環境因素對于牽引網雷電防護的影響分析

楊昱鑫，李泉

（蘭州石化職業技術學院，甘肅蘭州，730060）

0 引言

隨著國家對于西部地區的大力開發，高速鐵路里程及時速都在增加，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所經地貌千差萬別，當高速行進的列車穿過一些雷暴日較多、落雷密度較大、地形結構復雜的區域時，很容易遭受直擊雷或感應雷而發生重大事故，如“7·23”動車追尾事故[1,2]。

因此本文利用EMTP(電磁暫態仿真程序)建立雷擊牽引網模型，通過仿真分析在不同的環境因素對于牽引網耐雷水平的影響，進而對高速鐵路的安全防護建設提供參考性意見。

1 雷擊牽引網模型建立

■1.1 軟件選擇

EMTP是電力系統中高電壓等級的電力網絡和電力電子仿真應用最廣泛的程序，由于它的很多子模型都是經過現場測試論證過的，其可信度及精度毋庸置疑，因此本文在建立雷擊牽引網模型時選擇EMTP軟件[3]。

■1.2 雷電流模型

目前對于雷電流的數學模型已有雙指數函數模型、脈沖函數模型、Hidler函數模型等，經過對比分析可知，由于Hidler函數模型能夠更好地反應雷電流的各項特征參數，因此，本文在后續的仿真測試中選擇Hidler函數模型，表達式如下[4-6]：

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

■1.3 懸掛導線模型

牽引網的懸掛導線主要有承力索、接觸線、正饋線和保護線等，它們間距不大，當某條線路受直擊雷或感應雷沖擊時，其線路參數會隨著含高次諧波雷電流參數的改變而改變。經對比分析，本文選擇能夠計及頻率特性的JMarti-LCC模型[7,8]。

■1.4 絕緣子閃模型

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

圖1 牽引網絕緣子閃絡波形圖

■1.5 牽引網支柱模型

高速鐵路牽引網支柱多為圓形鋼柱，當牽引網受雷擊后，絕緣子閃絡致使雷電流沿鋼柱經接地體泄入大地，而雷電流經鋼柱傳波的過程中，鋼柱的阻抗變化較復雜，多層波阻抗模型能夠更加真實地反映這一過程，所以，本文采用多層波阻抗模型對牽引網支柱進行建模。其計算公式為：

其中，R為牽引網支柱的半徑；H為牽引網支柱的高度。

由于牽引網懸掛導線的空間幾何位置不同，根據調研數據，用它們實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，當牽引網受雷電過電壓后，高幅值的雷電流在流經接地體時會使其周圍土壤的電流密度J增加，進而場強E也隨之增加，當大于臨界值時擊穿土壤，此時，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態變化。本文建模時選擇如下表達式[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為土壤電離強度，通常取400kV m。

■1.7 避雷器模型

牽引網常用的是氧化鋅避雷器，考慮到不同廠家生產的避雷器的幾何尺寸存在差異，而Pinceti模型的側重不在避雷器尺寸，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。

根據牽引網供電原理及結構，利用各個子模型，最后搭建并調試得雷擊牽引網整體模型如圖4所示。

圖4 雷擊牽引網仿真模型

2 環境因素對牽引網耐雷水平的影響分析

牽引網的耐雷水平與接地電阻的大小直接相關，而接地電阻又與環境因素相關，下面將分析不同環境因素影響下，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地降雨量、氣溫、土壤類型等因素的影響。

根據表1所示相關數據，利用EMTP探針測得雷擊牽引網支柱和懸掛導線時AF線（正饋線）及T線（接觸線）耐雷水平，在Matlab中擬合得牽引網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 雷擊牽引網支柱

圖6 雷擊牽引網懸掛導線

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

■2.2 氣溫

不同的季節、不同的時間點，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，進而導致土壤電阻率不同。

根據表2所示實驗數據，選擇不同氣溫所對應的土壤電阻率，利用EMTP探針測得雷擊牽引網支柱和懸掛導線時AF線和T線的耐雷水平，經Matlab擬合得牽引網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，當氣溫從低到高變化時，牽引網的耐雷水平也隨之緩慢上升，且氣溫相同時，T線耐雷水平高于AF線的耐雷水平。

圖7 雷擊牽引網支柱

圖8 雷擊牽引網懸掛導線

■2.3 土壤類型

根據在相關區域的調研以及相關資料可知，高速鐵路牽引網支柱的接地體大多深埋在黃土、砂土、礫土、砂、砂石中。

根據表3所示相關數據選擇不同土壤類型所對應的電阻率，將這5種土壤依此編號為11，22，33，44，55。利用EMTP探針測得雷擊牽引網支柱和懸掛導線時AF線和T線的耐雷水平，經Matlab擬合得牽引網耐雷水平與土壤類型的關系如圖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，進而對于牽引網耐雷水平的影響也較大，不管是雷擊牽引網支柱還是雷擊懸掛導線，當接地體置于以下土壤中時，牽引網的耐雷水平從低至高依次為：黃土、砂石、砂土、砂、礫土。

圖9 雷擊牽引網支柱

3 結論

通過利用EMTP仿真不同環境因素下的牽引網耐雷水平可知：(1)牽引網耐雷水平受環境因素影響較大，且隨當地的氣溫、土壤的含水量正相關變化。(2)只有當接地體置于黃土中時，牽引網耐雷水平較低，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境從而來提高牽引網的耐雷水平。(3)在相同的環境因素下，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，因此需加強對于正饋線的防護。

圖10 雷擊牽引網懸掛導線