高铁变电所设备雷电侵入波防护分析

吴政南，程远胜

（1武汉东湖学院 电子信息工程学院，武汉430212；2长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，武汉430010）

高铁变电所设备雷电侵入波防护分析

吴政南1，程远胜2

（1武汉东湖学院 电子信息工程学院，武汉430212；2长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，武汉430010）

高速铁路的快速发展伴随日益严重的雷电灾害事故，为了合理保护高铁变电所电气、信号设备，需要研究雷电侵入波对其危害。利用EMTP软件搭建了高铁接触网线模型，分析线路、设备前端安装避雷器防护效果，最后隔离变压器起到设备末端精细保护的作用。仿真结果表明：高铁接触网安装避雷器能够降低接触网过电压，其防护效果与避雷器安装密度、距雷击点距离有关；变电所设备前端安装SPD不能够实现过电压完全防护，残压仍然较高；安装隔离变压器能够进一步衰减侵入波过电压，同时有效抑制过电压高频成分。隔离变压器与终端SPD配合可以有效保护变电所设备。

雷电电涌；高铁；避雷器；隔离变压器

0 引言

截止到2016年底，我国高速铁路里程已达到2.2万公里，居世界第一[1]。当前中国高铁发展已经进入新阶段，保障高铁的安全、可靠运行对于推动社会经济更好的发展意义重大。雷电是威胁高铁安全发展的重要因素，高铁牵引供电系统遭受雷击引起线路跳闸事件时有发生[2－4]。相关数据表明，仅2011年7—8月，京沪高铁徐州至虹桥段就因雷击跳闸214次，占全部跳闸次数的93%[5]。雷击除了引起跳闸之外，雷电电涌沿线路侵入还会损坏接触网设备，7·23甬温线特别重大铁路交通事故就是因为雷电损坏信号设备造成通信故障所导致。

目前，针对高铁接触网雷击特性研究主要集中在线路耐雷水平、雷击跳闸率[6-9]等方面，对于变电所设备的雷电电涌防护研究较少。相关规范和设计指南[10-11]规定了安装金属氧化物避雷器，但是对于安装数量、效果没有深入分析。

笔者利用ATP-EMTP软件[12]搭建高铁接触网模型，分析安装避雷器、隔离变压器对牵引变电所设备雷电电涌的保护效果，为高铁变电所设备的雷电过电压防护提供参考。

1 仿真模型

完整的高铁牵引供电系统包括接触网线、支柱、绝缘子、避雷器和设备终端。

1.1 接触网模型

图1给出了高速铁路接触网示意图。仿真采用单线供电方式。牵引网包括AF线和T线两条馈线，T线由承力索和其下方接触线构成。AF线下方还设有起回流保护作用的PW线[13-14]。接触网档距为50m，AF线、承力索、接触线和PW线相对铁路轨面高度分别为 8.4m、8.1m、6.7m 和 7.0m[2]。

图1 高速铁路接触网模型Fig.1 Model of high speed railway catenary

雷电流波形频谱丰富，而接触网线路参数受频率的影响很大，为了反映波形受频率影响在线路中传播时发生衰减和畸变，选用Jmarti线路模型来反映频率与线路参数的关系以及分布的损耗特性。仿真中将T线按二分裂导线处理以代替承力索和接触线[9]。T线型号为CTHA120，PW线型号为LGJ120，AF线型号为LGJ240。

1.2 支柱与绝缘子串模型

接触网支柱仿真时采用波阻抗模型，波阻抗通过下式计算[15]：

式中：h为支柱高度，m；r为支柱半径，m。杆塔的接地电阻用工频接地电阻近似代替，取4Ω[16]。

线路绝缘子串闪络的判据采用判据法，当绝缘子串两端电位差超过绝缘子50%冲击击穿电压时，绝缘子串发生闪络。绝缘子采用4片盘式绝缘子，50%冲击击穿电压354 kV[9]。

1.3 避雷器模型

目前线路广泛采用的过电压防护设备是金属氧化物避雷器，其流过电流与电压间的关系服从下式规律：

式中：ib为陡波电流，kA；p、q 是常数；q 的典型值为20～30；Uref为参考电压，通常取额定电压的2倍或接近于2倍的值。线路避雷器直流参考电压U1mA为84 kV，10 kA时为240 kV[9]。变电所设备终端侧SPD直流参考电压U1mA为1.2 kV，10 kA时为2.6 kV。

1.4 雷电流模型

雷电流波形采用Heidler函数[17]表示，表达式为

式中：I0为峰值电流，kA；τ1和τ2分别为波头时间常数和波尾时间常数，μs；n为电流陡度因子，一般情况下取n=2或10。雷电流通道的波阻抗和雷电流幅值紧密相关，根据GB50064-2014给出的波阻抗随雷电流幅值变化规律[18]确定。

2 仿真结果分析

图2给出了雷击接触网时雷击点处过电压与变电所前终端支柱处过电压波形。雷击点距终端支柱500m，每隔250m安装一组避雷器；雷电流幅值为10 kA，波形 2.6/50 μs。

图2 接触网过电压Fig.2 Waveforms of overvoltage on the catenary

由图2可以看出，终端支柱处接触网过电压峰值到达时间有所推迟，幅值也衰减至雷击点过电压的1/3，这主要是因为线路过电压高频分量的衰减和沿线避雷器对雷电流泄放。

图3给出了不同避雷器安装方式和不同雷击点距离对接触网过电压的影响。

图3 不同避雷器安装方式对过电压影响Fig.3 Effect of different surge arrestermodel

由图3可以看出，接触网安装避雷器能起较好的过电压防护作用，避雷器安装越密，防护效果也明显。但是避雷器对电涌过电压的衰减程度随着到雷击点距离的增大而减小，因为避雷器保护范围有一定限制。

图4给出了距终端支柱100 m处变电所设备安装SPD保护后侵入波过电压的时域和频域波形。

图4 终端设备过电压波形Fig.4 Waveforms of overvoltage on terminal equipment

由图4看出，虽然终端设备安装SPD后，沿线侵入波过电压得到了大幅的抑制，但是过电压幅值超过了6 kV，高频成分仍较多，不能实现对设备的完全保护。对于设备终端而言，末端支柱处侵入波过电压幅值仍然较高，需要进一步降低，可以增加避雷器的安装密度，但这也会增加建设成本和后续维护费用。

3 隔离变压器防护

除了安装避雷器外，可以在设备终端安装隔离变压器实现变电所设备过电压的绝缘保护[19]。图5和图6分别给出了隔离变压器的防护方式与等效电路模型[20]。

图5 隔离变压器保护方式Fig.5 Protectionmodel of the insulation transformer

图6 隔离变压器模型Fig.6 Equivalent circuitmodel of the insulation transformer

图7给出了雷击点距终端支柱500 m处接触网时，隔离变压器次级过电压波形和频率特性。雷电波波形取2.6/50μs波形，幅值取10 kA。

由图7可以看出，安装隔离变压器后，次级线圈电压远低于初级电压，设备终端过电压进一步得到了大幅衰减，频率在100 kHz以上电涌过电压成分也被抑制。隔离变压器与终端SPD配合作为设备末端保护设备，能够有效弥补SPD防护不足，使设备得到可靠保。

图7 隔离变压器防护效果Fig.7 Protection effect of the insulation transformer

4 结论

通过ATP-EMTP软件搭建高铁接触网模型，分析了安装避雷器、隔离变压器对牵引变电所设备雷电电涌的保护效果。得到如下结论：

1）接触网安装避雷器能够降低接触网过电压，但是防护效果与避雷器安装密度、距雷击点距离有关。

2）设备前端安装SPD一定程度上降低了侵入波过电压，但是残压幅值仍然较高，高频成分较多。

3）设备前端安装隔离变压器能够大幅度衰减侵入波过电压，同时有效抑制过电压高频成分。

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Analysis of Lightning Invaded W ave Protection for Equipment in High-Speed Railway Substation

WU Zhengnan1，CHENG Yuansheng2
（1.School of Electronics and Information Engineering,Wuhan Donghu University,Wuhan 430212,China；2.The Hydrological and Water Resources Survey Bureau of the Middle Changjiang River,ChangjiangWater Resources Commission,Wuhan 430010,China）

The rapid development of high－speed railway is shadowed by lightning disasters.In order to protect the electric and signal equipment in high－speed railway substation properly,it is necessary to study the lightning surge characteristic.Themodel of typical high－speed railway catenary is established in EMTP.The protection effects of surge arrester installed on high－speed railway catenary and equipment front end are analyzed.Fine protection effect of isolation transformer on equipment terminal is also discussed.The simulation results show that：installation of arrester can reduce the catenary overvoltage,the protective effect is related to the arrester installation density and the distance from the lightning point;The installation of isolation transformers can further attenuate the incoming wave overvoltages while effectively suppressing overvoltage and high frequency components.It is reliable to protect terminalequipmentbymeans of cooperation between SPD and isolation transformer.

lightning surge； high－speed railway； surge arrester； isolation transformer

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.04.008

2017－01－03

吴政南 （1981—），女，讲师，研究方向：电工技术。

武汉东湖学院“通信与信息工程”湖北省重点实验教学示范中心项目。