直供方式接觸網(wǎng)避雷線安裝方式與防雷效果分析

高 保，曹曉斌，田明明

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031)

直供方式接觸網(wǎng)避雷線安裝方式與防雷效果分析

高 保1，曹曉斌2，田明明2

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031)

雷擊將造成電氣化鐵路接觸網(wǎng)絕緣子閃絡(luò)，影響供電的可靠性?，F(xiàn)有的研究表明，在直供方式中，接觸網(wǎng)的繞擊耐雷水平遠(yuǎn)低于其反擊耐雷水平，因此架設(shè)避雷線有利于提高接觸網(wǎng)的整體耐雷水平，減少雷擊跳閘率。研究回流線升高兼做避雷線(方案1)與單獨(dú)架設(shè)避雷線(方案2)對(duì)接觸網(wǎng)防雷效果的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)避雷線位置合適時(shí)，兩種方案均能對(duì)承力索的繞擊起到很好的保護(hù)作用。單獨(dú)架設(shè)避雷線時(shí)，回流線與避雷線共同作用，增大與承力索的耦合系數(shù)，并對(duì)雷電流起到分流作用，從而提高接觸網(wǎng)的感應(yīng)耐雷水平與反擊耐雷水平。因此方案2的感應(yīng)雷耐受水平與反擊雷耐受水平均略高于方案1，但總體投資要大于方案2，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)根據(jù)雷害的嚴(yán)重程度及投資比較，選取合適的方案。

電氣化鐵路；接觸網(wǎng)；回流線；避雷線；防雷

電氣化鐵路接觸網(wǎng)的額定電壓只有 25 kV，采用的絕緣等級(jí)低，容易在雷擊時(shí)發(fā)生閃絡(luò)。隨著電氣化鐵路的規(guī)模不斷增大，以及高速鐵路的發(fā)展，雷電對(duì)接觸網(wǎng)的危害也越來越嚴(yán)重[1-3]。近年來，我國對(duì)接觸網(wǎng)防雷開展了大量的研究工作，并取得大量的研究成果，建立了接觸網(wǎng)雷擊過電壓的數(shù)學(xué)模型，給出了接觸網(wǎng)雷擊跳閘率的算法[4-6]。其中文獻(xiàn)[7]對(duì)接觸網(wǎng)的雷擊類型進(jìn)行了定義，劃分了不同類型雷擊的作用范圍，并給出了接觸網(wǎng)雷擊率跳閘率的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[8]以京滬高鐵為例，研究了隨著高架橋的高度增加，接觸網(wǎng)感應(yīng)雷與直擊雷所占的比例。通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雷擊接觸網(wǎng)高壓部分，即直供方式下雷擊T線(承力索和接觸線)，或AT供電方式下雷擊T線或F線(正饋線)時(shí)，絕緣子閃絡(luò)所需的雷電流非常小。一般情況下，雷擊T線時(shí)，絕緣子閃絡(luò)所需的雷電流幅值約為3 kA左右，雷擊F線時(shí)，絕緣子閃絡(luò)所需的雷電流幅值約為2 kA[5，9]。文獻(xiàn)[10]提出通過架設(shè)避雷線可以改變雷擊類型，并給出了基于電氣幾何模型的避雷線高度計(jì)算方法。文獻(xiàn)[11]分析大秦線接觸網(wǎng)防雷措施現(xiàn)狀，并提出接觸網(wǎng)技術(shù)改造措施。以此為基礎(chǔ)，研究了電氣化鐵路直供方式下避雷線架設(shè)方式，并對(duì)防雷效果進(jìn)行研究。

1 直供方式下避雷線的架設(shè)方式

電氣化鐵路主要的供電方式分為直供方式和AT供電方式兩種，直供方式結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，造價(jià)成本較低，因此在時(shí)速200 km以下的普速鐵路中得到廣泛應(yīng)用。我國東南沿海雷電活動(dòng)頻繁，為了降低雷擊跳閘率，提高供電的可靠性，需要在接觸網(wǎng)上方架設(shè)避雷線。目前直供方式下避雷線的架設(shè)方案有以下2種。

1.1 將回流線升高至支柱頂部兼避雷線

方案1：本方案通過將回流線安裝到支柱的頂部，實(shí)現(xiàn)避雷線的功能，其中混凝土等徑圓支柱、格構(gòu)式橋鋼柱通過肩架安裝在支柱頂部，硬橫跨鋼管支柱通過柱頂?shù)念A(yù)留孔直接安裝在支柱頂部。在支柱頂部的具體安裝方式見圖1。

圖1 回流線升高作避雷線示意

1.2 在支柱頂部單獨(dú)架設(shè)避雷線

方案2：本方案保持原來的回流線位置與高度不變，在接觸網(wǎng)支柱頂部增加1根避雷線，其具體安裝方式如圖2所示。通過對(duì)比圖1與圖2可以發(fā)現(xiàn)，這兩種方案的相同點(diǎn)為：

(1)不論雷擊回流線還是擊中單獨(dú)避雷線，雷電流通過支柱流入大地，產(chǎn)生的都是反擊過電壓；

(2)結(jié)合電氣幾何模型原理可知，如果方案1中回流線的安裝高度和位置與方案2中避雷線安裝高度及位置一致，二者的防護(hù)范圍相同。

圖2 單獨(dú)架設(shè)避雷線示意

其不同點(diǎn)為：

(1)方案2中單獨(dú)架設(shè)的避雷線與回流線之間起到了并聯(lián)作用，二者對(duì)接觸線與承力索的耦合系數(shù)要大于方案1中單獨(dú)的一根回流線的耦合系數(shù)，因此會(huì)降低接觸網(wǎng)絕緣子兩端的感應(yīng)電壓差，有利于提高接觸網(wǎng)的感應(yīng)耐雷水平。

(2)雷擊方案2中的避雷線時(shí)，下方的回流線同樣起到了分流作用，減少了支柱的入地電流，從而提高了接觸網(wǎng)的反擊耐雷水平。

2 感應(yīng)雷防護(hù)效果對(duì)比分析

2.1 線路參數(shù)

以某線接觸網(wǎng)為例，該線路的主要參數(shù)為，承力索對(duì)地平均高度為7 400 mm，支柱對(duì)正線側(cè)面限界為3.1 m，回流線架設(shè)在田野側(cè)，到支柱內(nèi)側(cè)的距離為1 150 mm，未升高之前對(duì)地平均距離定義為6 000 mm，沒有采用絕緣架設(shè)。復(fù)線上下行線軌道中心線之間的距離為4 400 mm。

方案1：將回流線安裝在支柱頂部兼避雷線時(shí)，安裝高度為8 800 mm，到支柱內(nèi)側(cè)距離為0 mm。

方案2：回流線位置不變，單獨(dú)架設(shè)避雷線，避雷線安裝高度為8 800 mm，到支柱內(nèi)側(cè)距離為0 mm。

2.2 防護(hù)效果分析

線路上產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓最大值為

(1)

I——雷電流幅值(一般不超過100 kA)，kA；

hc——導(dǎo)線平均高度，m；

y0——雷擊點(diǎn)與線路的距離，m。

當(dāng)增加避雷線后，絕緣子承受的感應(yīng)過電壓為

(2)

(3)

其中，k為避雷線與接觸網(wǎng)的耦合系數(shù)；k1為幾何耦合系數(shù)；k0為電暈校正系數(shù)。

根據(jù)《電力設(shè)備過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(SDJ-7-1979)，取方案1的耦合系數(shù)為0.2，方案2的耦合系數(shù)為0.3。經(jīng)計(jì)算得到兩種方案下接觸網(wǎng)的感應(yīng)耐雷水平如表1所示。

表1 接觸網(wǎng)感應(yīng)耐雷水平 kA

從表1可以看出，二者的耐雷水平稍有差異，但相差不大。在30 m處，方案1絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的最小雷電流幅值為82 kA，方案2所需的雷電流為94 kA。

4.3 生育 CD的兩個(gè)發(fā)病高峰分別為20～30歲和50歲左右[2]，CD患者的平均年齡約為30歲，大部分患者在確診時(shí)正值生育年齡。IFX被美國FDA批準(zhǔn)作為孕期B類用藥。MTX可致胎兒畸形、增加流產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，因此禁用于妊娠期和哺乳期女性患者。然而，這并不代表IFX與MTX完全不適用于生育期CD患者。有報(bào)道[28]1例使用IFX聯(lián)合MTX治療的44歲男性CD患者的妻子順利產(chǎn)下1名健康的嬰兒。這一成功案例為CD患者生育問題指出了新的研究方向。

根據(jù)國標(biāo)中給出的雷電流幅值概率公式，可以算得雷電流大于82 kA的概率為

雷電流大于94 kA的概率為

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，方案2與方案1相比，引起絕緣子閃絡(luò)的感應(yīng)雷發(fā)生概率減少了3.2%。

3 繞擊雷防護(hù)效果對(duì)比分析

通過電氣幾何模型，采用文獻(xiàn)[7]給出的方法，建立如圖3所示的坐標(biāo)系，其中弧AB及弧B′A＇為回流線或避雷線的引雷區(qū)域，落在該區(qū)域產(chǎn)生的是反擊過電壓，而落在弧BC和弧CB＇之間時(shí)，擊中承力索，產(chǎn)生繞擊過電壓。同樣以左側(cè)線路的中心線為x軸的原點(diǎn)，地面為y軸的原點(diǎn)，建立如圖3所示的坐標(biāo)系，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為(xa，ya)，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為(xb，yb)，C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為(xc，yc)，分別將回流線升高后的線路參數(shù)及避雷線的線路參數(shù)代入下式進(jìn)行求解。

A點(diǎn)坐標(biāo)滿足方程

(4)

B點(diǎn)坐標(biāo)滿足方程

(5)

C點(diǎn)坐標(biāo)滿足方程

(6)

圖3 復(fù)線區(qū)段接觸網(wǎng)電氣幾何模型

承力索的耐雷水平約為3 kA，將3 kA代入后，解得B點(diǎn)橫坐標(biāo)xb為4.8 m，大于C點(diǎn)的橫坐標(biāo)3.1 m，即此時(shí)上行線和下行線避雷線(或回流線升高后)的引雷范圍已重疊，承力索被完全屏蔽，此時(shí)接觸網(wǎng)的繞擊率為0，對(duì)應(yīng)的繞擊跳閘率同樣可以認(rèn)為是0。因此不論是方案1還是方案2，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電氣幾何模型圖完全相同，因此兩種方案的繞擊防護(hù)效果完全一致。

可以算得當(dāng)雷電流大于3 kA時(shí)，不論是方案1，還是方案2，上下行避雷線暴露弧的交點(diǎn)高于承力索暴露的交點(diǎn)，即此時(shí)承力索已被完全屏蔽，繞擊率可以認(rèn)為等于0。因此兩種方案均可以起到很好的屏蔽效果。

4 反擊雷防護(hù)效果對(duì)比分析

4.1 仿真模型介紹

為了對(duì)比2種方案對(duì)反擊耐雷水平的提升效果，采用電磁暫態(tài)仿真程序EMTDC (Electro-Magnetic Transient in DC system)，建立了2種方案下的仿真分析模型(部分)如圖4所示，方案2與方案1相比增加了1條與回流線并聯(lián)的避雷線。雷電注入點(diǎn)為支柱頂端，波形為2.6/50 μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形，雷電流模型如圖5所示。

圖4 直供方式接觸網(wǎng)仿真模型

圖5 雷電流模型

4.2 反擊耐雷水平對(duì)比研究

2種方案的仿真計(jì)算結(jié)果如表2所示。

通過對(duì)比表2中的數(shù)據(jù)可知，二者的耐雷水平稍有差異，但相差不大。當(dāng)支柱接地電阻為5 Ω時(shí)，方案1的耐雷水平為35.3 kA，方案2的耐雷水平為39.7 kA。

表2 接觸網(wǎng)反擊耐雷水平 kA

根據(jù)國標(biāo)中給出的雷電流幅值概率公式，可以算得雷電流大于35.3 kA的概率為

雷電流大于39.7 kA的概率為

同樣通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，方案2與方案1相比，由于反擊引起絕緣子閃絡(luò)的雷電流發(fā)生概率減少了4.3%。

5 結(jié)論

為了提高直供方式下電氣化鐵路接觸網(wǎng)的耐雷水平，研究了2種避雷線的架設(shè)方式，通過對(duì)比分析，得出結(jié)論如下。

(1)回流線抬高作為避雷線與單獨(dú)架設(shè)避雷線均能對(duì)承力索起到很好的防護(hù)作用，只要高度與位置合適，2種方案均可以將承力索的繞擊率降到0，從而提高接觸網(wǎng)整體的耐雷水平。

(2)單獨(dú)架設(shè)避雷線與回流線提高方案相比，由于增加了1根接地導(dǎo)線，增加了對(duì)承力索的耦合系數(shù)，并減少了支柱的入地電流，因此方案2的感應(yīng)雷耐受水平與反擊雷耐受水平均略高于方案1。

方案2雖然略優(yōu)于方案1，但方案2的總體投資要大于方案1，因此應(yīng)根據(jù)雷害的嚴(yán)重程度及投資效率進(jìn)行方案比較，一般情況下重雷區(qū)優(yōu)選方案2，中雷區(qū)和少雷區(qū)優(yōu)選方案1。

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Analysis of Installation and Effect of Lighting Conductor of Direct Supply Catenary

GAO Bao1， CAO Xiao-Bin2, TIAN Ming-ming2

(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu 610031， China;2.School of Electrical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Lightning often causes flashover of insulator of electrified railway and impacts the power supply reliability. The existing researches show that， in the direct supply， the lightning-proof when lightning strikes the contact line is far below than that when it strikes the grounding line. So the lightning conductor is beneficial to improving the overall lightning-proof level of the contact system and reducing tripping rate. In this paper， the effects of the two lightning conductor modes have been researched. One is to raise the reflux wire to serve as the lightning conductor and the other is to set up a new lightning protection line. The research results show that， if the position of the lightning conductor is suitable， the two modes can all provide good protection for the catenary. But in the second mode， reflux wire and the lighting conductor act simultaneously to increase the coupling coefficient of the catenary and take part in current diverging. Therefore， the lightning-proof level of the second mode is higher than that of the first mode and its overall investment is higher than the first one. So， the selection of the appropriate mode should be based on a comparison of investment and the severity of lightning.

Electrified railway， Contact system; Reflux wire; Lightning conductor; Lightning protection

2015-03-12；

2015-04-01

鐵道部重大科技研究計(jì)劃項(xiàng)目(Q024131104010072)

高 保(1979—)，男，工程師，2001年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:61154150@qq.com。

曹曉斌(1974—)，男，副教授，博士，從事過電壓及防雷接地技術(shù)方面研究，E-mail：xiaobincao@163.com。

1004-2954(2015)11-0131-04

U225.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.031