高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)防雷研究

李康，劉家軍，卓元志，張輝，劉棟

（1.西安鐵路局安康供電段，陜西安康725000；2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安710048）

隨著我國高速電氣化鐵路的快速發(fā)展，對擔(dān)負(fù)高鐵動車組供電任務(wù)的接觸網(wǎng)防雷研究愈發(fā)有意義。由于高鐵接觸網(wǎng)所經(jīng)地區(qū)地理、地勢、氣象、氣候條件差別較大，尤其是途經(jīng)空曠原野、高架橋時(shí)，高大建筑物很少，高架橋基本屬于相對的高大建筑，極易遭受雷擊，特別是那些雷電活動頻繁、地形比較復(fù)雜的路段，高鐵接觸網(wǎng)遭受雷害程度比較嚴(yán)重。在武廣線、貴昆線等均發(fā)生過雷擊接觸網(wǎng)并造成嚴(yán)重設(shè)備損壞事故[1]。因此，有必要進(jìn)行開展高速電氣化鐵路的接觸網(wǎng)防雷研究。

由于高鐵接觸網(wǎng)無備用，任何原因造成線路跳閘，都將直接影響電氣化鐵道運(yùn)營[1]。文獻(xiàn)[2]只分析了應(yīng)用直接接地方案解決接觸網(wǎng)支柱遭受雷擊的問題；文獻(xiàn)[3]則著重分析避雷器在接觸網(wǎng)防雷中的應(yīng)用，而其只能作為牽引供電系統(tǒng)防雷技術(shù)措施的一種補(bǔ)充，不可高密集地大量安裝。借鑒國內(nèi)外高鐵防雷的措施及經(jīng)驗(yàn)，本文提出高鐵接觸網(wǎng)全線架設(shè)架空避雷線的新方案，并通過分析接觸網(wǎng)雷擊過電壓、耐雷水平分析計(jì)算及仿真說明該方案的有效性。

1 國內(nèi)外高速鐵路防雷概況

1.1 國內(nèi)高速鐵路防雷現(xiàn)狀

對于我國電氣化鐵道接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)，根據(jù)雷電日及運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，按相關(guān)原則對接觸網(wǎng)進(jìn)行大氣過電壓保護(hù)[4]，強(qiáng)雷區(qū)應(yīng)架設(shè)獨(dú)立的避雷線，其接地電阻應(yīng)符合表1規(guī)定。

1.2 國外高速鐵路防雷現(xiàn)狀

德國鐵路依據(jù)實(shí)際情況，在德國電氣化鐵道中，比較多采用避雷器限制雷電過電壓。日本鐵路的接觸網(wǎng)防雷方面，除了在變電所進(jìn)出口、變壓器進(jìn)線處、接觸網(wǎng)用隔離開關(guān)兩側(cè)、架空線與電纜連接處、架空線終端等位置安裝避雷器外，在重雷區(qū)相應(yīng)區(qū)段還采取了架設(shè)避雷線的措施[5]。

表1 接觸網(wǎng)設(shè)備及其臨近設(shè)備接地裝置的接地電阻值Tab.1 Grounding resistance of the contact system and the near grounding equipment Ω

目前，我國在接觸網(wǎng)防雷中，僅在高雷區(qū)及強(qiáng)雷區(qū)的重點(diǎn)位置設(shè)置避雷器，架設(shè)避雷線等防雷措施在電氣化鐵道中尚未應(yīng)用[6]，回流線能起到一定的防雷作用，但預(yù)防直擊雷效果不佳。

2 防雷新方案

根據(jù)我國高鐵實(shí)際情況并借鑒電力系統(tǒng)和日本國鐵防雷成功經(jīng)驗(yàn),考慮我國高速電氣化鐵路的重要程度,為滿足高鐵運(yùn)行的高可靠性、減少牽引供電系統(tǒng)維護(hù)。本文提出在高速鐵路接觸網(wǎng)上方全線架設(shè)架空避雷線的方案，安裝示意如圖1所示。

圖1 接觸網(wǎng)架設(shè)架空避雷線示意圖Fig.1 Schematic diagram of contact system overhead lightning protection line

安裝架空避雷線在支柱頂部，與水平腕臂1.7 m，保護(hù)角為20°~30°，并與接地引線連接，與支柱鋼筋連在一起，并通過支柱接地線接地，接地電阻R<10 Ω，接地間距為4個(gè)跨距左右。

接觸網(wǎng)所處地區(qū)的年平均雷電日Td對其遭受雷擊的頻度有直接關(guān)系，見表2。每平方公里大地1 a的雷擊次數(shù)隨年平均雷電日增大變大[7]。當(dāng)接觸網(wǎng)側(cè)面限界取3 m，承力索距軌面平均高度取7 m時(shí)，國際大電網(wǎng)會議33委員會推薦計(jì)算[8]：

表2 不同地區(qū)接觸網(wǎng)遭受雷擊次數(shù)計(jì)算值Tab.2 The calculated number of lightning of contact system in different areas （次·（100 km·a）-1）

3 無避雷線時(shí)，雷擊過電壓分析

一般判斷防雷性能的優(yōu)越，工程上主要用耐雷水平這個(gè)指標(biāo)來衡量。雷擊接觸網(wǎng)不同位置將有相應(yīng)的過電壓產(chǎn)生，如在接觸網(wǎng)附近的地面遭到雷擊時(shí)，將在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓；支柱遭到雷擊時(shí)，將在其上產(chǎn)生沖擊電壓，并在網(wǎng)上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓；接觸導(dǎo)線遭到雷直擊時(shí)，在導(dǎo)線上將產(chǎn)生行波過電壓。

3.1 感應(yīng)過電壓及接觸網(wǎng)耐雷水平

根據(jù)理論分析和實(shí)測結(jié)果，有關(guān)規(guī)程建議，當(dāng)雷擊點(diǎn)距接觸網(wǎng)的距離S大于65 m時(shí)，在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生的過電壓與雷電流幅值成正比，與雷擊點(diǎn)到接觸網(wǎng)的距離成反比，接觸網(wǎng)上的感應(yīng)過電壓U1（kV）可由下式計(jì)算[9]，可取 S＝2hd。

式中，hd為接觸網(wǎng)導(dǎo)線平均高度。

衡量絕緣子耐雷水平的一項(xiàng)重要參數(shù)是50%閃絡(luò)電壓,即認(rèn)為施加在絕緣子上的電壓在大于該值時(shí)絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。棒式絕緣子與盤式絕緣子的50%閃絡(luò)電壓U50%較低,會首先發(fā)生閃絡(luò),以該值為臨界值，則接觸網(wǎng)的耐雷水平ign為

3.2 支柱遭受雷擊時(shí)引起的過電壓與耐雷水平

當(dāng)支柱遭到雷擊時(shí)，產(chǎn)生的雷電流將沿著支柱流入大地，設(shè)其沖擊電壓為U2，可由下式計(jì)算

可得

式中，陡度a＝i/2.6；R為支柱的沖擊接地電阻；i為雷電流幅值；L為支柱的等值電感。

按規(guī)程建議的防雷設(shè)計(jì)中雷電流波形取斜角平頂波，波頭長度2.6 μs，當(dāng)雷擊支柱時(shí)，接觸導(dǎo)線的感應(yīng)過電壓為

接觸網(wǎng)上棒式絕緣子承受的電壓為

由上式可知，加在線路絕緣子串上的雷電過電壓與雷電流的大小、陡度、導(dǎo)線高度及支柱接地電阻有關(guān)。如果U等于或大于接觸網(wǎng)棒式絕緣子串U50%雷電沖擊放電電壓時(shí)，支柱將對線路產(chǎn)生反擊，線路的耐雷水平為

3.3 接觸網(wǎng)導(dǎo)線直擊雷的耐雷水平

如圖2所示，雷擊于A點(diǎn)，雷電流將沿接觸網(wǎng)導(dǎo)線兩側(cè)流動?？梢哉J(rèn)為這兩個(gè)方向上雷電流的分布是對稱的。

圖2 雷擊無避雷線接觸網(wǎng)導(dǎo)線示意圖Fig.2 Schematic diagram of lightning strike of contact system at the catenary without overhead lightning protection line

則Z/2為雷擊點(diǎn)兩邊導(dǎo)線的并聯(lián)波阻抗，假定雷電通道的波阻抗Z0近似取200 Ω，線路波阻抗Z＝400 Ω，則可得雷擊接觸網(wǎng)導(dǎo)線等效路如圖3所示。

圖3 雷擊無避雷線接觸網(wǎng)線路等效電路Fig.3 Equivalent circuit of lightning strike of contact system at the catenary without overhead lightning protection line

由圖3可求得雷擊點(diǎn)電壓UA＝100i，即線路絕緣耐受過電壓為

則接觸網(wǎng)線路的耐雷水平ixn為

4 架設(shè)架空避雷線

4.1 架空避雷線防雷保護(hù)原理

架設(shè)避雷線可防止直擊雷和對雷電流進(jìn)行分流，減小流入桿塔的雷電流，使塔頂電位下降；對導(dǎo)線耦合，降低導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓，對輸電線路可以起到很好的防雷保護(hù)。

當(dāng)雷云的先導(dǎo)向下發(fā)展到離地面一定高度時(shí)，高出地面的避雷線頂端形成局部電場強(qiáng)度集中的空間，形成向上的迎面先導(dǎo)，使雷電僅對避雷線放電，從而保護(hù)了附近的物體免遭雷擊。避雷線的保護(hù)作用是吸引雷電擊于自身，并使雷電流泄入大地，為了使雷電流順利泄入大地，要求避雷線有良好的接地裝置。

4.2 避雷線的保護(hù)范圍

避雷線的保護(hù)范圍是用模擬試驗(yàn)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定的。在保護(hù)范圍內(nèi)被保護(hù)物不致遭受雷擊。由于放電的路徑受很多偶然因素影響，因此要保證被保護(hù)物絕對不受雷擊是非常困難的，一般采用0.1%的雷擊概率。

單根避雷線的保護(hù)范圍，如圖4所示。

圖4 單根避雷線的保護(hù)范圍Fig.4 Protection range of the single lightning protection line

在被保護(hù)物高度hx水平面上，一側(cè)保護(hù)寬度rx為：當(dāng) hx＞hb/2 時(shí)，rx＝0.47（hb－h(huán)x）Ph；當(dāng) hx＜hb/2時(shí)，rx＝（h－1.53hx）Ph；其中，hb為避雷線高度，Ph為高度修正系數(shù)，當(dāng)h≤30 m時(shí)，Ph＝1。用避雷線保護(hù)線路時(shí)，保護(hù)范圍用保護(hù)角表示更實(shí)用。保護(hù)角越小對導(dǎo)線直擊雷的保護(hù)越可靠，即雷擊導(dǎo)線概率越小[10]。

5 架設(shè)架空避雷線后，過電壓及耐雷水平分析

接觸網(wǎng)架設(shè)架空避雷線后，雷擊的情況除了感應(yīng)雷，還有3種情況：1）雷繞過避雷線擊于接觸網(wǎng)線路；2）雷擊支柱；3）雷擊避雷線。

5.1 感應(yīng)電壓過電壓分析

架設(shè)避雷線后，因接地避雷線的電磁屏蔽作用，從而使接觸網(wǎng)導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓降低，其計(jì)算公式為

式中，k0為避雷線與導(dǎo)線之間的幾何耦合系數(shù)；h0為承力索對地平均高度。

可見耦合系數(shù)越大，屏蔽作用越明顯，即感應(yīng)過電壓越低。由于感應(yīng)過電壓的極性與雷云電荷相反，所以感應(yīng)過電壓降低，會導(dǎo)致作用于線路絕緣子串上的過電壓降低。因此相應(yīng)的提高了線路絕緣子串上的耐雷水平。

5.2 雷繞過避雷線擊于接觸網(wǎng)線路過電壓及耐雷水平

模擬實(shí)驗(yàn)和多年現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，繞擊率Pa與避雷線對外側(cè)導(dǎo)線的保護(hù)角α、支柱高度h和地形條件有關(guān)，規(guī)程建議用下式進(jìn)行計(jì)算

1）對于平原線路

2）對于山區(qū)線路

經(jīng)計(jì)算，對于接觸網(wǎng)平原線路雷繞擊概率為0.08%；對于接觸網(wǎng)山區(qū)線路雷繞擊概率為0.3%。

雷電繞擊接觸網(wǎng)時(shí)，接觸網(wǎng)與架空避雷線之間會有耦合作用，此時(shí)它們之間的耦合還須考慮電暈的影響。線路絕緣耐受過電壓為

式中，kc為接觸網(wǎng)與架空避雷線的電暈耦合系數(shù)。

則接觸網(wǎng)線路的耐雷水平ixn為

5.3 雷擊支柱過電壓及耐雷水平

雷擊支柱時(shí)，如圖5所示，雷電流大部分經(jīng)過被擊支柱入地，小部分電流經(jīng)過避雷線由相鄰支柱入地。

圖5 有避雷線時(shí)雷擊支柱示意圖及等效電路Fig.5 Schematic diagram and equivalent circuit of lightning strike at the pillar with the overhead lightning protection line

則支柱頂電位為

即

式中，iz＝βi，β為支柱的分流系數(shù)，其可由圖 5（b）求出。

計(jì)及避雷線與導(dǎo)線之間的耦合作用及雷擊集中接地支柱時(shí)在導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓，此時(shí)線路的耐雷水平為

式中，kc＝k0k1為避雷線與接觸網(wǎng)線路電暈耦合系數(shù)。

因此，在架設(shè)避雷線時(shí)可以采取降低接地電阻R和提高耦合系數(shù)kc作為提高耐雷水平的主要手段。

5.4 雷擊避雷線檔距中央過電壓分析

雷擊避雷線檔距中央，由于兩側(cè)接地支柱發(fā)生負(fù)反射需要一段時(shí)間才能回到雷擊點(diǎn)使該點(diǎn)電位降低。設(shè)檔距避雷線電感2Lb，雷電流取斜角波。

則雷擊點(diǎn)的過電壓為

雷擊點(diǎn)與接觸網(wǎng)導(dǎo)線空氣間隙絕緣上所承受的電壓為

根據(jù)理論分析和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，我國規(guī)程規(guī)定，在檔距中央，導(dǎo)線和避雷線之間的空氣距離S按下式計(jì)算

對于接觸網(wǎng)來說滿足上式要求，因此空氣間隙不會發(fā)生閃絡(luò)。

5.5 計(jì)算對比

取架空避雷線在承力索正上方距平腕臂1.7 m處，承力索對地高度h0=7.3 m，腕臂對地高度7.6 m,導(dǎo)線對地高度為6.3 m，支柱高度8.0 m，沖擊接地電阻R=8 Ω，Lz=6.72 μH時(shí),棒式絕緣子的50%閃絡(luò)電壓U50%為270 kV，電暈修正系數(shù)k1=1.15。避雷線保護(hù)角為25°，距承力索水平距離取0.9 m，架空避雷線與接觸網(wǎng)導(dǎo)線的幾何耦合系數(shù)[11]

因此

依據(jù)上述公式可計(jì)算出架設(shè)避雷線前后相應(yīng)的耐雷水平如表3所示。由表3可清楚看出，架設(shè)避雷線后耐雷水平都有所提高。

表3 架設(shè)避雷線前后耐雷水平對比Tab.3 Lightning withstand level comparison before and after the erection of the overhead lightning protection line

5.6 仿真驗(yàn)證

通過在PSCAD仿真軟件中搭建高鐵接觸網(wǎng)遭受直擊雷的仿真模型，分析對比架設(shè)避雷線對耐雷水平的作用。雷擊牽引網(wǎng)的整體模型分成幾個(gè)部分:雷電波電流模型、牽引網(wǎng)懸掛系統(tǒng)模型[12]、接地電阻模型等[13]。這里雷電流模型采用1.2/50 μs的標(biāo)準(zhǔn)電流波形，絕緣子閃絡(luò)模型采用伏秒模型與壓控模型相結(jié)合的方式閃絡(luò)模型[14]。建模過程中忽略牽引網(wǎng)線路上的弧垂和電暈。

通過分析架設(shè)避雷器前后雷擊懸掛導(dǎo)線與雷擊支柱頂端的絕緣子閃絡(luò)情況，對避雷線的防雷效果進(jìn)行驗(yàn)證。

5.6.1 未架設(shè)架空避雷線

1）雷擊支柱頂端時(shí)，當(dāng)雷電流幅值達(dá)到20.1 kA時(shí)，線路絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，如圖6所示。

圖6 未架設(shè)避雷線雷擊支柱的耐雷水平Fig.6 Lightning withstand level at the pillar without the overhead lightning protection line erected

2）當(dāng)雷擊接觸網(wǎng)時(shí)，雷電流幅值達(dá)到2.2 kA時(shí)，線路絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，如圖7所示。

5.6.2 架設(shè)避雷線后

1）雷擊支柱，當(dāng)雷電流幅值達(dá)到28.7 kA時(shí)，線路絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，如圖8所示。

2）當(dāng)雷擊接觸線時(shí)，雷電流幅值達(dá)到4.1 kA時(shí)，線路絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，如圖9所示。

由仿真結(jié)果可以看出接觸網(wǎng)全線架設(shè)避雷線的防雷效果。本文仿真結(jié)果與計(jì)算值有偏差主要由于忽略牽引網(wǎng)線路上的電暈及弧垂的影響及公式（8）是按雷擊接觸線的中點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算的。

圖7 未架設(shè)避雷線雷擊接觸線耐雷水平Fig.7 Lightning withstand level at the catenary without the overhead lightning protection line erected

圖8 架設(shè)避雷線后雷擊支柱耐雷水平Fig.8 Lightning withstand level at the pillar with the overhead lightning protection line erected

圖9 架設(shè)避雷線后雷擊接觸線耐雷水平Fig.9 Lightning withstand level at the catenary with the overhead lightning protection line erected

應(yīng)用本文提出方案的同時(shí)，應(yīng)分別在裝設(shè)分相絕緣器、站場兩端的絕緣錨段關(guān)節(jié)，隧道長度超過2 000 m的隧道口，供電線超過200 m等處裝設(shè)氧化鋅避雷器作為接觸網(wǎng)全線架設(shè)架空避雷線防雷技術(shù)措施的一種補(bǔ)充。

6 結(jié)語

接觸網(wǎng)防雷對于高鐵的正常運(yùn)營起著決定性的作用。綜上所述，應(yīng)用本文提出的方案對于接觸網(wǎng)防止直擊雷及耐雷水平的提高具有良好的效果。隨著高鐵的迅速發(fā)展，為保證高速鐵路客運(yùn)專線運(yùn)行的高可靠性、牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備安全，在接觸網(wǎng)上方全線架設(shè)避雷線將是高鐵防雷的一種有效措施，必將得到廣泛應(yīng)用。

[1] 于增．接觸網(wǎng)防雷技術(shù)研究[J]．鐵道工程學(xué)報(bào)，2002（1）:89-94．YU Zeng．Study on lightning protection of catenary[J]．Journal of Railway Engineering Society， 2002（1）:89-94（in Chinese）．

[2] 田雨．津?yàn)I線接觸網(wǎng)防雷保護(hù)實(shí)施方案[J]．電氣化鐵道，2006（6）:23-25．TIAN Yu.Lightning protection implementation plan of jin bin catenary[J]．Electrified Railway，2006（6）:23-25（in Chinese）．

[3] 劉明光，李光澤，孔中秋．論接觸網(wǎng)上避雷器的應(yīng)用[J]．電氣化鐵道，2005（5）：28-30．LIU Ming-guang， LIGuang-ze，KONG Zhong-qiu.Application of surge arresters on catenary[J].Electrified Railway，2005（5）:28-30（in Chinese）.

[4]中華人民共和國鐵道部.TB10009-2005鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國鐵道出版社，2005．

[5] 范海江，羅?。F路客運(yùn)專線接觸網(wǎng)防雷研究[J]．鐵道工程學(xué)報(bào)，2008（8）:80-83．FAN Hai-jiang，LUO Jian.Research on the lightning protection of OCS in passenger dedicated lines[J].Journal of Railway Enineering Society，2008（8）:80-83（in Chinese）.

[6] 劉勇杰，黃東升．關(guān)于青藏線接觸網(wǎng)建成后防雷措施探討[J].電氣化鐵道，2008（1）:28-30．LIU Yong-jie，HUANG Dong-sheng.discussion on lighting protection of Qinghai-tibet railway catenary[J].Electrified Railway，2008（1）:28-30（in Chinese）.

[7] 王希，李振，彭向陽，等．耦合地線架設(shè)位置及根數(shù)對500/220 kV同塔4回線路防雷特性影響[J].高電壓技術(shù)，2012，38（4）:863-869.WANG Xi，LI Zhen，PENG Xiang-yang，et al.Influence of mounting location and number of coupling ground wires on characteris tic of lightning protection for 500/220 kV quadruple-circuit transmission line on same tower[J].High Voltage Engineering，2012，38（4）:863-869（in Chinese）.

[8] Dev Paul.Light rail transit DC traction power system surge overvoltage protection[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2002，38（1）:21-28.

[9] 韓晉平，王曉豐，馬心良．10 kV架空絕緣導(dǎo)線雷電過電壓與防雷綜合措施研究[J]．高電壓技術(shù)，2008，34（11）:2395-2399．HAN Jin-ping，WANG Xiao-feng，MA Xin-liang.Research on comprehensive protections of 10 kV overhead insulated distributionlinesfromlightning[J].High Voltage Engineering，2008，34（11）:2395-2399（in Chinese）.

[10]劉繼．電氣裝置的過電壓保護(hù)[M]．北京：電力工業(yè)出版社，1982．

[11]解廣潤．電力系統(tǒng)過電壓[M]．北京：水利電力出版社，1985．

[12]張鵬遠(yuǎn)．電氣化鐵道牽引網(wǎng)的防雷保護(hù)研究[D]．成都：西南交通大學(xué)，2007．

[13]Reported prepared by the fast front transients task force of the IEEE modeling and analysis of system transients working group[J].Modeling Guidelines for Fast Front Transients.IEEE Transactions on Power Delivery，1996，11（1）:493-506.

[14]張志剛．直流輸電系統(tǒng)線路過電壓的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006．