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.西安理工大學水利水電學院，陜西西安710048）

隨著我國高速電氣化鐵路的快速發(fā)展，對擔負高鐵動車組供電任務的接觸網(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，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、地形比較復雜的路段，高鐵接觸網(wǎng)遭受雷害程度比較嚴重。在武廣線、貴昆線等均發(fā)生過雷擊接觸網(wǎng)并造成嚴重設備損壞事故[1]。因此，有必要進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營[1]。文獻[2]只分析了應用直接接地方案解決接觸網(wǎng)支柱遭受雷擊的問題；文獻[3]則著重分析避雷器在接觸網(wǎng)防雷中的應用，而其只能作為牽引供電系統(tǒng)防雷技術措施的一種補充，不可高密集地大量安裝。借鑒國內外高鐵防雷的措施及經(jīng)驗，本文提出高鐵接觸網(wǎng)全線架設架空避雷線的新方案，并通過分析接觸網(wǎng)雷擊過電壓、耐雷水平分析計算及仿真說明該方案的有效性。

1 國內外高速鐵路防雷概況

1.1 國內高速鐵路防雷現(xiàn)狀

對于我國電氣化鐵道接觸網(wǎng)防雷設計，根據(jù)雷電日及運營經(jīng)驗，按相關原則對接觸網(wǎng)進行大氣過電壓保護[4]，強雷區(qū)應架設獨立的避雷線，其接地電阻應符合表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，除了在變電所進出口、變壓器進線處、接觸網(wǎng)用隔離開關兩側、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)相應區(qū)段還采取了架設避雷線的措施[5]。

表1 接觸網(wǎng)設備及其臨近設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)及強雷區(qū)的重點位置設置避雷器，架設避雷線等防雷措施在電氣化鐵道中尚未應用[6]，回流線能起到一定的防雷作用，但預防直擊雷效果不佳。

2 防雷新方案

根據(jù)我國高鐵實際情況并借鑒電力系統(tǒng)和日本國鐵防雷成功經(jīng)驗,考慮我國高速電氣化鐵路的重要程度,為滿足高鐵運行的高可靠性、減少牽引供電系統(tǒng)維護。本文提出在高速鐵路接觸網(wǎng)上方全線架設架空避雷線的方案，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]。當接觸網(wǎng)側面限界取3 m，承力索距軌面平均高度取7 m時，國際大電網(wǎng)會議33委員會推薦計算[8]：

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

3 無避雷線時，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指標來衡量。雷擊接觸網(wǎng)不同位置將有相應的過電壓產生，如在接觸網(wǎng)附近的地面遭到雷擊時，將在接觸網(wǎng)上產生感應過電壓；支柱遭到雷擊時，將在其上產生沖擊電壓，并在網(wǎng)上產生感應過電壓；接觸導線遭到雷直擊時，在導線上將產生行波過電壓。

3.1 感應過電壓及接觸網(wǎng)耐雷水平

根據(jù)理論分析和實測結果，有關規(guī)程建議，當雷擊點距接觸網(wǎng)的距離S大于65 m時，在接觸網(wǎng)上產生的過電壓與雷電流幅值成正比，與雷擊點到接觸網(wǎng)的距離成反比，接觸網(wǎng)上的感應過電壓U1（kV）可由下式計算[9]，可取 S＝2hd。

式中，hd為接觸網(wǎng)導線平均高度。

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

3.2 支柱遭受雷擊時引起的過電壓與耐雷水平

當支柱遭到雷擊時，產生的雷電流將沿著支柱流入大地，設其沖擊電壓為U2，可由下式計算

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)程建議的防雷設計中雷電流波形取斜角平頂波，波頭長度2.6 μs，當雷擊支柱時，接觸導線的感應過電壓為

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、導線高度及支柱接地電阻有關。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，支柱將對線路產生反擊，線路的耐雷水平為

3.3 接觸網(wǎng)導線直擊雷的耐雷水平

如圖2所示，雷擊于A點，雷電流將沿接觸網(wǎng)導線兩側流動。可以認為這兩個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為雷擊點兩邊導線的并聯(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 架設架空避雷線

4.1 架空避雷線防雷保護原理

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

當雷云的先導向下發(fā)展到離地面一定高度時，高出地面的避雷線頂端形成局部電場強度集中的空間，形成向上的迎面先導，使雷電僅對避雷線放電，從而保護了附近的物體免遭雷擊。避雷線的保護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 避雷線的保護范圍

避雷線的保護范圍是用模擬試驗及運行經(jīng)驗確定的。在保護范圍內被保護物不致遭受雷擊。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。

單根避雷線的保護范圍，如圖4所示。

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

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

5 架設架空避雷線后，過電壓及耐雷水平分析

接觸網(wǎng)架設架空避雷線后，雷擊的情況除了感應雷，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 感應電壓過電壓分析

架設避雷線后，因接地避雷線的電磁屏蔽作用，從而使接觸網(wǎng)導線上的感應過電壓降低，其計算公式為

式中，k0為避雷線與導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，即感應過電壓越低。由于感應過電壓的極性與雷云電荷相反，所以感應過電壓降低，會導致作用于線路絕緣子串上的過電壓降低。因此相應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

模擬實驗和多年現(xiàn)場運行經(jīng)驗表明，繞擊率Pa與避雷線對外側導線的保護角α、支柱高度h和地形條件有關，規(guī)程建議用下式進行計算

1）對于平原線路

2）對于山區(qū)線路

經(jīng)計算，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，接觸網(wǎng)與架空避雷線之間會有耦合作用，此時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，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。

計及避雷線與導線之間的耦合作用及雷擊集中接地支柱時在導線上產生的感應過電壓，此時線路的耐雷水平為

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

因此，在架設避雷線時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，由于兩側接地支柱發(fā)生負反射需要一段時間才能回到雷擊點使該點電位降低。設檔距避雷線電感2Lb，雷電流取斜角波。

則雷擊點的過電壓為

雷擊點與接觸網(wǎng)導線空氣間隙絕緣上所承受的電壓為

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

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。

5.5 計算對比

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,棒式絕緣子的50%閃絡電壓U50%為270 kV，電暈修正系數(shù)k1=1.15。避雷線保護角為25°，距承力索水平距離取0.9 m，架空避雷線與接觸網(wǎng)導線的幾何耦合系數(shù)[11]

因此

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

表3 架設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的標準電流波形，絕緣子閃絡模型采用伏秒模型與壓控模型相結合的方式閃絡模型[14]。建模過程中忽略牽引網(wǎng)線路上的弧垂和電暈。

通過分析架設避雷器前后雷擊懸掛導線與雷擊支柱頂端的絕緣子閃絡情況，對避雷線的防雷效果進行驗證。

5.6.1 未架設架空避雷線

1）雷擊支柱頂端時，當雷電流幅值達到20.1 kA時，線路絕緣子發(fā)生閃絡，如圖6所示。

圖6 未架設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）當雷擊接觸網(wǎng)時，雷電流幅值達到2.2 kA時，線路絕緣子發(fā)生閃絡，如圖7所示。

5.6.2 架設避雷線后

1）雷擊支柱，當雷電流幅值達到28.7 kA時，線路絕緣子發(fā)生閃絡，如圖8所示。

2）當雷擊接觸線時，雷電流幅值達到4.1 kA時，線路絕緣子發(fā)生閃絡，如圖9所示。

由仿真結果可以看出接觸網(wǎng)全線架設避雷線的防雷效果。本文仿真結果與計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進行計算的。

圖7 未架設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

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

6 結語

接觸網(wǎng)防雷對于高鐵的正常運營起著決定性的作用。綜上所述，應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專線運行的高可靠性、牽引供電系統(tǒng)運行設備安全，在接觸網(wǎng)上方全線架設避雷線將是高鐵防雷的一種有效措施，必將得到廣泛應用。

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