接触网受雷击时的列车安全监测与控制

接触网受雷击时的列车安全监测与控制

近年来，随着经济的快速发展，人们对铁路列车的安全性、舒适度和速度提出了更高的要

求。高速铁路应运而生，经过若干年的发展，我国岛•速铁路的技术逐渐成熟，建设高速铁

路将是未来铁路的发展趋势，同时高速铁路的运营安全性得到人们的日益关注。我国高速

铁路大都架设在空旷的野外和高架桥匕没有避雷线的防护，并且高速铁路线路分布地域

广，接触网遭受雷击的概率较大C在列车行驶的接触网段遭受雷击时，接触网过电乐将会

向车体内传输。高速铁路架设在高架桥匕延长了综合地线的长度，增加了高速铁路接地

线的电阻和电感，接地电流较大时引起钢轨电位抬升。列车内的信号监测与控制等电气设

备都是以车体作为“信号地”，列车车体过电压将会危害车内电气设备的安全，影响列车

的安全运行。目前.，国内学者致力于研究接触网过电压产生因素，对过分相、雷击等工况

时接触网过电压产生机理进行了详尽阐述，但是缺乏对于接触网过电压对列车车体电压的

影响分析。Hatsukade分析研究了列车在升降弓时车体浪涌过电压的产生因素，并提出了

针对浪涌过电压的抑制方法。但车体浪涌过电压与雷击接触网车体过电压产生机理不同，

车体浪涌电流与雷电流在顽率和幅值上存在一定的差异，浪涌过电压的抑制方法并不能较

好地适用于抑制雷击接触网车体过电压。因此，为确保高速列车的运行安全可靠，有必要

对高速列车车体过电压产生原因进行进一步分析与研究。本文基于高速列车的车体接地方

式，分析雷击接触网时引起列车车体电位突变的机理，并提出相应的降低车体电位的建议。

1高速列车的主电路分析

1.1受电弓液压系统

图1所示是8编组的高速列车结构图，2号、3号、6号和7号车体为动车，其余车体为拖

车。正常运行时，列车采用单弓受流，另一台受电弓备用，处于折叠状态。列车通过受电

弓接受电流后，经过高压电缆、主断路器，将电流传送到2号和6号车厢的主变压器，经

整流逆变过程，传送至牵引电机，驱动列车前进。2号、3号动车与6号、7号动车组成两

个动力单元，图2给出6号、7号车组成的动力单元主电路结构图，左边为车顶有受电弓

车厢底部安装有主变压器的6号车体，右边为7号车体，两车体之间有跳线进行电与连接.

1.2高速列车微生物接地电阻分析

列车通过受电弓从接触网接受的电流供给车载电气设备使用后经车体接地系统流入钢轨，

并通过综合贯通地线入地：将电流回流至牵引变电所。为避免车体接地系统中的电流流过

轴承，防止轴承电剥蚀，轴承箱与转向架联接处有橡胶绝缘。在正常情况下，车体通过接

地碳刷与车轴上的集电环相连，碳刷装置与车轴组成车体的接地系统

接地碳刷接触电阻不稳定：碳刷滑动接触电阻的变化使不同车体接地电阻不相等，造成各

动车车体接地电流不相等。接地电阻小的车体其接地电流大，流过该车体碳刷中的电流大,

引起碳刷发热过快，加速了碳刷的磨损，影响碳刷接触性能。碳刷接触性能降低，车体接

地系统电阻增加，车内电流可能会通过转向架与轴承箱处的绝缘橡胶泄漏到轴承箱，通过

轴承，造成轴承电腐蚀。为防止接地碳刷的异常磨损、轴承电腐蚀，高速列车车体采用串

联接地电阻器的接地方式：在车体与电刷之间串联等值的电阻器(图2中的R)。接池电

阻器的阻值远大于碳刷接触电阻，稳定了车体接地电阻，使车体接地电流均匀，防止接地

碳刷的异常磨损、轴承电腐蚀。

2车辆过载分析

2.1电力流流过物体，物体的电位上升

2.1.1车载避雷器等效分析

高速列车车体通过碳刷与钢轨相连，每个车体车轴上有4个碳刷，4个碳刷对称分布在车

底，都通过接地电阻器与车体连接。将每个车体车轴上的4个碳刷等效为1个接触电阻，

车体等效为1个阻抗。图3所示是雷电流注入高速列车的等效电路结构图，Rc为车体阻抗,

Rj为车体接地系统电阻(接地电阻器电阻和碳刷滑动接触等效电阻之和)，R1和R3为相

邻车体间连线电阻，R2是4和5号车体以及车体间连线阻抗总和，雷电流等效为一个高频

冲击电流源。

车载避雷器采用氧化锌避雷器，动作电压57kV,雷电流i(t)在接触网中引起的雷电压

u=0.5i(t)Z,其中：Z是为接触网悬挂系统波阻抗，取Z=230C。由此可知：几百安培的

雷电流就足以使车载避雷器动作，在分析几十kA雷电流的注入引起车体过电压过程中忽

略雷电流上升沿避雷器未动作的时间间隙，将避雷器等效为短路状态。

雷电击中接触网导线后，雷电行波在接触网导线雷击点处向2个方向传播，接触网中雷电

流为iO(t),雷电流在接触网.上产生过电压，车载避雷器动作，雷电流通过避雷器流入车

体。

2.1.2系统模拟与分析

雷电流采用Heidler函数模型，解析表达式为

其中：10为峰值电流；n为峰值电流修正系数;ks=t/iLn为电流陡度因子，一般情况下

取n=10;T1和丁2分别为雷电流的波头时间和波尾时间。

根据图3所给出的车体等效电路结构图，利用Matlab/Simulink软件建立仿真模型，雷电

流参数为2.6us/50us,峰值为20kA,接地电阻器的阻值为0.5Q,经现场测量，碳刷

接触电阻等效电阻值取0.01。，车体阻抗为47mQ。车体瞬时电位变化如图4所示，受

电弓与避雷器所在6号车体中雷电流分量最大，其车体瞬时电势峰值也最大，为3.24kV。

2号、3号和7号车体底端瞬时电位幅值分别为1.87,1.90和3.20kV。

2.2接触网中的闪电流对船体的响应电势

2.2.1学校管理系统的磁场强度

当雷电流在接触网上传播时，接触网周围空间电场和磁场发生突变，列车车体为铝合金材

料，在瞬变的电磁场环境中，车体内部产生环流，如图5所示。另外动车车体通过接地系

统与钢轨相连，相邻动车车体与钢轨间通过车体接地系统形成闭合同路，雷电流引起的瞬

变电磁场在车体-钢轨同路中产生大幅值的感应电流，感应电流流过接地系统引起车体电

位瞬时抬升，造成车体过电压。

雷电流在其周围产生的电滋场为瞬变磁场，本文依据麦克斯韦方程理论，利用偶极子法分

析计算接触网中的雷电流在周围空间产生的电磁场。

对线性、时不变、各向同性的均匀媒质中麦克斯韦方程组可表示为

引进定义矢量位A和标量势6,根据洛伦兹条件能够得到：

将式（3）代入式（2）则麦克斯韦方程可转化为矢势A和标势6的达朗贝尔方程：

其动态矢量位A的非齐次解为

代入式（3）得：

对式（7）积分求得空间某处的磁场强度：

车体-钢轨回路所围区域包括设备舱、转向架和设备舱底面与轨面间的空气，将设备舱和

设备舱与轨面间空气的磁导率简化为"0,设备舱面板为铝合金材料，转向架假设为均匀

刚质材料，不同区域分界面满足动态磁场边界条件。车体-钢轨回路中的感应电势为：

其中：s为回路等效面积，文献中给出了动车组参数:车体底面板距轨面1300mm,设备舱

底面板距轨面200mm,单体车长26.5m。对单个车体-钢轨回路其等效电路如图7所示。

ig为回路中的感应电流，Rc,Rj和Rg分别为车体电阻、车体接地电阻和钢轨电阻，钢轨

电阻取0.2Q/km。

2.2.2不稳定区域内的应收电势和蓄电池接触网应力电势

通过对式⑼的积分运算能够得出车体-钢轨回路电势,利用Matlab/Simulink建立车体

-钢轨回路的感应电势仿真模型，通过仿真得到各动车车体的瞬时感应电势，如图8所示。

车体与钢轨之间的瞬时感应电势集中在雷电流的上升沿，在上升沿中点处达到最大值，在

雷电流下降沿其值在零值附近。由式（9）可知:感应电势与雷电流的变化率有关，在雷电

流上升沿中点处，其变化率最大，感应电势达到峰值，在其下降沿，变化相对比较平缓，

感应电势较弱。6号车体感应电势峰值最大，为18kV,其他车体感应电势峰值分别为7.8,

16.8和5.7kV。由图5可知:b回路的长度是a和c叵路长度的3倍，结合式（9）,回

具有自感小、等效串联电阻低和能经受高电压、大电流冲击的特性。为保障滤波电容的使

用寿命，为过电压留有一定的裕度，电容器的耐压值可选择在2.5kV。

加载广100kHz电源测量列车车体电感，电感约为2口H。接地电阻器两端并联滤波电容

后在雷电流与感应电流回路利用式(10)计算得I可路谐振频率f,f约为7kHz,与雷电

流和雷电感应电流的频率不在1个数量级，因此，不会引起电路的高频谐振。

3.2叉车感染测试

回路感应电势与回路所围面积有关，因此，可以尝试通过分割b回路来降低单个车体-钢

轨感应电势回路面积，从而降低回路感应电势。在图10中，4号和5号车体上安装相同的

接地装置，回路b被分为bl,b2和b3共3个回路。5个车体-钢轨回路结构相同，利用式

(9)计算出在5个回路中的感应电势大致相同，回路阻抗相等，因此，各回路中感应电流

基本相等。3飞号车体分别存在于2个相邻回路中，相邻回路中的感应电流在同一车年接

地系统中方向相反，降低了这4个车体接地系统中的感应电势峰值，如图11所示。3〜5号

车体瞬时电势中几乎不存在感应电势分量，6号车体瞬E寸电势从18kV降低到1.6kV。

2号和7号车体与没有增加车体接地点相比其车体瞬时感应电势不变。

图11表明增加车体接地点后，车体感应电势峰值最大值从18kV下降到7.80kV,但没

有完全解决雷击接触网时车体感应过电压问题，2号和7号车体瞬时感应电势仍对车内电

气设备安全存在一定的威胁。另外，增加车体接地点减小了流过单个车体的雷电流，降低

因雷电流流过车体接地系统而引起车体电势的抬升量。

3.3长期内流注入的财产

车体的接地电阻主要是接地电阻器，减小接地电阻器阻值能够降低车体接地电阻，从而降

低雷电流注入车体引起的车体电位抬升量，并在一定程度上降低车体与钢轨之间的感应电

压。但是，接地电阻器起着保护碳刷、防止轴承电腐蚀的作用，接地电阻器的阻俏过小可

能会加速碳刷的异常磨损：降低碳刷寿命，因此，通过减小接地电阻器电阻来降低车体瞬

时电位峰值有一定的局限性。

4抗混叠置接触网充放电的特性

(1)高速动车组采用车体与碳刷间串联接地电阻器的接地方式，接触网遭受雷击时，将引

起列车车体电势瞬时抬升，车体瞬时电势的幅值与雷电流的峰值、雷电流陡度以及车体接

地系统的阻值有关。当接触网中雷也流峰值为20kA时，车体瞬时电势峰值