周少喻

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接觸網(wǎng)耐雷水平及其影響因素研究

周少喻

研究了單線(xiàn)區(qū)段與復(fù)線(xiàn)區(qū)段雷擊次數(shù)與雷暴日的關(guān)系，給出了雷擊接觸網(wǎng)不同位置的過(guò)電壓類(lèi)型及不同類(lèi)型雷擊產(chǎn)生的過(guò)電壓幅值計(jì)算式，分析了接地電阻、避雷線(xiàn)和避雷器對(duì)接觸網(wǎng)耐雷水平的影響，分析了不同雷擊類(lèi)型下接觸網(wǎng)現(xiàn)有的耐雷水平及接觸網(wǎng)耐雷水平的影響因素，提出了提高接觸網(wǎng)耐雷水平的建議措施。

電氣化鐵路；接觸網(wǎng)；雷擊過(guò)電壓；防雷措施；耐雷水平

0 引言

接觸網(wǎng)是電氣化鐵路特有的供電線(xiàn)路，其作用是為電力機(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組提供電能，由于接觸網(wǎng)設(shè)備具有的不可備用特性，其發(fā)生故障將直接影響行車(chē)?，F(xiàn)有的研究表明，雷害是造成接觸網(wǎng)供電故障的主要因素之一，而我國(guó)中部和南部地區(qū)的電氣化鐵路極易遭受?chē)?yán)重的雷害，尤其是東南沿海地區(qū)，每百公里接觸網(wǎng)線(xiàn)路每年可能遭到雷擊10次左右。如廣東某牽引變電所，在雷電活動(dòng)最頻繁的7、8月份，1個(gè)月的雷擊跳閘次數(shù)可以達(dá)到10次以上，嚴(yán)重影響了行車(chē)質(zhì)量。

德國(guó)電氣化鐵路接觸網(wǎng)的百公里年雷擊率僅為1次，因此在德國(guó)主要采用避雷器進(jìn)行防雷保護(hù)，考慮到避雷器保護(hù)范圍的有限性和經(jīng)濟(jì)因素，通常只在雷電活動(dòng)頻繁的地段加裝避雷器。

日本受海洋氣候影響，雷電活動(dòng)僅次于我國(guó)東南沿海各省，在其電氣化鐵路防雷設(shè)計(jì)中以安裝避雷線(xiàn)為主，根據(jù)雷擊頻度和線(xiàn)路的重要程度，將鐵路劃分為A、B、C三個(gè)防雷等級(jí)，其中A級(jí)地區(qū)要求全線(xiàn)安裝避雷線(xiàn)，B級(jí)地區(qū)只需要在部分雷擊重點(diǎn)區(qū)段安裝避雷線(xiàn)，C級(jí)地區(qū)則不需要安裝避雷線(xiàn)，避雷器只用作重點(diǎn)設(shè)備的防護(hù)。

我國(guó)國(guó)土遼闊，與歐洲和日本氣候差異非常大，本文將根據(jù)我國(guó)電氣化鐵路的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)來(lái)分析接觸網(wǎng)的雷擊狀況，分析各種防雷措施的實(shí)施效果。

1 接觸網(wǎng)雷擊參數(shù)研究

1.1 接觸網(wǎng)雷擊次數(shù)與雷暴日的關(guān)系

雷暴日是決定接觸網(wǎng)遭受雷擊次數(shù)的主要因素，在年雷暴日較多的區(qū)域，接觸網(wǎng)線(xiàn)路遭受雷擊的概率也隨之增加，該地區(qū)接觸網(wǎng)的防雷要求也隨之提高，因此首先需要分析接觸網(wǎng)雷擊頻率與雷暴日的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)我國(guó)鐵路建設(shè)規(guī)范，接觸網(wǎng)側(cè)面界限為 3 m左右，承力索距軌面平均高度約為7 m，采用電氣幾何模型分析方法，結(jié)合電力系統(tǒng)防雷保護(hù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可以得到接觸網(wǎng)每百公里的年雷擊次數(shù)與雷暴日的關(guān)系。

單線(xiàn)區(qū)段：

復(fù)線(xiàn)區(qū)段：

（2）

式中，為接觸網(wǎng)每百公里的年雷擊次數(shù)。采用式（1）與式（2）可以計(jì)算得出接觸網(wǎng)百公里年雷擊次數(shù)與當(dāng)?shù)啬昶骄妆┤誨的關(guān)系，如表1所示。

表1 接觸網(wǎng)雷擊次數(shù)與地區(qū)年雷暴日對(duì)應(yīng)表

通過(guò)對(duì)比表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：接觸網(wǎng)遭受雷擊的次數(shù)隨雷暴日的增加而快速增加，年雷暴日90 d與雷暴日20 d的地區(qū)對(duì)比，前者的接觸網(wǎng)年雷擊次數(shù)約為后者的7倍。通過(guò)查尋我國(guó)氣象資料可以發(fā)現(xiàn)，我國(guó)東南沿海地區(qū)的年雷暴日在90 d以上，西北地區(qū)低于20 d。我國(guó)鐵路線(xiàn)路通?？缭綌?shù)個(gè)省市，各區(qū)域的年雷暴日均不相同，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中需根據(jù)當(dāng)?shù)啬昀妆┤諗?shù)量，選取合適的防雷措施。

1.2 雷擊接觸網(wǎng)過(guò)電壓分析

接觸網(wǎng)的雷擊故障主要是絕緣子閃絡(luò)造成對(duì)地短路，而過(guò)電壓是造成絕緣子閃絡(luò)的主要原因。由于雷電流幅值高，放電時(shí)間短，因此雷擊過(guò)電壓的幅值與雷擊點(diǎn)的沖擊阻抗有關(guān)。當(dāng)雷電擊中支柱頂部或支柱上的PW線(xiàn)、避雷線(xiàn)或架空地線(xiàn)等接地設(shè)備時(shí)，雷電流將通過(guò)設(shè)備的接地引下線(xiàn)和接地裝置流入大地，此時(shí)過(guò)電壓幅值與接地裝置的沖擊電阻有關(guān)。如果雷電擊中線(xiàn)路的高壓導(dǎo)線(xiàn)（如承力索或負(fù)饋線(xiàn)），過(guò)電壓的幅值主要受高壓導(dǎo)線(xiàn)波阻抗的影響。下文將分析這2種過(guò)電壓的計(jì)算方法。

（1）雷擊接觸網(wǎng)接地部分。

此時(shí)過(guò)電壓主要是由于接地裝置的沖擊電阻引起，但由于雷電流變化速度非?？?，故不能忽略支柱電感的影響，因此雷擊接地部分的過(guò)電壓為

式中，為接地裝置的沖擊電阻，W；為雷電流幅值，kA；為支柱電感，mH。

由于空間的電磁感應(yīng)作用，在接觸網(wǎng)的高壓導(dǎo)線(xiàn)（接觸線(xiàn)與承力索）上也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓，該感應(yīng)過(guò)電壓為

式中，為接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地平均高度，m。

接觸網(wǎng)絕緣子承受的雷電過(guò)電壓為二者的疊加值，因此絕緣子實(shí)際承受的雷電過(guò)電壓可以用下式進(jìn)行計(jì)算：

此時(shí)對(duì)應(yīng)的雷電流幅值為

（6）

通過(guò)式（6）可以得出，接觸網(wǎng)的耐雷水平受接地裝置的沖擊電阻及導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地高度的影響，沖擊電阻越大，導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地高度越高，接觸網(wǎng)的耐雷水平越低。

（2）雷擊接觸網(wǎng)的高壓導(dǎo)線(xiàn)。

當(dāng)雷擊接觸網(wǎng)高壓導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，雷電流只能沿導(dǎo)線(xiàn)傳播，由于導(dǎo)線(xiàn)電感與電阻的共同作用，在導(dǎo)線(xiàn)上會(huì)產(chǎn)生較高的過(guò)電壓，導(dǎo)線(xiàn)的阻抗特性與雷電流在導(dǎo)線(xiàn)上的傳播速度有關(guān)，該阻抗稱(chēng)之為波阻抗。根據(jù)電力系統(tǒng)過(guò)電壓標(biāo)準(zhǔn)推薦的公式，接觸網(wǎng)絕緣子上的過(guò)電壓幅值為

式中，為接觸網(wǎng)線(xiàn)路的波阻抗，W；0為雷電通道的波阻抗，W。

在線(xiàn)路防直擊雷設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，雷電流的波形通常采用斜角平頂波代替，波頭的陡度參數(shù)為d/ d=。由于電感的作用，過(guò)電壓的最大值發(fā)生在雷電流波頭部分，若不考慮絕緣子放電延時(shí)的影響，絕緣子閃絡(luò)只能發(fā)生在波頭時(shí)間段內(nèi)。對(duì)于波頭內(nèi)某一時(shí)刻0，絕緣子上的雷電過(guò)電壓與時(shí)間的關(guān)系為

等值雷電壓源為

20() =0(0+) （9）

式中，為從0開(kāi)始計(jì)時(shí)的新時(shí)間變量。

此時(shí)絕緣子承受的雷擊過(guò)電壓為

2 接觸網(wǎng)耐雷水平的影響因素

2.1 接地電阻對(duì)接觸網(wǎng)耐雷水平的影響

根據(jù)上文給出的絕緣子承受的雷擊過(guò)電壓計(jì)算式，當(dāng)絕緣子的閃絡(luò)電壓為300 kV時(shí)，可以算得不同雷電流波形下接觸網(wǎng)的耐雷水平，得到接地電阻與接觸網(wǎng)耐雷水平的關(guān)系如表2所示。

表2 不同接地電阻對(duì)應(yīng)的接觸網(wǎng)耐雷水平一覽表 kA

通過(guò)表2的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，支柱的接地電阻對(duì)接觸網(wǎng)的耐雷水平影響極大，當(dāng)雷電流波形為1.2/50ms時(shí)，支柱接地電阻從5W增加到30W，線(xiàn)路耐雷水平從35 kA下降到12 kA，降低了67%。當(dāng)雷電流的波形為2.6/50ms時(shí)，支柱接地電阻從 5W增加到30W，線(xiàn)路耐雷水平將從42 kA降低到13 kA，降低了70%，因此在接觸網(wǎng)防雷改造中，降低接觸網(wǎng)支柱的接地電阻可以提高線(xiàn)路的耐雷水平。

2.2 避雷線(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)耐雷水平的影響

架設(shè)避雷線(xiàn)是輸電線(xiàn)路防雷的主要手段，為了達(dá)到避雷線(xiàn)的防雷效果，本文仿真計(jì)算了接觸網(wǎng)增加避雷線(xiàn)前后的耐雷水平，見(jiàn)表3。

表3采用的仿真參數(shù)：支柱高度8 m，雷電流采用2.6/50ms的波形，絕緣子閃絡(luò)電壓300 kV。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)支柱接地電阻為5W時(shí)，架設(shè)避雷線(xiàn)可以使接觸網(wǎng)的耐雷水平從42 kA提高到 50 kA，提高了8 kA。當(dāng)支柱接地電阻為30W時(shí)，架設(shè)避雷線(xiàn)可以使接觸網(wǎng)的耐雷水平從13 kA提高到19 kA，提高了6 kA。由此可見(jiàn)，避雷線(xiàn)可以提高接觸網(wǎng)耐雷水平。考慮到避雷線(xiàn)可以防止雷電直擊接觸網(wǎng)的高壓導(dǎo)線(xiàn)，仿真發(fā)現(xiàn)雷擊高壓導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，僅需要3 kA的雷電流就可導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)。因此加裝避雷線(xiàn)可以更好地預(yù)防接觸網(wǎng)雷擊事故。

表3 架設(shè)避雷線(xiàn)對(duì)雷擊塔頂耐雷水平的影響一覽表 kA

2.3 避雷器對(duì)接觸網(wǎng)耐雷水平的影響

避雷器是一種重要的防雷設(shè)備，其主要作用是將雷電流引入大地，從而降低被雷擊物體的對(duì)地電壓。根據(jù)電力系統(tǒng)過(guò)電壓防護(hù)規(guī)程的規(guī)定，在人員活動(dòng)的區(qū)域，重要的強(qiáng)弱電設(shè)備以及輸電線(xiàn)路聯(lián)接點(diǎn)均需要安裝避雷器。為了達(dá)到避雷器的防護(hù)效果，本文通過(guò)仿真計(jì)算了接觸網(wǎng)安裝避雷器前后的耐雷水平（表4）。

表4 架設(shè)避雷器對(duì)雷擊塔頂耐雷水平影響一覽表 kA

通過(guò)表4可以發(fā)現(xiàn)，避雷器可以大幅度提高接觸網(wǎng)的耐雷水平，當(dāng)支柱接地電阻為30W時(shí)，安裝避雷器后，接觸網(wǎng)的耐雷水平從13 kA提高到24 kA，提高了92%；當(dāng)支柱接地電阻為5W時(shí)，接觸網(wǎng)的耐雷水平從42 kA提高到116 kA，提高了1.7倍。因此在重要的接觸網(wǎng)地段和經(jīng)常遭受雷擊的地區(qū)，可以通過(guò)加裝避雷器提高接觸網(wǎng)的安全性和運(yùn)行的可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究接觸網(wǎng)的耐雷水平及影響因素，得出如下結(jié)論：

（1）不同雷暴日下接觸網(wǎng)遭受雷擊次數(shù)差異很大，其中雷暴日為90 d的地區(qū)比雷暴日為20 d的地區(qū)接觸網(wǎng)遭到雷擊的次數(shù)高出近7倍，因此我國(guó)不同地域防雷工作難度差異很大，東南沿海地區(qū)防雷任務(wù)異常繁重。

（2）支柱接地電阻從30W減小到5W，接觸網(wǎng)耐雷水平相應(yīng)地增加了2.3倍；有避雷線(xiàn)比無(wú)避雷線(xiàn)的接觸網(wǎng)耐雷水平提高了19.2%，因此在我國(guó)雷害多的地區(qū)，如東南沿海，中部地區(qū)，應(yīng)考慮安裝避雷線(xiàn)，并將接地電阻降到合理的數(shù)值區(qū)間。

（3）避雷器對(duì)提高雷擊塔頂時(shí)耐雷水平的作用顯著，在接地電阻為5W時(shí)，避雷器的效果最好，因此安裝避雷器是一種提高接觸網(wǎng)耐雷水平的有效措施，但架設(shè)避雷器時(shí)需要考慮避雷器的質(zhì)量問(wèn)題。

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The paper analyzes the relations between number of times with lightning stroke and days with thunderstorm in single line section and double line section, brings up over-voltage types under the overhead contact system suffered from lightning strokes at different locations and the calculation formulae of over voltage amplitudes generated by different types of lightning strokes, analyzes the impact to the lightning protection levels of overhead contact system with different earthing resistences, equipped with lightning wire or lightning arrestor, puts forward the recommanded measures for improving the lithgning protection levels of overhead contact system.

Electrified railway; overhead contact system; lightning stroke over-voltage; lightning protection measures; lightning protection level

U226.8+3

B

1007-936X(2017)03-0040-03

2017-01-22

周少喻.中國(guó)鐵路總公司安全監(jiān)督管理局，高級(jí)工程師，電話(huà)：13807152608。