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(1. 中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062；2. 西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031；3. 西南交通大学物理科学与技术学院，四川 成都 610031；4. 西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

国内外相关学者针对高速动车组过电压产生原因及预防措施进行了大量的研究。Hatsukade.S等人对列车车体浪涌电压的研究结果表明，车顶高压电缆与车体间的电气连接，以及车体接地系统高阻抗是列车车体浪涌过电压的主要来源[1-2]；Charles Mulertt等人对列车轴承电蚀的原因进行了分析，指出过电压冲击是导致轴承电蚀的主要原因[3]；安昌萍等人对35 kV真空断路器开断空载变压器时过电压进行了研究，分析了暂态过程、过电压的特点，以及变压器、真空断路器参数对过电压的影响[4]；邵冲等人研究了断路器结构参数对GIS中特快速暂态过电压波形的影响，提出了在断路器的设计中，应尽量避免断路器断口间和断口对地可能出现的谐振过电压[5]。

利用电磁暂态仿真软件建立了雷电流等效模型、车载氧化锌避雷器等效模型、动车组车体电阻电感等值电路，通过仿真研究了雷击接触网时动车组车体车顶-车底之间、车底-轴端之间雷电过电压波形特征，分析了新的接地设计方案下车体雷电过电压的变化规律。

1 模型建立

1.1 动车组高压系统

某型动车组为动力分散、交流传动电动车组。其中8辆为一个编组，采用4动4拖(2、4、5、7号车为动车，1、3、6、8号车为拖车)。动车组采用单弓受流，另一受电弓处于折叠状态。动车组通过2号或7号车受电弓从接触网获取电能，通过高压断路器、高压互感器、避雷器等设备后，经高压电缆分别传输到3号和6号车牵引变压器的一次侧，整流逆变后传送到牵引电机，从而驱动列车运行。图1给出了动车组主电路结构图，变压器一次侧末端经车轴上的接地碳刷入地，从而回流至牵引变电所。

1.2 动车组接地系统

为了保持动车组车体低电位，在动车组车底与轴端之间安装了动车组接地系统，不同车型接地系统设计各有不同。研究的动车组接地系统布置如图2所示。在M02车和MH04车，MB05车和M07车车底和轴端分别设置电阻大小为100 mΩ的接地电阻器；TP03车和TP06车以及TC01车和TC08车则采用通过电缆直接连接车底和轴端的方式来保持车体的低电位。

1.3 雷电流参数

雷击接触网后，由于接触网导线电阻电感对过电压波形的衰减变形作用，雷电过电压波前时间将延长，波前陡度将减小。考虑一定的安全裕度，采用幅值大小为5 kA、参数为8/20 μs的双指数函数模型来模拟传播至动车组受电弓上的雷电流为：

i(t)=AIm(eαt-eβt)

(1)

Im为雷电流幅值。

1.4 仿真模型

雷击接触网后，过电压沿接触线传播至动车组高压系统以及车体上，引起动车组高压设备和车体雷电过电压。

动车组车体雷电过电压仿真电路图如图3所示，模型中VCB为动车组车载真空断路器，MOA为车载氧化锌避雷器，为模拟避雷器的非线性伏安特性采用IEEE模型实现其动作过程的模拟。

仿真电路中动车组车厢两端连接线电阻Rj=0.001 Ω；经现场测量，钢轨单位长度电阻阻值为R=0.0734 Ω/m，电感值为L=0.143 μH/m，Rr和Lr为每节车体所对应钢轨的电阻和电感；利用高精度RLC测试仪测得接地电阻器电阻Rd=0.1 Ω和寄生电感Ld=8.6 μH；接地碳刷电阻Rt=0.001 8 Ω；已知动车组头车(TC01车和TC08车)车厢长度为25.86 m，中间6节车厢长度为24.83 m，为简化计算模型将8节车体的车厢长度均近似为25 m。

图3 仿真电路图

2 动车组车体雷电过电压仿真结果

图4 车顶-车底之间车体雷电过电压

传播至动车组高压系统的雷电过电压将通过高压电气设备在车体上的接地点传播至动车组车体引起动车组车体雷电过电压。图4～图5为动车组升3号车受电弓时，仿真得出的动车组车体车顶与车底之间、车底与轴端之间的雷电过电压波形，可以发现车体雷电过电压波形呈现震荡衰减变化趋势。动车组3号车、4号车、5号车、6号车车体车顶-车底之间雷电过电压幅值分别为14.13 kV，1.55 kV，2.15 kV，3.81kV；车底-轴端之间雷电过电压幅值分别为7.25 kV，2.92 kV，1.6 kV，1.78 kV。

比较不同车体雷电过电压幅值大小可以发现车顶-车底之间、车底-轴端之间雷电过电压均为3号车过电压最大，这是由于雷电过电压传播至动车组车载避雷器后，由于过电压幅值超过避雷器动作电压，避雷器两端导通呈低阻状态，雷电过电压经过避雷器传播至车体上。另一方面，雷电过电压在车顶高压电缆传播过程中引起高压电缆屏蔽层雷电过电压，通过高压电缆屏蔽层在车体的接地点雷电过电压传播至每一节车体。

动车组通过车间连接线保持不同车体间的电位相同，过电压会沿车间连接线传播，根据仿真结果离3号车越远的车体其雷电过电压也较小。

3 接地方式对车体雷电过电压的影响

根据过电压产生的机理，减小两点之间的电阻电感值大小可以减小其两点之间的过电压幅值。因此为了减小动车组车底-轴端之间的车体雷电过电压，设计了如图6所示的动车组车体接地系统，与现有接地系统的最大区别为在M02车和MH04车，MB05车和M07车车底和轴端之间直接通过电缆连接而不通过接地电阻器。

图5 车底-轴端之间车体雷电过电压

图6 改变后的接地系统布置图

图7～8为原接地系统与改变的接地系统两种情况下，动车组车体车顶-车底之间、车底-轴端之间雷电过电压幅值大小对比。可以看出，改变的接地系统对车顶-车底之间车体雷电过电压影响较小，车底-轴端之间车体雷电过电压影响较大，这与理论分析相一致。

4 结束语

本论文通过仿真模拟对高速铁路接触网遭受雷击时，动车组车体雷电过电压开展研究，并提出了一种新的接地系统设计方式。研究结果表明，动车组车体雷电过电压波形基本呈震荡衰减变化，其中车顶-车底之间车体雷电过电压要大于车底-轴端之间雷电过电压。不同车体间3号车体雷电过电压比其他几节车体雷电过电压幅值要大，而且距离3号车体越远，车体雷击过电压幅值越小。在改变的动车组接地系统设计方案下，动车组车体车顶-车底之间雷电过电压变化较小，车底-轴端之间雷电过电压变化较大，最大衰减幅度达到其原值的27%，有效地降低了车体过电压。

图7 车顶-车底之间过电压幅值

图8 车底-轴端之间过电压幅值