环境因素对于牵引网雷电防护的影响分析

杨昱鑫，李泉

（兰州石化职业技术学院，甘肃兰州，730060）

0 引言

随着国家对于西部地区的大力开发，高速铁路里程及时速都在增加，这就要求了其线路需遇沟架桥、遇山穿洞，由此使得电气化铁路的牵引供电系统所经地貌千差万别，当高速行进的列车穿过一些雷暴日较多、落雷密度较大、地形结构复杂的区域时，很容易遭受直击雷或感应雷而发生重大事故，如“7·23”动车追尾事故[1,2]。

因此本文利用EMTP(电磁暂态仿真程序)建立雷击牵引网模型，通过仿真分析在不同的环境因素对于牵引网耐雷水平的影响，进而对高速铁路的安全防护建设提供参考性意见。

1 雷击牵引网模型建立

■1.1 软件选择

EMTP是电力系统中高电压等级的电力网络和电力电子仿真应用最广泛的程序，由于它的很多子模型都是经过现场测试论证过的，其可信度及精度毋庸置疑，因此本文在建立雷击牵引网模型时选择EMTP软件[3]。

■1.2 雷电流模型

目前对于雷电流的数学模型已有双指数函数模型、脉冲函数模型、Hidler函数模型等，经过对比分析可知，由于Hidler函数模型能够更好地反应雷电流的各项特征参数，因此，本文在后续的仿真测试中选择Hidler函数模型，表达式如下[4-6]：

式中，k为雷电流峰值修正系数；1τ为视在波头时间；2τ为视在波尾时间；Im为雷电流峰值；n为陡度因子。

■1.3 悬挂导线模型

牵引网的悬挂导线主要有承力索、接触线、正馈线和保护线等，它们间距不大，当某条线路受直击雷或感应雷冲击时，其线路参数会随着含高次谐波雷电流参数的改变而改变。经对比分析，本文选择能够计及频率特性的JMarti-LCC模型[7,8]。

■1.4 绝缘子闪模型

牵引网绝缘子不仅起绝缘作用，而且还可以承受相应的力矩。由于其安装位置不同，爬电距离及闪络电压也不同，本文采用电压控制开关来模拟绝缘子的闪络状态，图1为绝缘子被击穿时端电压的变化情况。

图1 牵引网绝缘子闪络波形图

■1.5 牵引网支柱模型

高速铁路牵引网支柱多为圆形钢柱，当牵引网受雷击后，绝缘子闪络致使雷电流沿钢柱经接地体泄入大地，而雷电流经钢柱传波的过程中，钢柱的阻抗变化较复杂，多层波阻抗模型能够更加真实地反映这一过程，所以，本文采用多层波阻抗模型对牵引网支柱进行建模。其计算公式为：

其中，R为牵引网支柱的半径；H为牵引网支柱的高度。

由于牵引网悬挂导线的空间几何位置不同，根据调研数据，用它们实际所处的位置将支柱分为四段建立模型如图2所示。

图2 牵引网支柱模型截图

■1.6 冲击接地电阻模型

接地体是雷电流泄入大地的最后一道阻碍，当牵引网受雷电过电压后，高幅值的雷电流在流经接地体时会使其周围土壤的电流密度J增加，进而场强E也随之增加，当大于临界值时击穿土壤，此时，冲击接地电阻的大小将随将随雷电流及土壤电阻率等因素的变化而动态变化。本文建模时选择如下表达式[5]：

其中，0R为低频电流下接地体的接地电阻；I为流过接地体的雷电流；ρ为土壤的电阻率；E0为土壤电离强度，通常取400kV m。

■1.7 避雷器模型

牵引网常用的是氧化锌避雷器，考虑到不同厂家生产的避雷器的几何尺寸存在差异，而Pinceti模型的侧重不在避雷器尺寸，因此选择其模型Pinceti如图3所示。

图3 Pinceti模型图

图3 中，R为氧化锌避雷器的泄漏电阻；0A、1A为可变电阻；0L、1L为电感。

根据牵引网供电原理及结构，利用各个子模型，最后搭建并调试得雷击牵引网整体模型如图4所示。

图4 雷击牵引网仿真模型

2 环境因素对牵引网耐雷水平的影响分析

牵引网的耐雷水平与接地电阻的大小直接相关，而接地电阻又与环境因素相关，下面将分析不同环境因素影响下，通过接地电阻变化而引起的耐雷水平的变化情况。

■2.1 土壤含水量

土壤含水量的变化主要受当地降雨量、气温、土壤类型等因素的影响。

根据表1所示相关数据，利用EMTP探针测得雷击牵引网支柱和悬挂导线时AF线（正馈线）及T线（接触线）耐雷水平，在Matlab中拟合得牵引网耐雷水平与土壤含水量的变化曲线如图5、图6所示。

表1 不同含水量下的土壤电阻率

图5 雷击牵引网支柱

图6 雷击牵引网悬挂导线

由图5和图6可以看出，当土壤含水量由低至高变化时，牵引网的耐雷水平也随之升高，且土壤含水量相同时，T线耐雷水平高于AF线的耐雷水平。

■2.2 气温

不同的季节、不同的时间点，气温变化幅度较大，而不同的气温下土壤骨架中孔隙水的含量不同，进而导致土壤电阻率不同。

根据表2所示实验数据，选择不同气温所对应的土壤电阻率，利用EMTP探针测得雷击牵引网支柱和悬挂导线时AF线和T线的耐雷水平，经Matlab拟合得牵引网耐雷水平随气温的变化曲线如图7、图8所示。

表2 不同气温下的土壤电阻率

由图7和图8可以看出，当气温从低到高变化时，牵引网的耐雷水平也随之缓慢上升，且气温相同时，T线耐雷水平高于AF线的耐雷水平。

图7 雷击牵引网支柱

图8 雷击牵引网悬挂导线

■2.3 土壤类型

根据在相关区域的调研以及相关资料可知，高速铁路牵引网支柱的接地体大多深埋在黄土、砂土、砾土、砂、砂石中。

根据表3所示相关数据选择不同土壤类型所对应的电阻率，将这5种土壤依此编号为11，22，33，44，55。利用EMTP探针测得雷击牵引网支柱和悬挂导线时AF线和T线的耐雷水平，经Matlab拟合得牵引网耐雷水平与土壤类型的关系如图9、图10所示。

表3 不同土壤类型下的土壤电阻率

由图9和图10可以看出，不同的土壤其电阻率差异较大，进而对于牵引网耐雷水平的影响也较大，不管是雷击牵引网支柱还是雷击悬挂导线，当接地体置于以下土壤中时，牵引网的耐雷水平从低至高依次为：黄土、砂石、砂土、砂、砾土。

图9 雷击牵引网支柱

3 结论

通过利用EMTP仿真不同环境因素下的牵引网耐雷水平可知：(1)牵引网耐雷水平受环境因素影响较大，且随当地的气温、土壤的含水量正相关变化。(2)只有当接地体置于黄土中时，牵引网耐雷水平较低，因此可以用更换接地体周围土壤或采用亲水材料来改善接地环境从而来提高牵引网的耐雷水平。(3)在相同的环境因素下，由于空间几何位置影响，接触线耐雷水平总是高于正馈线耐雷水平，因此需加强对于正馈线的防护。

图10 雷击牵引网悬挂导线