多導(dǎo)體牽引網(wǎng)雷擊跳閘率研究

樊春雷，郭小霞，李漢卿

多導(dǎo)體牽引網(wǎng)雷擊跳閘率研究

樊春雷，郭小霞，李漢卿

牽引網(wǎng)所經(jīng)地區(qū)地形復(fù)雜，因此極易發(fā)生雷擊跳閘事故。本文借助規(guī)程法與擊距法分別對牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)進(jìn)行了定量計(jì)算，結(jié)果表明：2種計(jì)算方法下牽引網(wǎng)總雷擊跳閘次數(shù)相當(dāng)，但采用規(guī)程法不能反映每根導(dǎo)體跳閘次數(shù)；同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)牽引網(wǎng)雷擊跳閘主要由直擊雷引起，感應(yīng)雷占的比重很小僅為0.64%；而采用規(guī)程法計(jì)算的牽引網(wǎng)感應(yīng)雷跳閘占總跳閘20.26%；該研究結(jié)果將為今后高速鐵路牽引網(wǎng)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)提供重要參考。

多導(dǎo)體；牽引網(wǎng)；感應(yīng)雷；雷擊跳閘率

0 引言

牽引網(wǎng)作為鐵路牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，由于其特殊性，一旦防雷措施采取不當(dāng)，可能直接影響電氣化鐵路運(yùn)營進(jìn)而危及人身安全。目前，發(fā)生雷擊牽引網(wǎng)跳閘事故逐漸增多[1]，因此，如何降低牽引網(wǎng)雷擊跳閘事故，保證其供電穩(wěn)定對鐵路運(yùn)營極為重要。

目前，國內(nèi)雖然針對高速鐵路牽引網(wǎng)雷電防護(hù)進(jìn)行了部分研究，但沒有統(tǒng)一的分析方法。因此，本文擬分別借助擊距法和規(guī)程法理論，通過搭建模型，系統(tǒng)對2種不同計(jì)算方法下牽引網(wǎng)雷擊跳閘特性進(jìn)行對比分析和總結(jié)，從而明確2種計(jì)算方法下牽引網(wǎng)雷擊特點(diǎn)，這將對今后高速鐵路牽引網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)及防護(hù)有著重要的參考價(jià)值。

1 多導(dǎo)體牽引網(wǎng)模型

1.1 規(guī)程法模型

規(guī)程法認(rèn)為：線路等值受雷面積由線路的幾何結(jié)構(gòu)尺寸決定，而與雷電流大小無關(guān)；因此，一旦線路結(jié)構(gòu)尺寸給出，其遭受的雷擊面積也將確定。其等值受雷面積為線路最上層導(dǎo)線對地平均高度的4倍與線路長度的乘積。

1.2 擊距法模型

與規(guī)程法理論不同，擊距法認(rèn)為：組成牽引網(wǎng)的各導(dǎo)體都存在一擊距，向下發(fā)展的雷電一旦到達(dá)某一導(dǎo)體對應(yīng)的擊距范圍，將對其發(fā)生放電現(xiàn)象。同時(shí)，該理論認(rèn)為擊距是雷電流幅值函數(shù)。不同雷電流幅值，導(dǎo)體遭受雷擊的范圍不同；根據(jù)幾何作圖法及線路結(jié)構(gòu)尺寸，可作出牽引網(wǎng)各導(dǎo)體遭受雷擊的范圍。

本文研究的多導(dǎo)體牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置具體見圖1。牽引網(wǎng)由3部分組成，分別為接觸網(wǎng)導(dǎo)線，承力索和加強(qiáng)線，且加強(qiáng)線位于支柱頂部，正饋線安裝在支柱外側(cè)。

圖1 高架段多導(dǎo)體牽引網(wǎng)擊距法模型示意圖

結(jié)合圖1可知，正饋線、加強(qiáng)線及接觸網(wǎng)導(dǎo)線遭受雷擊的范圍分別為弧線C3、C2和C1。隨著雷電流的增大，加強(qiáng)線對應(yīng)弧線C2將逐漸增大，而接觸網(wǎng)導(dǎo)線對應(yīng)弧線C1及正饋線對應(yīng)弧線C3將逐漸減少，當(dāng)加強(qiáng)線對應(yīng)弧線C2與線路中心線交于B點(diǎn)時(shí)，說明接觸網(wǎng)將完全處于加強(qiáng)線保護(hù)范圍。此時(shí)，擊距對應(yīng)雷電流為接觸網(wǎng)最大繞擊雷電流Im1。當(dāng)雷電流繼續(xù)增大，正饋線對應(yīng)弧線C3將進(jìn)一步減少最終將完全被弧線C2包圍，此時(shí)，擊距對應(yīng)雷電流為正饋線最大繞擊雷電流Im2，弧線C2與地面擊距交點(diǎn)對應(yīng)的水平距離稱為牽引網(wǎng)遭受直擊雷與感應(yīng)雷的臨界距離0s。即處于臨界距離外且雷電流幅值達(dá)到線路絕緣擊穿條件時(shí)為感應(yīng)雷引起，否則為直擊雷引起。

綜上結(jié)合本文給出的牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置形式可知，正饋線發(fā)生雷擊絕緣閃絡(luò)對應(yīng)的雷電流范圍為Im1≤I≤Im2。加強(qiáng)線遭受雷擊絕緣閃絡(luò)對應(yīng)的雷電流范圍為Im1≤I≤100 kA。

2 2種計(jì)算方法下牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)

2.1 規(guī)程法計(jì)算牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)

2.1.1 直擊雷雷擊跳閘次數(shù)

牽引網(wǎng)遭受直擊雷的方式有2種：雷擊牽引網(wǎng)和雷擊支柱。因此，每100 km牽引網(wǎng)遭受直擊雷雷擊跳閘次數(shù)為雷擊牽引網(wǎng)與雷擊支柱的跳閘次數(shù)之和，即：

式中，α為擊桿率，本文取1/6；Ng為地面落雷密度，本文采用國際大電網(wǎng)會議推薦的公式計(jì)算；d為兩外側(cè)導(dǎo)線之間水平距離，m；hd為最高處導(dǎo)線對地平均高度，m；Pj為雷擊牽引網(wǎng)耐雷水平對應(yīng)的雷電流出現(xiàn)的概率；Pz為雷擊支柱時(shí)牽引網(wǎng)耐雷水平對應(yīng)的雷電流出現(xiàn)的概率。

由文獻(xiàn)[1]可得雷擊牽引網(wǎng)時(shí)耐雷水平仿真結(jié)果為Ic= 3.85 kA，對應(yīng)雷擊導(dǎo)線時(shí)雷電流出現(xiàn)概率為90.4%；同理雷擊支柱時(shí)牽引網(wǎng)耐雷水平為30 kA，對應(yīng)雷擊支柱時(shí)雷電流出現(xiàn)概率為45.6%。

2.1.2 感應(yīng)雷雷擊跳閘次數(shù)

根據(jù)規(guī)程法知線路遭受雷擊的等值線路寬度為線路最上層導(dǎo)線對地平均高度的4倍，即每側(cè)導(dǎo)線遭受直擊雷的等值線路寬度為2倍最上層導(dǎo)線對地平均高度，除此之外區(qū)域?yàn)樵馐芨袘?yīng)雷范圍。

首先，建立以垂直線路方向?yàn)棣州S，垂直地面方向?yàn)閥軸，平行線路方向?yàn)閦軸，坐標(biāo)原點(diǎn)為距牽引網(wǎng)正饋線外側(cè)2hd所在地面處投影為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系。牽引網(wǎng)遭受感應(yīng)雷的雷擊范圍見圖2。

圖2 感應(yīng)雷雷擊分析示意圖

每一小區(qū)間遭受雷擊的落雷次數(shù)為

此時(shí)，對于在（χi, χi+1）內(nèi)落雷時(shí)，牽引網(wǎng)的耐雷水平為

式中，d為外側(cè)導(dǎo)線與最高處導(dǎo)線間水平距離，m。

當(dāng)雷電流幅值大于該值時(shí)，線路絕緣會發(fā)生閃絡(luò)，其概率為

由式（2）和式（3）得出：雷擊該小區(qū)間時(shí)的年雷擊跳閘次數(shù)為

計(jì)入圖2中所有感應(yīng)落雷區(qū)，100 km長度復(fù)線牽引網(wǎng)總的年感應(yīng)雷雷擊跳閘次數(shù)為

2.2 擊距法計(jì)算牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)

2.2.1 直擊雷雷擊跳閘次數(shù)

據(jù)暴露距離的物理概念，牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)nj計(jì)算如下：

式中，d為外側(cè)導(dǎo)線與最高處導(dǎo)線間水平距離，m；L為線路長度，km；DZ為導(dǎo)線的暴露距離，m；f(I)為雷電流的概率密度。

雷擊多導(dǎo)體牽引網(wǎng)不同導(dǎo)體的雷擊范圍見圖3，其計(jì)算過程如下：

首先，建立以地面平行直線為X軸，垂直于地面方向?yàn)閅軸，坐標(biāo)原點(diǎn)為加強(qiáng)線所在位置的直角坐標(biāo)系。分別設(shè)加強(qiáng)線對應(yīng)弧線與正饋線對應(yīng)弧線交點(diǎn)A點(diǎn)坐標(biāo)為A(χa, ya)，正饋線對應(yīng)弧線與地面擊距交點(diǎn)B（χb, yb），正饋線安裝位置C (χc, yc)。

此時(shí)，A點(diǎn)的坐標(biāo)為

因此，正饋線遭受雷擊范圍：DZ= χb? χa

加強(qiáng)線遭受雷擊范圍：DZ= χa

代入式（4）可分別計(jì)算出雷擊加強(qiáng)線和雷擊正饋線的雷擊跳閘次數(shù)。

2.2.2 感應(yīng)雷雷擊跳閘次數(shù)

單位長線路在雷電流為I時(shí)感應(yīng)雷雷擊跳閘率為

則，100 km長度復(fù)線牽引網(wǎng)總的年感應(yīng)雷雷擊跳閘次數(shù)為

圖3 多導(dǎo)體牽引網(wǎng)模型示意圖

3 計(jì)算實(shí)例

以文獻(xiàn)[1]中牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置參數(shù)為例，借助本文推導(dǎo)計(jì)算公式分別對多導(dǎo)體牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1計(jì)算結(jié)果可知：2種計(jì)算方法得出的牽引網(wǎng)總雷擊跳閘次數(shù)相當(dāng)；同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)采用規(guī)程法計(jì)算牽引網(wǎng)直擊雷跳閘次數(shù)不能全面反映架空多導(dǎo)線每根導(dǎo)線上發(fā)生的雷擊跳閘次數(shù)，采用擊距法計(jì)算的雷擊加強(qiáng)線的跳閘次數(shù)為23.63次；正饋線發(fā)生雷擊跳閘次數(shù)為1.31次。最后研究發(fā)現(xiàn)：在發(fā)生的總雷擊跳閘次數(shù)中，2種計(jì)算方法中感應(yīng)雷所占的比重不同，采用規(guī)程法計(jì)算的牽引網(wǎng)感應(yīng)雷雷擊跳閘次數(shù)占總跳閘次數(shù)的20.26%，相反采用擊距法計(jì)算的結(jié)果表明發(fā)生感應(yīng)雷雷擊跳閘次數(shù)很小，僅為0.64%，可見牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)主要由直擊雷引起。由于擊距法可以將雷電流與線路實(shí)際參數(shù)相結(jié)合，因此，其計(jì)算結(jié)果可很好地為今后制定雷電防護(hù)措施提供重要依據(jù)。

表1 多導(dǎo)體牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)計(jì)算結(jié)果表

最后，本文對非高架段牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)進(jìn)行了仿真計(jì)算，由表2可知：2種計(jì)算方法得出的牽引網(wǎng)總雷擊跳閘次數(shù)中規(guī)程法計(jì)算結(jié)果稍偏小，與擊距法相比偏小約15.87%；同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)與橋梁高度為11.6m時(shí)相比采用規(guī)程法與擊距法計(jì)算的牽引網(wǎng)總跳閘次數(shù)分別降低了44.75%、26.93%，其中采用擊距法計(jì)算的雷擊加強(qiáng)線的次數(shù)降低為18.17次，降低了約23.11%；發(fā)生正饋線雷擊跳閘次數(shù)僅為0.17次，降低了約87.02%；而發(fā)生感應(yīng)雷雷擊跳閘次數(shù)為0次，降低了100%。而采用規(guī)程法計(jì)算的牽引網(wǎng)直擊雷跳閘次數(shù)降低為11.10次，降低了約50.16%；感應(yīng)雷雷擊跳閘次數(shù)基本不變。

表2 非高架段牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié)論

計(jì)算結(jié)論如下：

（1）高架橋段線路長度為100 km且沿線最大雷電流幅值在100 kA以下時(shí)，兩種計(jì)算方法得出的牽引網(wǎng)總雷擊跳閘次數(shù)相當(dāng)，但采用規(guī)程法計(jì)算牽引網(wǎng)直擊雷跳閘次數(shù)不能全面反映架空多導(dǎo)線每根導(dǎo)線上發(fā)生的雷擊跳閘次數(shù)；同時(shí)研究得出在高速鐵路牽引網(wǎng)系統(tǒng)中牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)主要由直擊雷引起，感應(yīng)雷占的比重很小，僅為0.64%。而采用傳統(tǒng)規(guī)程法計(jì)算的牽引網(wǎng)感應(yīng)雷雷擊跳閘次數(shù)占總跳閘次數(shù)的20.26%，該結(jié)論對今后實(shí)施防雷措施具有重要作用。

（2）牽引網(wǎng)遭受雷擊跳閘次數(shù)受橋梁高度影響很大，橋梁高度為0 m，線路長度為100 km且沿線最大雷電流幅值在100 kA以下時(shí)，采用規(guī)程法與擊距法計(jì)算的牽引網(wǎng)總跳閘次數(shù)分別降低了44.75%、26.93%；同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)采用擊距法計(jì)算的感應(yīng)雷雷擊跳閘次數(shù)為0次，牽引網(wǎng)跳閘完全由直擊雷引起，而規(guī)程法計(jì)算的感應(yīng)雷雷擊跳閘次數(shù)基本不變，約占總跳閘次數(shù)的28.06%。

[1] 樊春雷，郭小霞，李漢卿．高速鐵路暫態(tài)模型搭建與仿真分析[J]．電氣化鐵道，2011，（5）：9-11．

[2] 邊凱，陳維江，等．高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護(hù)[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（10）：191-200.

[3] 李曉嵐．擊距系數(shù)及基于電氣幾何模型的輸電線路繞擊跳閘率計(jì)算的研究[D]．2005．

[4] 宋桂昭，張小青，等．客運(yùn)專線牽引網(wǎng)雷擊率的計(jì)算[J]．電瓷避雷器，2013，（5）：79-83.

[5] 孫彰林，樊春雷．基于擊距法的高速鐵路牽引網(wǎng)防雷特性研究[J]．鐵道工程學(xué)報(bào)，2012，（9）：79-83.

The tripping failures of traction network in area with complex terrain are prone to occur under lightning strikes. With support of regulation method and striking distance method, quantitative calculations of times of tripping of traction network under lightning strikes are illustrated respectively in the paper, and the results show that the times of tripping of traction network under lightning strikes calculated with the two calculation methods are equivalent, however, times of tripping for each conductor are unable to be reflected with the regulation method; meanwhile, the research shows that the direct lightning strikes cause frequently tripping of traction network, with less proportion of inductive lightning strikes of 0.64%; but the times of tripping of traction network calculated by regulation method is 20.26%; and the research results will provide very important reference for design of traction network lightning protection of high speed railways in the future.

Multi-conductor; traction network; inductive lightning; lightning strike tripping rate

U228

A

1007-936X(2015)02-0004-04

2014-11-04

樊春雷.中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，工程師，電話：022-58583819；郭小霞.中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，工程師；李漢卿.中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，教授級高級工程師。