電氣化鐵路接地困難區(qū)段避雷線架設(shè)方式研究

曹曉斌,田明明,李瑞芳,高　保

(1.西南交通大學電氣工程學院,成都　610031； 2.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都　610031)

我國高速鐵路接觸網(wǎng)分布范圍廣，所經(jīng)過地區(qū)的地理、氣候條件差別較大，很容易遭受雷擊。接觸網(wǎng)一旦遭受雷擊將會引起設(shè)備損壞、列車失電，導(dǎo)致運輸中斷，甚至造成行車事故威脅人身安全[1]。接觸網(wǎng)中回流線雖然有一定的防雷作用，但回流線安裝高度比承力索低，其架設(shè)高度沒有達到有效的直擊雷的防護高度，因此回流線僅能起到電力部門采取的架設(shè)耦合地線的防雷作用，不能有效的防止直擊雷。

隨著雷擊事故的頻繁發(fā)生，接觸網(wǎng)防雷逐漸引起了人們的注意，我國近幾年在接觸網(wǎng)防雷領(lǐng)域也展開了充分的研究。近幾年一些相關(guān)的文獻針對接觸網(wǎng)單獨架設(shè)避雷線展開了充分的研究。文獻[2]在分析了我國高速鐵路雷電防護體系的基礎(chǔ)上，指出我國雷電防護體系的缺陷，提出有效的接觸網(wǎng)防雷方案。同時為了防止直擊雷，提出架設(shè)避雷線和升高PW線或回流線兼做避雷線的接觸網(wǎng)防雷方案，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)架設(shè)避雷線可以有效提高接觸網(wǎng)耐雷水平，降低雷擊跳閘率[3-7]。文獻[8-9]應(yīng)用電氣幾何模型分析了高速鐵路接觸網(wǎng)防雷性能，同時建立了牽引網(wǎng)三維雷擊電氣幾何模型，推導(dǎo)了高速鐵路牽引網(wǎng)直擊雷擊跳閘率的計算公式。經(jīng)過國內(nèi)專家多方面討論，已近初步形成了架設(shè)避雷線的可行性，但是關(guān)于避雷線的架設(shè)方式目前還沒有相關(guān)的研究。目前大多數(shù)接觸網(wǎng)支柱一般利用支柱本身金屬部分進行自然接地，支柱接地部分很少設(shè)置單獨的接地體。對于一些沿線經(jīng)過山區(qū)、高原凍土地區(qū)接地困難的路基段鐵路，其土壤電阻率可達到3 000 Ω·m以上，利用自然接地時其接地電阻一般較大，可達到幾十歐姆甚至上百歐姆，并且隨著時間的推移接地電阻不斷增高。接觸網(wǎng)架設(shè)避雷線后，雷電防護性能與避雷線的接地方式以及支柱的接地電阻密切相關(guān)，當接地電阻較大時接觸網(wǎng)容易遭受反擊。如果針對每一支柱進行接地改造，降低支柱的接地電阻，這樣工程投資費用勢必會很高。針對此種情況，分析間隔接地改造方案對接觸網(wǎng)雷電防護性能的影響，在此基礎(chǔ)上進一步分析部分絕緣改造方案是否可行，本文的研究對以后的接觸網(wǎng)防雷接地設(shè)計與施工有著重要的意義。

采用PSCAD/EMTDC仿真分析接觸網(wǎng)避雷線在不同的接地改造方案下，接觸網(wǎng)反擊耐雷水平以及雷擊跳閘率的變化，最終確定合理的接地改造方案，為我國接觸網(wǎng)防雷改造提供有效的指導(dǎo)。

1　避雷線接地改造方案

1.1　避雷線間隔接地改造方式

接觸網(wǎng)支柱主要通過自然接地方式進行接地，對于接地困難的路基段支柱接地電阻較大，架設(shè)避雷線接觸網(wǎng)后非常容易遭受反擊。當接觸網(wǎng)支柱的形式、尺寸，絕緣子的形式和數(shù)量確定后，影響接觸網(wǎng)反擊耐雷水平的主要因素則是支柱的接地電阻值，因此降低支柱接地電阻是防止反擊的主要措施。降低支柱接地電阻的主要措施是對支柱接地進行改造，增加接地極數(shù)量。但是接觸網(wǎng)支柱分布較密集，如果對每一支柱進行接地改造，實施起來較為困難，并且工程投資費用較高，這種方案不太現(xiàn)實。因此提出采用間隔接地改造方式，在保證接觸網(wǎng)雷電防護性能的基礎(chǔ)上，一定程度上可以降低接觸網(wǎng)遭受反擊的概率，同時可以有效降低工程投資和施工難度。圖1為采用不同間距進行接地改造示意，圖中10 Ω表示接地改造后的支柱接地電阻值，R表示未進行接地改造支柱接地電阻值，也即是利用自然接地時接地電阻值。接地改造間距對接觸網(wǎng)整體的雷電防護性能影響較大，因此將重點討論接地改造間距對整體雷電防護性能的影響。

圖1　采用間隔接地改造示意

1.2　避雷線部分絕緣改造方式

圖2　避雷線絕緣與非絕緣架設(shè)示意

當雷擊支柱時有80%以上的雷電流通過支柱分流，支柱接地電阻較大時，很容易造成地電位反擊。采用間隔接地改造時，未進行接地改造的支柱其接地電阻仍然較大，雷擊支柱時仍然有可能遭受反擊。在接觸網(wǎng)防雷時可以考慮將雷電流趕到和限定在降阻的支柱上泄放，提出采用部分絕緣架設(shè)方式。通過絕緣架設(shè)方式，雷電流不能通過接地電阻較大的支柱進行分流，只能通過相鄰的接地改造后的支柱進行分流，從而有效避免接觸網(wǎng)遭受反擊，同時也可以避免對接地極進行改造，從而降低工程費用。部分絕緣改造具體實施過程就是在圖1的基礎(chǔ)上對未進行接地改造的支柱采用絕緣架設(shè)方案，接地改造后的支柱采用非絕緣架設(shè)。但是此種方案未經(jīng)過理論分析，其防雷效果是否可行還需要進一步驗證。圖2分別為避雷線絕緣架設(shè)與非絕緣架設(shè)示意，避雷線采用非絕緣架設(shè)時通過金屬肩架支撐，如圖2(a)所示，這樣避雷線可以通過接地引下線或者鋼支柱本身接地。當支柱采用絕緣架設(shè)方案時，主要是通過絕緣肩架支撐，如圖2(b)所示，這樣可以有效避免避雷線通過鋼支柱接地。

2　避雷線間隔接地方式研究

2.1　計算條件

我國高速鐵路牽引供電系統(tǒng)一般采用AT供電方式，在正常情況下，通過牽引變電所向接觸網(wǎng)供電，供電臂長一般在30～50 km。AT供電方式具有供電距離長，電磁干擾小等優(yōu)點[13]。圖3為AT供電方式接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意。

圖3　接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意(單位：m)

AT供電方式下接觸網(wǎng)導(dǎo)線包括F線(饋線)、PW線(回流線)、T線，其中T線由承力索和懸掛在下方接觸線組成，PW線位于F線下方，避雷線架設(shè)在支柱上方。F線雷電沖擊放電電壓為315 kV，T線雷電沖擊放電電壓為460 kV[1]。雷擊支柱時，F(xiàn)線率先閃絡(luò)，因此將F線閃絡(luò)時對應(yīng)雷電流作為反擊耐雷水平。各導(dǎo)線相關(guān)參數(shù)[11]如表1所示。

表1　接觸網(wǎng)導(dǎo)線參數(shù)

接觸網(wǎng)支柱高度一般不超過10 m，計算過程中采用電感模擬能夠滿足計算要求，因此采用電感來模擬接觸網(wǎng)支柱。如果直接利用鋼結(jié)構(gòu)支柱或混凝土支柱的鋼筋兼作接地引下線，支柱單位長度等值電感就可按照式(1)來估算[13]

(1)

式中，L0為支柱單位長度等值電感，μH/m；hg為支柱高度，m；r0為支柱截面的等效半徑，m。

仿真中選擇鋼支柱且L0按照0.5 μH/m取值。其他類型支柱等值電感和波阻抗參考值如表2所示。

表2　支柱等值電感和波阻抗取值

2.2　不同間距接地改造對耐雷水平影響分析

避雷線采用間隔接地改造時，接地改造間距的大小直接影響接觸網(wǎng)整體的雷電防護性能，因此本節(jié)重點討論接地改造間距大小對接觸網(wǎng)耐雷水平的影響。當自然接地電阻不同時，接觸網(wǎng)改造前后耐雷水平不相同。分別選取自然接地電阻R=90 Ω和R=30 Ω兩種情況進行研究，接地改造后支柱接地電阻為10 Ω。對未進行接地改造的支柱依次進行編號，如圖4所示。接觸網(wǎng)檔距為50 m，當采用其他間距進行改造時也是如此。

圖4　間隔400 m進行接地改造示意

采用不同間距接地改造時耐雷水平計算結(jié)果如表3、表4所示。從計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在不同電阻率地區(qū)采用不同間隔進行接地改造時，接觸網(wǎng)耐雷水平有不同程度的提高。對于改造后的支柱(R=10 Ω)，反擊耐雷水平均提高到68.3 kA，并且接地改造后支柱其反擊耐雷水平不受接地改造間距以及相鄰支柱接地電阻的影響。與改造支柱緊相鄰的支柱，其反擊耐雷水平有少許改善，但效果不明顯，對間隔改造支柱2跨距以上的支柱，其反擊耐雷水平?jīng)]有改善。

表3　支柱自然接地電阻R=30 Ω時，接觸網(wǎng)反擊耐雷水平

表4　支柱自然接地電阻R=90 Ω時，接觸網(wǎng)反擊耐雷水平

通過上面分析可以發(fā)現(xiàn)，接觸網(wǎng)支柱接地改造越密集，其整體耐雷水平提高的越高，但同時相應(yīng)的接地改造費用也會相應(yīng)的增加。因此在實際接觸網(wǎng)防雷改造中，因根據(jù)當?shù)氐睦妆┨鞖?、地形地貌等條件選擇合理的接地改造方案。

2.3　不同間距接地改造對雷擊跳閘率影響

在雷電活動強度以及電阻率不同的地區(qū)，采用不同間距進行接地改造時，接觸網(wǎng)整體的雷擊跳閘率并不相同。因此本節(jié)重點討論在不同雷暴日和自然接地電阻條件下，采用不同間距進行改造時，分析接觸網(wǎng)雷擊跳閘率的變化。

架設(shè)避雷線后接觸網(wǎng)雷擊跳閘率的計算方法，文獻[4]有比較詳細的介紹，本文不再贅述。本文同時考慮了不同雷暴日以及不同自然接地電阻情況下，接觸網(wǎng)在不同間距接地改造后其雷擊跳閘率的變化，雷擊跳閘率計算結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同雷暴日條件下接地改造間距與雷擊跳閘率的關(guān)系

圖5計算了在支柱自然接地電阻一定，不同雷暴區(qū)域進行接地改造時，接地改造間距從100 m到1 000 m，接觸網(wǎng)百千米雷擊跳閘率的變化。在不同雷暴區(qū)進行改造時，隨著接地改造間距的增大，雷擊跳閘率逐漸增大并且逐漸趨于平緩。在少雷區(qū)即雷暴日小于20 d時，隨著接地改造間距的增大，雷擊跳閘率變化較小，雷擊跳閘率始終小于5次/(100 km·年)，因此在少雷區(qū)可以適當增加接地改造間距，更多地利用支柱自然接地。實際上應(yīng)重點關(guān)注雷暴日較嚴重的地區(qū)，從圖5可以看出在高雷區(qū)或者強雷區(qū)時，隨著接地改造間距的增大，雷擊跳閘率甚至增加1倍多，從圖中可以發(fā)現(xiàn)在200 m以下進行接地改造時，其雷擊跳閘率改善效果較為明顯。

圖6計算了同一雷暴地區(qū)，支柱在不同自然接地電阻條件下接地改造間距與雷擊跳閘率關(guān)系?？紤]到雷暴日較多的地區(qū)雷擊事故比較嚴重，因此計算在60 d條件下不同自然接地電阻時雷擊跳閘率的變化。從圖6可以看出，隨著接地改造間距的增大，雷擊跳閘率逐漸增大并且逐漸趨于平緩。相同接地改造間距條件下，支柱自然接地電阻越大，接觸網(wǎng)雷擊跳閘率越大。因此在土壤電阻率較大的區(qū)域，可以適當縮短接地改造間距，從而降低接觸網(wǎng)雷擊跳閘率。

圖6　不同自然接地電阻條件下接地改造間距與雷擊跳閘率關(guān)系

3　避雷線部分絕緣架設(shè)方式研究

3.1　避雷線部分絕緣架設(shè)對耐雷水平影響

避雷線采用部分絕緣改造方式時，選取接觸網(wǎng)接地改造間距為100 m時的情況進行分析，即，避雷線在未進行接地改造的支柱上采用絕緣安裝，接地改造后的支柱上采用非絕緣安裝。接地改造后支柱接地電阻值仍然為10 Ω，未改造支柱接地電阻在30～110 Ω范圍變化。圖7為雷擊絕緣架設(shè)避雷線等效示意，避雷線采用絕緣架設(shè)時所用絕緣肩架的沖擊閃絡(luò)放電電壓為UL，為了分析UL對接觸網(wǎng)整體耐雷水平的影響，首先選取UL變化范圍為300～1 800 kV。避雷線絕緣架設(shè)后，接觸網(wǎng)反擊耐雷水平計算如表5所示。為了對比分析，同時計算避雷線采用非絕緣架設(shè)時支柱耐雷水平，UL等于0表示非絕緣架設(shè)。

圖7　雷擊絕緣支柱示意

接地電阻R/Ω雷擊絕緣支柱耐雷水平/kA0300kV600kV900kV1200kV1500kV1800kV3041.341.341.338.119.319.319.35031.731.731.729.219.920207026.826.826.826.120.120.820.89023.823.823.821.120.321.521.511021.921.921.920.320.522.122.1

從表5計算數(shù)據(jù)可以看出，避雷線絕緣肩架采用不同等級的絕緣水平時，接觸網(wǎng)反擊耐雷水平變化并不相同。當避雷線絕緣肩架沖擊閃絡(luò)電壓UL在300～600 kV，反擊耐雷水平與非絕緣架設(shè)情況相同，并且隨著接地電阻的增大耐雷水平逐漸減小。當UL>600 kV后，反擊耐雷水平逐漸降低，中間有少許波動，當UL增加到1 500 kV以后，其耐雷水平不受避雷線絕緣肩架的沖擊閃絡(luò)電壓影響，并且其受接地電阻影響較小。

3.2　避雷線采用部分絕緣架設(shè)閃絡(luò)原因分析

為了進一步分析避雷線絕緣肩架以及導(dǎo)線絕緣子整個擊穿過程，給出了避雷線絕緣肩架在3種不同絕緣水平下導(dǎo)線臨界閃絡(luò)時的波形，如圖8所示，這3種波形分別對應(yīng)3種不同的閃絡(luò)狀態(tài)。圖中僅給出0～0.4 μs時刻部分波形。

(1)避雷線絕緣肩架先閃絡(luò)

從耐雷水平計算結(jié)果可以看出，最開始絕緣肩架沖擊閃絡(luò)電壓較小時，其耐雷水平與非絕緣架設(shè)情況相同，其代表閃絡(luò)波形如圖8(a)所示。從圖中可以看出，避雷線絕緣肩架在t1時刻發(fā)生閃絡(luò)，F(xiàn)線絕緣子在t2時刻負峰值處發(fā)生閃絡(luò)。由于避雷線絕緣肩架在F線絕緣子之前閃絡(luò)，在t1～t2之間雷電流通過支柱流入大地，造成地電位升高，此時F線絕緣子承受電壓U4=U2-U1<0，并且U1、U2差值逐漸增大，最后使F線絕緣子在t2時刻發(fā)生反擊閃絡(luò)。

注：U1—F線絕緣子接地端(低壓端)電壓；U2—F線絕緣子導(dǎo)線端(高壓端)電壓；U3—避雷線絕緣肩架兩端承受電壓；U4—F線絕緣子兩端承受電壓圖8　導(dǎo)線閃絡(luò)時絕緣子兩端電壓波形

(2)避雷線絕緣肩架與線路絕緣子同時閃絡(luò)

當繼續(xù)增大避雷線絕緣肩架沖擊閃絡(luò)電壓UL至900 kV時，從圖8(b)中可以看出，避雷線絕緣肩架和F線絕緣子在t3時刻同時發(fā)生閃絡(luò)，此時屬于一個臨界過程，并且可以看出F線同樣是由于地電位升高造成絕緣子反擊閃絡(luò)。此時由于PW線的分流作用減弱，導(dǎo)致接觸網(wǎng)反擊耐雷水平相比之前稍微降低。

(3)避雷線絕緣肩架不閃絡(luò)

繼續(xù)提高避雷線絕緣肩架沖擊閃絡(luò)電壓至1 500 kV以后時，從圖8(c)中可以看出，避雷線絕緣肩架并未發(fā)生閃絡(luò)，而在t4時刻F線絕緣子在正峰值處發(fā)生閃絡(luò)。由于避雷線絕緣肩架并未擊穿，因此F線不可能由于地電位反擊在成的閃絡(luò)。F線閃絡(luò)時，U4=U2-U1>0，即絕緣子導(dǎo)線端感應(yīng)過電壓大于接地端電壓，因此F線閃絡(luò)原因是感應(yīng)過電壓過大而造成的，所以F線絕緣子是感應(yīng)閃絡(luò)。由于避雷線絕緣肩架并未發(fā)生閃絡(luò)，因此F線絕緣子接地端電壓(U1)較小，而導(dǎo)線端感應(yīng)電壓(U2)較大，造成F線絕緣子更容易發(fā)生閃絡(luò)，從而其耐雷水平低于前面介紹的幾種情況。

從上述分析可以發(fā)現(xiàn)隨著避雷線絕緣肩架沖擊閃絡(luò)電壓的提高，F(xiàn)線由最初的反擊過電壓閃絡(luò)演變成感應(yīng)過電壓閃絡(luò)，即使繼續(xù)提高避雷線絕緣肩架沖擊閃絡(luò)水平，雖然可以避免支柱接地電阻過大而造成導(dǎo)線反擊閃絡(luò)，但是由于接觸網(wǎng)導(dǎo)線絕緣子絕緣水平較低，導(dǎo)線也會由于感應(yīng)過電壓過高而造成感應(yīng)閃絡(luò)，接觸網(wǎng)耐雷水平得不到提高。從電氣幾何模型可以看出，避雷線絕緣架設(shè)后其電氣幾何模型不變，耐雷水平降低，其雷擊跳閘率自然會降低。因此避雷線采用部分絕緣架設(shè)后其耐雷水平和雷擊跳閘率均降低，選擇避雷線接地方案時沒有必要采用部分絕緣架設(shè)方案。

4　結(jié)論

本文研究了AT供電方式下避雷線間隔接地方式和部分絕緣改造方式的雷電防護性能，主要結(jié)論如下。

(1)采用不同間距進行間隔接地改造時，發(fā)現(xiàn)雖然改造后的支柱耐雷水平有較大的提高，但未改造支柱其耐雷水平幾乎不受影響；當線路支柱接地改造間隔小于200 m時，總體雷擊跳閘率有較大改善，但間距大于200 m后，雷擊跳閘率基本沒有改善。

(2)當避雷線采用部分絕緣改造時，由于避雷線絕緣肩架先閃絡(luò)，導(dǎo)致支柱耐雷水平與非絕緣架設(shè)時相同；若進一步提高避雷線絕緣肩架的絕緣水平，由于避雷線雷電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓將導(dǎo)致導(dǎo)線絕緣子閃絡(luò)，其耐雷水平反而低于避雷線非絕緣架設(shè)。

(3)避雷線絕緣肩架絕緣等級高低，對線路的耐雷水平和雷擊跳閘率無影響，不建議采用避雷線絕緣架設(shè)模式；間隔進行支柱接地改造雖然能部分提高支柱耐雷水平，但對整體雷擊跳閘率有一定的效果，并且能有效降低工程投資，宜根據(jù)具體情況選擇。

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