接地方式對(duì)高速動(dòng)車組車體雷電過電壓影響研究

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(1. 中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062；2. 西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)高速動(dòng)車組過電壓產(chǎn)生原因及預(yù)防措施進(jìn)行了大量的研究。Hatsukade.S等人對(duì)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(duì)列車軸承電蝕的原因進(jìn)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(duì)35 kV真空斷路器開斷空載變壓器時(shí)過電壓進(jìn)行了研究，分析了暫態(tài)過程、過電壓的特點(diǎn)，以及變壓器、真空斷路器參數(shù)對(duì)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(duì)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(jì)中，應(yīng)盡量避免斷路器斷口間和斷口對(duì)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(dòng)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(shí)動(dòng)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(jì)方案下車體雷電過電壓的變化規(guī)律。

1 模型建立

1.1 動(dòng)車組高壓系統(tǒng)

某型動(dòng)車組為動(dòng)力分散、交流傳動(dòng)電動(dòng)車組。其中8輛為一個(gè)編組，采用4動(dòng)4拖(2、4、5、7號(hào)車為動(dòng)車，1、3、6、8號(hào)車為拖車)。動(dòng)車組采用單弓受流，另一受電弓處于折疊狀態(tài)。動(dòng)車組通過2號(hào)或7號(hào)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(hào)和6號(hào)車牽引變壓器的一次側(cè)，整流逆變后傳送到牽引電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行。圖1給出了動(dòng)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(dòng)車組接地系統(tǒng)

為了保持動(dòng)車組車體低電位，在動(dòng)車組車底與軸端之間安裝了動(dòng)車組接地系統(tǒng)，不同車型接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)各有不同。研究的動(dòng)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(duì)過電壓波形的衰減變形作用，雷電過電壓波前時(shí)間將延長(zhǎng)，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(dòng)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(dòng)車組高壓系統(tǒng)以及車體上，引起動(dòng)車組高壓設(shè)備和車體雷電過電壓。

動(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)其動(dòng)作過程的模擬。

仿真電路中動(dòng)車組車廂兩端連接線電阻Rj=0.001 Ω；經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，鋼軌單位長(zhǎng)度電阻阻值為R=0.0734 Ω/m，電感值為L(zhǎng)=0.143 μH/m，Rr和Lr為每節(jié)車體所對(duì)應(yīng)鋼軌的電阻和電感；利用高精度RLC測(cè)試儀測(cè)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?jiǎng)榆嚱M頭車(TC01車和TC08車)車廂長(zhǎng)度為25.86 m，中間6節(jié)車廂長(zhǎng)度為24.83 m，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型將8節(jié)車體的車廂長(zhǎng)度均近似為25 m。

圖3 仿真電路圖

2 動(dòng)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(dòng)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(diǎn)傳播至動(dòng)車組車體引起動(dòng)車組車體雷電過電壓。圖4～圖5為動(dòng)車組升3號(hào)車受電弓時(shí)，仿真得出的動(dòng)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(shì)。動(dòng)車組3號(hào)車、4號(hào)車、5號(hào)車、6號(hào)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(hào)車過電壓最大，這是由于雷電過電壓傳播至動(dòng)車組車載避雷器后，由于過電壓幅值超過避雷器動(dòng)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(diǎn)雷電過電壓傳播至每一節(jié)車體。

動(dòng)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(huì)沿車間連接線傳播，根據(jù)仿真結(jié)果離3號(hào)車越遠(yuǎn)的車體其雷電過電壓也較小。

3 接地方式對(duì)車體雷電過電壓的影響

根據(jù)過電壓產(chǎn)生的機(jī)理，減小兩點(diǎn)之間的電阻電感值大小可以減小其兩點(diǎn)之間的過電壓幅值。因此為了減小動(dòng)車組車底-軸端之間的車體雷電過電壓，設(shè)計(jì)了如圖6所示的動(dòng)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(dòng)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(duì)比。可以看出，改變的接地系統(tǒng)對(duì)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(duì)高速鐵路接觸網(wǎng)遭受雷擊時(shí)，動(dòng)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(jì)方式。研究結(jié)果表明，動(dòng)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(hào)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(hào)車體越遠(yuǎn)，車體雷擊過電壓幅值越小。在改變的動(dòng)車組接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案下，動(dòng)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(dá)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