高速鐵路暫態(tài)模型搭建與仿真分析

樊春雷，郭小霞，李漢卿

0 引言

國內(nèi)鐵路運營部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析表明，雷擊鐵路沿線而引發(fā)的跳閘事故十分頻繁。其中，廣深線在1998—2001年發(fā)生雷擊接觸網(wǎng)跳閘140次；南昆線在1999年3—8月發(fā)生雷擊接觸網(wǎng)跳閘85次；2001年6月，武廣線英德—連江口區(qū)間因雷擊造成接觸網(wǎng)停止供電，上下行線被迫中斷行車2 h；2005年，京廣線鐵路大托鋪站至暮云市站間電網(wǎng)瓷瓶被雷擊，導(dǎo)致拉桿脫落，造成24 km接觸網(wǎng)停電，21趟火車停運。

因此，有效防治雷害，保證供電安全對高速鐵路極為重要。然而，目前國內(nèi)對接觸網(wǎng)防雷的研究非常少，且沒有統(tǒng)一的分析方法與應(yīng)用措施。本文通過借助電磁暫態(tài)分析軟件PSCAD/EMTDC搭建接觸網(wǎng)系統(tǒng)電磁暫態(tài)模型，以期對雷電波在接觸網(wǎng)的傳播及擴散過程進行深入研究，從而提出接觸網(wǎng)耐雷水平的防護方法，為高速鐵路防雷措施的實施提供重要的參考。

1 高速鐵路概況

目前牽引變電所都設(shè)有避雷針保護，與牽引變電所相比，接觸網(wǎng)距離長、沿線地理環(huán)境復(fù)雜防雷薄弱。因此，本文重點研究高速鐵路牽引網(wǎng)防雷，選用線路參數(shù)如下：

接觸線型號CTMH150/高強高導(dǎo)150接觸線；承力索型號 JTM120/銅鎂合金絞線；加強線型號JL/LB1A-250-22/7/鋁包鋼芯鋁絞線；正饋線型號JL/LB1A-200-26/7；保護線型號 JL/LB1A-125-26/7。

由于全線橋梁占線路總長的80%，因此，本文重點研究高架橋接觸網(wǎng)的雷擊特性。該段支柱的結(jié)構(gòu)型式見圖1。該段鐵路位于城市郊區(qū)，周圍無大型建筑物，因而極易遭受雷擊。

圖1 高速鐵路鋼支柱的結(jié)構(gòu)形式示意圖

2 暫態(tài)模型搭建

2.1 雷電流模型

目前最廣泛應(yīng)用的是雙指數(shù)函數(shù)模型，所以本文采用了雙指數(shù)函數(shù)模型，雷電流按規(guī)程取波頭/波尾為2.6/50 μs，其雙指數(shù)函數(shù)表達式

仿真模型見圖2。

圖2 雷電流仿真模型圖

2.2 接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型

由于雷電流波形中含有豐富的高次諧波，而線路的參數(shù)隨頻率變化，不同頻率的諧波分量在線路中傳播時的衰減和畸變各不相同。因此，本文接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型采用頻率相關(guān)模型。即采用 PSCAD /EMTDC中的“Tlines”分析模塊模擬，忽略導(dǎo)線電暈，如圖3所示。考慮雷電波在被擊支柱的折返射，在仿真線路終端，剩余部分采用沖擊阻抗模擬。

2.3 絕緣子串閃絡(luò)模型

國內(nèi)防雷計算中判斷絕緣子是否閃絡(luò)，工程上一直采用比較絕緣子串兩端電壓與絕緣子串或空氣間隙50%放電電壓的方法作為判據(jù)，過電壓超過絕緣的 50%放電電壓即判為閃絡(luò)。本文借助PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)分析軟件搭建的模型如圖4所示。

圖3 接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型圖

圖4 絕緣子串的仿真模型圖

其絕緣子發(fā)生閃絡(luò)控制模塊如圖5所示。

圖5 絕緣子串閃絡(luò)控制模塊圖

接觸網(wǎng)絕緣子發(fā)生閃絡(luò)后電壓波形見圖6。

圖6 接觸網(wǎng)絕緣子串閃絡(luò)波形及控制信號圖

2.4 支柱模型

目前最具代表性的桿塔計算模型是電感模型。國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)程的防雷計算方法采用的是電感模型，該模型將桿塔視為一個集中參數(shù)的電感與接地電阻相串聯(lián)。其仿真模型如圖7所示。

圖7 支柱仿真模型圖

3 雷擊過電壓仿真分析

3.1 雷擊接觸網(wǎng)時的耐雷水平

雷擊接觸網(wǎng)的耐雷水平，見圖8。

雷擊過電壓每公里降低10 kV。

圖8 雷擊接觸網(wǎng)時的耐雷水平測試曲線圖（單位：kA）

由于仿真模型未考慮電暈的影響，因此實際雷擊過電壓每公里降低的數(shù)值要大于仿真結(jié)果10 kV。

3.2 不同避雷器安裝方式下接觸網(wǎng)的耐雷水平

不同避雷器安裝方式有4種。

方式 1是在加強線絕緣子兩端并聯(lián) 1個避雷器；方式2是在相鄰的2個支柱加強線絕緣子兩端各并聯(lián)1個避雷器；方式3是在全線加強線絕緣子兩端隔1個支柱并聯(lián)1個避雷器；方式4是在全線加強線絕緣子兩端并聯(lián)1個避雷器。

雷擊加強線時，雷擊位置距加強線與接觸網(wǎng)連接點不同距離對接觸網(wǎng)耐雷水平影響見表1。

表1 接觸網(wǎng)耐雷水平統(tǒng)計表 單位：kA

由表1可得：加強線與接觸網(wǎng)連接點對于接觸網(wǎng)耐雷水平影響很小，隨著距離增加，耐雷水平基本保持不變。同時，是否安裝避雷器對接觸網(wǎng)耐雷水平影響很大，當(dāng)雷擊位置在連接點處且接地電阻為2 Ω時，不同避雷器安裝方式下，接觸網(wǎng)耐雷水平分別比未安裝避雷器時的3.85 kA提高了59.95、62.95、62.15和84.15 kA。從最優(yōu)投資出發(fā)在雷擊加強線時優(yōu)先選用方式1。

雷擊跨距時，雷擊點到支柱的不同距離對接觸網(wǎng)耐雷水平影響見表2。

表2 接觸網(wǎng)耐雷水平統(tǒng)計表 單位：kA

由表2可得，雷擊跨距時，雷擊位置對不同避雷器安裝方式有很大的影響，對避雷器安裝方式1，當(dāng)雷擊點距離支柱為15 m時，接觸網(wǎng)耐雷水平減小約80%，達到13 kA。且當(dāng)距離增加到50 m時，耐雷水平下降最大為3.25 kA，與未安裝避雷器時的耐雷水平一致，即其安裝避雷器的保護范圍為本支柱。而對于避雷器安裝方式4耐雷水平呈U形變化，且雷擊跨距中央時，耐雷水平最低為57 kA。相反對于無避雷器情況，耐雷水平變化不明顯。

4 結(jié)束語

以高速鐵路為例，本文采用電磁暫態(tài)分析軟件系統(tǒng)搭建了接觸網(wǎng)雷擊模型，并從雷擊接觸網(wǎng)、雷擊距加強線與接觸網(wǎng)連接點不同位置和雷擊跨距三方面對接觸網(wǎng)耐雷水平進行了分析，最后研究了不同避雷器安裝方案的防護效果。

綜上所棕，在分析和確定避雷器安裝位置和數(shù)目時，還應(yīng)根據(jù)鐵路具體情況，如雷電流幅值，接觸網(wǎng)歷年跳閘次數(shù)、地形、地質(zhì)等因素綜合考慮。

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