高速鐵路暫態模型搭建與仿真分析

樊春雷，郭小霞，李漢卿

0 引言

國內鐵路運營部門統計數據分析表明，雷擊鐵路沿線而引發的跳閘事故十分頻繁。其中，廣深線在1998—2001年發生雷擊接觸網跳閘140次；南昆線在1999年3—8月發生雷擊接觸網跳閘85次；2001年6月，武廣線英德—連江口區間因雷擊造成接觸網停止供電，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瓷瓶被雷擊，導致拉桿脫落，造成24 km接觸網停電，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，目前國內對接觸網防雷的研究非常少，且沒有統一的分析方法與應用措施。本文通過借助電磁暫態分析軟件PSCAD/EMTDC搭建接觸網系統電磁暫態模型，以期對雷電波在接觸網的傳播及擴散過程進行深入研究，從而提出接觸網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有避雷針保護，與牽引變電所相比，接觸網距離長、沿線地理環境復雜防雷薄弱。因此，本文重點研究高速鐵路牽引網防雷，選用線路參數如下：

接觸線型號CTMH150/高強高導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的雷擊特性。該段支柱的結構型式見圖1。該段鐵路位于城市郊區，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構形式示意圖

2 暫態模型搭建

2.1 雷電流模型

目前最廣泛應用的是雙指數函數模型，所以本文采用了雙指數函數模型，雷電流按規程取波頭/波尾為2.6/50 μs，其雙指數函數表達式

仿真模型見圖2。

圖2 雷電流仿真模型圖

2.2 接觸網系統模型

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，本文接觸網系統模型采用頻率相關模型。即采用 PSCAD /EMTDC中的“Tlines”分析模塊模擬，忽略導線電暈，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 絕緣子串閃絡模型

國內防雷計算中判斷絕緣子是否閃絡，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，過電壓超過絕緣的 50%放電電壓即判為閃絡。本文借助PSCAD/EMTDC電磁暫態分析軟件搭建的模型如圖4所示。

圖3 接觸網系統模型圖

圖4 絕緣子串的仿真模型圖

其絕緣子發生閃絡控制模塊如圖5所示。

圖5 絕緣子串閃絡控制模塊圖

接觸網絕緣子發生閃絡后電壓波形見圖6。

圖6 接觸網絕緣子串閃絡波形及控制信號圖

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。國內現行規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的電感與接地電阻相串聯。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 雷擊接觸網時的耐雷水平

雷擊接觸網的耐雷水平，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值要大于仿真結果10 kV。

3.2 不同避雷器安裝方式下接觸網的耐雷水平

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 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1個避雷器；方式4是在全線加強線絕緣子兩端并聯1個避雷器。

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

表1 接觸網耐雷水平統計表 單位：kA

由表1可得：加強線與接觸網連接點對于接觸網耐雷水平影響很小，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耐雷水平影響很大，當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。從最優投資出發在雷擊加強線時優先選用方式1。

雷擊跨距時，雷擊點到支柱的不同距離對接觸網耐雷水平影響見表2。

表2 接觸網耐雷水平統計表 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，當雷擊點距離支柱為15 m時，接觸網耐雷水平減小約80%，達到13 kA。且當距離增加到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 結束語

以高速鐵路為例，本文采用電磁暫態分析軟件系統搭建了接觸網雷擊模型，并從雷擊接觸網、雷擊距加強線與接觸網連接點不同位置和雷擊跨距三方面對接觸網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目時，還應根據鐵路具體情況，如雷電流幅值，接觸網歷年跳閘次數、地形、地質等因素綜合考慮。

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