基于雷電先導(dǎo)法的高架橋雷擊特性研究

吳顯志，李瑞芳，陳　奎，韓　虎，金　亮

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基于雷電先導(dǎo)法的高架橋雷擊特性研究

吳顯志1，李瑞芳2，陳奎2，韓虎2，金亮2

（1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東省 廣州市 510010；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川省 成都市 610031）

近幾年來，我國的高鐵事業(yè)不斷發(fā)展，由雷擊接觸網(wǎng)所造成的故障不斷增加，而接觸網(wǎng)一旦發(fā)生故障就將直接影響高速列車安全、穩(wěn)定的運行。本文主要分析雷電先導(dǎo)發(fā)展過程中，雷電流下行先導(dǎo)發(fā)展對線路表面感應(yīng)電場的產(chǎn)生的影響，在先導(dǎo)發(fā)展模型現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，使用模擬電荷法計算雷電下行先導(dǎo)向下發(fā)展時接觸網(wǎng)線路表面電場強度的變化，研究雷電流幅值、接觸網(wǎng)導(dǎo)線等條件對接觸網(wǎng)上行先導(dǎo)產(chǎn)生的影響。研究結(jié)果表明：隨著雷電流幅值的變化，一級定位點高度不斷的增大。存在高架橋時，隨著雷電流幅值的增大，一級定位點高度增加的更明顯。

雷電；高速鐵路；接觸網(wǎng)；下行先導(dǎo)；高架橋

1　引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，運輸供需矛盾日益嚴(yán)重，而高速鐵路以其運營速度快、輸送能力強、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，在我國得到快速發(fā)展。我國高速鐵路分布范圍很廣，所通過地區(qū)地貌、氣候、地質(zhì)條件差別很大，很容易遭受雷擊［1～2］。高鐵牽引供電系是高速鐵路的電力源泉，是電力機車與機電系統(tǒng)正常運行的動力保證。高速鐵路牽引供電系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，將導(dǎo)致列車失電、設(shè)備損壞，引起運輸中斷等，使線路失去運營能力，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，更嚴(yán)重將造成行車事故以及人員傷亡［3～4］。

目前世界上研究者對于雷電的研究主要集中在兩個方面：一是對雷暴日，落雷密度，雷電流幅值、波形及其分布統(tǒng)計，正負(fù)極性雷比例統(tǒng)計等的研究。另一方面主要是研究雷電放電物理過程，包括雷云的形成，云中電荷的分布，云間放電和對地放電機理等。通過對于雷電形成以及發(fā)展的物理過程的研究，有利于預(yù)測雷擊發(fā)生時的雷擊點位置，準(zhǔn)確計算避雷線和避雷針的保護(hù)范圍，減少雷擊對線路造成的傷害［5］。

典型的用于分析雷電發(fā)展的方法主要有規(guī)程法、電氣幾何模型和先導(dǎo)發(fā)展模型，先導(dǎo)發(fā)展模型充分考慮了雷電發(fā)展過程中，導(dǎo)線周圍空間電場的變化情況，更符合雷電發(fā)展的物理機理［6］。因此通過使用先導(dǎo)發(fā)展模型分析高架橋接觸網(wǎng)的上行先導(dǎo)發(fā)展，有利于其防雷設(shè)施的設(shè)計，提高線路運行的安全性。

本文利用雷電先導(dǎo)理論建立了雷電先導(dǎo)法的高架橋雷擊模型，計算雷電下行先導(dǎo)向下發(fā)展時接觸網(wǎng)線路表面電場強度的變化，研究雷電流幅值、接觸網(wǎng)導(dǎo)線等條件對接觸網(wǎng)上行先導(dǎo)產(chǎn)生的影響。相關(guān)研究結(jié)果能為高速鐵路高架橋防雷提供借鑒。

2　雷電先導(dǎo)發(fā)展模型

線路上行先導(dǎo)起始判據(jù)通常使用線路周圍某一種物理參數(shù)，如感應(yīng)電位、感應(yīng)場強、電暈尺寸等，用來判斷線路是否能夠滿足產(chǎn)生上行先導(dǎo)起始的條件［7］。

本文中，上行先導(dǎo)起始判據(jù)采用Peek判據(jù)。在導(dǎo)線表面上行先導(dǎo)起始之前，認(rèn)為雷電下行先導(dǎo)是豎直向下發(fā)展，當(dāng)導(dǎo)線表面產(chǎn)生上行先導(dǎo)之后，下行先導(dǎo)開始往場強最大的方向發(fā)展，而導(dǎo)線的上行先導(dǎo)始終是朝著下行先導(dǎo)頭部的方向發(fā)展。并且假設(shè)上行先導(dǎo)通道內(nèi)部電荷也是均勻分布的，電荷密度與下行先導(dǎo)通道電荷密度相同。

下行先導(dǎo)與上行先導(dǎo)頭部之間或者下行先導(dǎo)與沒有發(fā)生上行先導(dǎo)的地面目的物表面之間的平均電場強度超過臨界擊穿場強時，判定發(fā)生擊穿［8］。一般情況下，學(xué)者們認(rèn)為當(dāng)雷電下行先導(dǎo)與線路結(jié)構(gòu)中導(dǎo)線、避雷線、桿塔等之間的臨界擊穿電壓為500kV/m，而與大地之間的臨界擊穿電壓要更大，達(dá)到750kV/m時才能夠完成擊穿。雷電下行先導(dǎo)與上行先導(dǎo)之間的電場強度取決于各自頭部的點位以及兩者的空間位置。下行先導(dǎo)頭部電位通過計算下行通道中電荷在頭部的分布得到。

筆者采用將模擬電荷法與先導(dǎo)發(fā)展模型相結(jié)合，進(jìn)行電場計算的基礎(chǔ)上，模擬雷電先導(dǎo)發(fā)展的物理過程。接觸網(wǎng)雷電先導(dǎo)發(fā)展模型如圖1。

圖1　接觸網(wǎng)雷電先導(dǎo)發(fā)展模型

3　基于模擬電荷法的空間場強計算

本文使用模擬電荷法計算雷電下行通道對接觸網(wǎng)線路表面感應(yīng)電場。模擬電荷法是用于靜電場數(shù)值計算的主要方法之一，可以看作是鏡像法的推廣，該方法依據(jù)是靜電場的唯一性定理，將導(dǎo)體表面連續(xù)分布的自由電荷用導(dǎo)體內(nèi)部離散分布的一組電荷進(jìn)行代替［9］。

對于雷電先導(dǎo)發(fā)展模型，為了便于分析，作以下幾個假設(shè)：上行先導(dǎo)頭部電位為導(dǎo)線電位；只考慮雷電通道內(nèi)電荷對線路空間電場的影響；不考慮同時擊中兩個目的物的情況。同時將雷電下行先導(dǎo)通道電荷分別用一段線電荷和頭部的點電荷進(jìn)行代替，用于模型計算。

4　上行先導(dǎo)發(fā)展過程中的影響因素研究

4.1接觸網(wǎng)模型

計算所用接觸網(wǎng)模型如圖2，接觸網(wǎng)系統(tǒng)選用LGJ120/70的避雷線，JTM95/93.27承力索。為了方便計算，下面只計算左側(cè)線路所產(chǎn)生的上行先導(dǎo)，同時，由于承力索空間位置處于接觸線上方，并且兩者存在電氣連接，因此假設(shè)承力索一定先于接觸線產(chǎn)生上行先導(dǎo)，所以只考慮計算避雷線與承力索上行先導(dǎo)。

4.2雷電流幅值對一級定位點的影響

選擇雷電流側(cè)面距離10m，無高架橋接觸網(wǎng)，雷電流在接觸網(wǎng)的左側(cè)，計算當(dāng)雷電流幅值從5～50kA變化時導(dǎo)線表面感應(yīng)場強，利用Peek判據(jù)計算得避雷線和承力索的臨界場強，進(jìn)而得到一級定位點高度與雷電流幅值的關(guān)系圖3所示。

圖2　接觸網(wǎng)計算參數(shù)模型

圖3　一級定位點高度與雷電流幅值關(guān)系圖

從圖3中一級定位點高度和雷電流幅值的關(guān)系圖可以發(fā)現(xiàn)，兩者之間呈斜率減少的曲線上升變化。一級定位點高度代表著接觸網(wǎng)線路上行先導(dǎo)起始的難易程度，高度越高，越容易產(chǎn)生上行先導(dǎo)。在雷電流幅值較小時，一級定位點高度隨著雷電流幅值的增大增加的更快，而隨著雷電流幅值的增大，一級定位點高度增加的速率會有所降低?？梢缘玫降慕Y(jié)論：當(dāng)雷電流幅值增大時，對于同一接觸網(wǎng)線路而言，一級定位點高度也將增大，接觸網(wǎng)線路會在更高的位置產(chǎn)生上行先導(dǎo)，也就意味著線路更加容易被擊穿。

4.3避雷線半徑對一級定位點高度的影響

計算時采用無高架橋接觸網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)，固定雷電流幅值為I=30kA，雷電流側(cè)面距離10m，分別計算當(dāng)接觸網(wǎng)避雷線采用LGJ-185/25、LGJ-240/30、LGJ-300/50、LGJ-400/35鋼絞線時的一級定位點高度。四種避雷線的臨界場強均為2.8798× 103kV/m。計算發(fā)現(xiàn)當(dāng)所采用的避雷線半徑增大時，一級定位點高度也在增大，并且可以推測得到線路半徑對一級定位點高度的影響比較大。

導(dǎo)線半徑主要是影響到了線路感應(yīng)場強的大小，由于Peek判據(jù)臨界電暈半徑的關(guān)系，導(dǎo)線半徑較小時，不會影響到臨界場強的大小，而是只影響感應(yīng)場強的大小。通過感應(yīng)場強計算過程可以知道，導(dǎo)線半徑對于感應(yīng)電壓以及感應(yīng)電荷量等參數(shù)的計算都有影響，所以導(dǎo)線半徑最終可以影響一級定位點的高度。

4.4高架橋高度對一級定位點高度的影響

雷電流側(cè)面距離固定為10m，在線路左側(cè)，接觸網(wǎng)線路無高架橋的情況在之前已經(jīng)完成計算，現(xiàn)在計算10m高架橋、16m高架橋接觸網(wǎng)線路的一級定位點高度。

高架橋高度與一級定位點高度關(guān)系如圖4所示。通過計算結(jié)果可以知道，當(dāng)接觸網(wǎng)線路存在高架橋結(jié)構(gòu)時，會極大的提高線路一級定位點高度，線路上行先導(dǎo)起始變得更加容易。同時，對于同一線路來說，當(dāng)存在高架橋時，隨著雷電流幅值的增大，一級定位點高度增加的更明顯。

圖4　一級定位點高度與高架橋關(guān)系圖

5　結(jié)論

本文分析了雷電下行先導(dǎo)向下發(fā)展時接觸網(wǎng)線路表面電場強度的變化，研究雷電流幅值、接觸網(wǎng)導(dǎo)線等條件對接觸網(wǎng)上行先導(dǎo)產(chǎn)生的影響，得出結(jié)論如下：

（1）當(dāng)雷電流幅值增大時，對于同一接觸網(wǎng)線路而言，一級定位點高度也將增大，接觸網(wǎng)線路會在更高的位置產(chǎn)生上行先導(dǎo)。

（2）導(dǎo)線半徑對于感應(yīng)電壓以及感應(yīng)電荷量等參數(shù)的計算都有影響。所采用的導(dǎo)線半徑增大時，一級定位點高度也在增大。

（3）接觸網(wǎng)高架橋的存在主要影響到的是接觸網(wǎng)線路導(dǎo)線的高度。隨著高架橋高度的增高，線路更容易產(chǎn)生上行先導(dǎo)。

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吳顯志（1982-），男，高級工程師，研究方向為軌道交通領(lǐng)域過電壓研究。李瑞芳（1980-），女，博士，講師，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)。陳 奎（1989-），男，碩士研究生，研究方向為超高壓輸電線路過電壓與接地技術(shù)。

P427.32

A

2095-2066（2016）16-0173-02

2016-5-22