牵引网避雷器安装位置仿真研究

牵引供电系统是电气化铁路的能源供给系统，而牵引网又是牵引供电系统的重要组成部分，它直接供能于电力机车，伴随铁路铺设而沿途架设，没有备用，且裸露于自然环境中，当列车经过一些条件恶劣、地形复杂、雷电活动较频繁的地区时,很容易遭受雷电灾害的影响而发生事故，如“7·23”动车追尾事故[1-3]。

牵引网雷电防护，除了针对环境因素要改善接地系统外，还需安装避雷器进行辅助保护，而现有国标对于避雷器的安装地点只是针对于牵引网的一些重要部位，而未做全面分析。由于正馈线易受雷击且耐雷水平较低[4]，因此本文将以正馈线绝缘子的防护为重点，利用ATP-EMTP建立雷击牵引网模型，仿真分析避雷器在不同安装位置下对于雷击牵引网的防护效果。

1雷击牵引网模型构建

1.1 EMTP软件

本文在建立雷击牵引网模型时采用的是EMTP(Electro-Magnetic Transients Program，电磁暂态仿真程序)，它是国际公认的电力系统电磁暂态分析的标准程序，其计算精度经过了IEEE和CIGRE等国际权威组织的认定，因此计算结果的可信性很高[5]。

1.2雷电流模型

对于雷电流的数学模型本文选择1995年国际电工委员会在其发表的标准IEC-1文件中推荐用于分析输电线路雷击事故的Hidler函数模型，它的表达式为[6]：

i(t)=kIm[(t/τ1)n/(1+(t/τ1)n)]e(-t/τ2)

式中k为雷电流峰值修正系数；

τ1、τ2分别为视在波头时间和视在波尾时间，μs，取我国《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T620-1997)中推荐采用的2.6/50μs；

Im为雷电流峰值，kA；

n为雷电流陡度因子。

雷电流波形如图1所示。

图1 Hidler雷电流波形

1.3悬挂导线模型

由于雷电流波形中含有大量的高次谐波，当牵引网受到雷电冲击时，线路的参数都随频率的变化而变化，而此时沿线路传播的雷电流还会发生衰减和畸变。因此，本文选择考虑频率特性的JMarti-LCC模型，牵引网悬挂导线的参数如表1所示。

表1悬挂导线参数导线用途导线型号截面积/mm2计算外径/mm直流电阻/20°Ω/km单位长度质量/kg/km承力索JTMH-．00．．0正馈线JL/LB1A-200-26/．40．．2保护线JL/LB1A-156-26/．40．．8

由于承力索和接触线是通过吊弦相连接，它们是并联结构，因此，将它当做2分裂导线处理[7]。

1.4绝缘子闪络模型

牵引网跨距约为50m，支柱设立较为密集，绝缘子数量众多。为了简化模型，采用电压控制开关模型，图2为绝缘子闪络击穿时其端电压的变化波形。

图2牵引网绝缘子闪络波形图

由图2可以看出，在0时，绝缘子只承受牵引网工频电压，约为25kV，当绝缘子受到高幅值的雷电流冲击时，绝缘子端电压发生突变，开始迅速上升，进而瞬间下降为0kV，绝缘子闪络。

1.5支柱模型

由于多层波阻抗模型在垂直导体的不同高度处，其波阻抗是不同的，它最能体现雷电波沿杆塔的传播与衰减，与实际情况最为接近。因此，采用多层波阻抗模型对牵引网支柱进行建模。牵引网支柱波阻抗Z的计算采用IEEE和CIGRE推荐公式[8,9]：

Z=60ln cot[0.5 arctan(R/H)]

式中R为牵引网支柱的等效半径，m；

H为牵引网支柱的高度，m。

图3牵引网支柱模型截图

由于牵引网正馈线、保护线、承力索和接触线分别处于支柱的不同位置，它们或者是通过绝缘子与支柱相连，或者是直接与支柱相连，因此，可以通过它们所处的位置将支柱分为四段建立模型如图3所示。

1.6冲击接地电阻模型

当牵引网遭受雷击后，雷电流通过接地体泄入大地， 在这个击穿区域内，接地装置及其周围土壤的结构非常复杂，冲击接地电阻将随泄散雷电流的大小以及土壤电阻率的变化而变化。本文选择IEC所推荐的非线性电阻对其进行近似估算，表达式为[10]：

式中R0为低频电流下接地体的接地电阻，Ω；

I为流过接地体的雷电流，kA；

ρ为土壤的电阻率，Ω·m；

E0为土壤电离强度，通常取400kV/m[11]。

图4为冲击接地电阻随雷电流幅值以及土壤电阻率的变化曲线。

图4冲击接地电阻随土壤电阻率及雷电流幅值的变化趋势

当雷电流幅值一定，土壤电阻率增大时，冲击接地电阻增大；当土壤电阻率一定时，雷电流幅值增大，冲击接地电阻减小。

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