāng)?shù)亟涤炅?、氣溫、土壤類型等因素的影響?/p>

根據(jù)表1所示相關(guān)數(shù)據(jù)，利用EMTP探針測(cè)得雷擊牽引網(wǎng)支柱和懸掛導(dǎo)線時(shí)AF線（正饋線）及T線（接觸線）耐雷水平，在Matlab中擬合得牽引網(wǎng)耐雷水平與土壤含水量的變化曲線如圖5、圖6所示。

表1 不同含水量下的土壤電阻率

圖5 雷擊牽引網(wǎng)支柱

圖6 雷擊牽引網(wǎng)懸掛導(dǎo)線

由圖5和圖6可以看出，當(dāng)土壤含水量由低至高變化時(shí)，牽引網(wǎng)的耐雷水平也隨之升高，且土壤含水量相同時(shí)，T線耐雷水平高于AF線的耐雷水平。

■2.2 氣溫

不同的季節(jié)、不同的時(shí)間點(diǎn)，氣溫變化幅度較大，而不同的氣溫下土壤骨架中孔隙水的含量不同，進(jìn)而導(dǎo)致土壤電阻率不同。

根據(jù)表2所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇不同氣溫所對(duì)應(yīng)的土壤電阻率，利用EMTP探針測(cè)得雷擊牽引網(wǎng)支柱和懸掛導(dǎo)線時(shí)AF線和T線的耐雷水平，經(jīng)Matlab擬合得牽引網(wǎng)耐雷水平隨氣溫的變化曲線如圖7、圖8所示。

表2 不同氣溫下的土壤電阻率

由圖7和圖8可以看出，當(dāng)氣溫從低到高變化時(shí)，牽引網(wǎng)的耐雷水平也隨之緩慢上升，且氣溫相同時(shí)，T線耐雷水平高于AF線的耐雷水平。

圖7 雷擊牽引網(wǎng)支柱

圖8 雷擊牽引網(wǎng)懸掛導(dǎo)線

■2.3 土壤類型

根據(jù)在相關(guān)區(qū)域的調(diào)研以及相關(guān)資料可知，高速鐵路牽引網(wǎng)支柱的接地體大多深埋在黃土、砂土、礫土、砂、砂石中。

根據(jù)表3所示相關(guān)數(shù)據(jù)選擇不同土壤類型所對(duì)應(yīng)的電阻率，將這5種土壤依此編號(hào)為11，22，33，44，55。利用EMTP探針測(cè)得雷擊牽引網(wǎng)支柱和懸掛導(dǎo)線時(shí)AF線和T線的耐雷水平，經(jīng)Matlab擬合得牽引網(wǎng)耐雷水平與土壤類型的關(guān)系如圖9、圖10所示。

表3 不同土壤類型下的土壤電阻率

由圖9和圖10可以看出，不同的土壤其電阻率差異較大，進(jìn)而對(duì)于牽引網(wǎng)耐雷水平的影響也較大，不管是雷擊牽引網(wǎng)支柱還是雷擊懸掛導(dǎo)線，當(dāng)接地體置于以下土壤中時(shí)，牽引網(wǎng)的耐雷水平從低至高依次為：黃土、砂石、砂土、砂、礫土。

圖9 雷擊牽引網(wǎng)支柱

3 結(jié)論

通過利用EMTP仿真不同環(huán)境因素下的牽引網(wǎng)耐雷水平可知：(1)牽引網(wǎng)耐雷水平受環(huán)境因素影響較大，且隨當(dāng)?shù)氐臍鉁?、土壤的含水量正相關(guān)變化。(2)只有當(dāng)接地體置于黃土中時(shí)，牽引網(wǎng)耐雷水平較低，因此可以用更換接地體周圍土壤或采用親水材料來改善接地環(huán)境從而來提高牽引網(wǎng)的耐雷水平。(3)在相同的環(huán)境因素下，由于空間幾何位置影響，接觸線耐雷水平總是高于正饋線耐雷水平，因此需加強(qiáng)對(duì)于正饋線的防護(hù)。

圖10 雷擊牽引網(wǎng)懸掛導(dǎo)線