雷擊接觸網對信號電纜電磁影響分析及防護

徐迎輝，閆 智，羅映紅

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅蘭州730070)

0 引言

高速鐵路區間大部分區段采用高架橋，距地面十幾米高，易遭到雷擊;沿線采用貫通地線接地方式，距接觸網帶電體5 m范圍內的電氣化、電力電纜、通信、信號、環工、給排水等專業的設備及其他金屬構筑物都接入貫通地線，形成等電位體，強電接地連接點與弱電接地連接點之間必須保證不小于20 m的距離，以減少強電對弱電系統設備的影響［1］.當接觸網斷線或遭受雷擊絕緣子閃絡時，入地電流急劇增大，使與貫通地線相連的電纜、管道、鋼軌等設施的電位升高，嚴重時造成電纜燒損、設備損壞，危害列車正常安全運行.鐵路信號電纜用于傳輸信號設備和控制裝置之間列車控制信息、運行狀態監測信息，對列車安全運行有至關重要的作用.筆者以某線路雷擊事故致信號電纜保險管熔斷為例對雷擊過電壓進行分析，高架橋接觸網導線布置如圖1所示［2］.

1 信號電纜耦合途徑分析

圖1 高架橋接觸網導線布置圖Fig.1 Viaduct catenary wire layout

以某線路雷擊事故為例，線路設計最高列車運行速度250 km/h，跨區間無縫線路，60 kg/m鋼軌，雙線線間距4.6 m，事故區段使用Ⅲ型混凝土軌枕.選取雷害事故區段2 km進行分析.雷電流幅值超過100 kA的雷擊共出現11次，一般情況下，第一次閃擊釋放的能量最大，對電氣設備的威脅最為嚴重，因此計算中只考慮第一次雷電閃擊［3］.當雷擊支柱時，將支柱看作與接地電阻串聯的電感，雷擊點對地電位升高，加在接觸網絕緣子兩端的電壓U隨之升高，當其大于絕緣子的U50%沖擊閃絡電壓時，絕緣子發生閃絡，接觸網反擊耐雷水平的計算公式［4］如下.

式中:R為支柱的沖擊接地電阻，Ω;L為支柱的等值電感，μH;H為承力索高度，m.

電力行業標準推薦:取雷電流的波頭時間2.6 μs，在電網防雷設計計算中，雷電流沖擊電流采用2.6/50 μs波形［5］.棒式絕緣子雷電沖擊閃絡電壓U50%為270 kV，接地電阻10 Ω;鐵塔等值電感0.5 μH/m，高度7.6 m;承力索距地面高度6.9 m.代入上式計算得:I≈21.34 kA.

1.1 感性耦合

雷電壓波在被擊點沿接觸網的兩個方向進行傳播，復線綜合接地網并聯分流，取雷電流25 kA，大于接觸網耐雷水平.當主放電開始后，雷電通道中的雷電流在周圍空間產生強大的磁場，主放電通道與接觸網各導線垂直，因此在導線中產生的感應過電壓很小，通常在計算中忽略.但雷直擊接觸網時，由于雷電流變化很大，在接觸網導線周圍會產生強大的磁場，通過空間互感耦合在信號電纜產生過電壓.對于地下電纜線路，由于大地具有良好的靜電屏蔽作用，容性耦合只對架空線路及無金屬護套的架空電纜產生影響，而對埋設地下電纜或接地金屬護套的電纜可以完全不考慮其影響［6］.線路參數如表1所示.

表1 線路線材規格參數表Tab.1 Line wire specifications table

建立雷擊接觸網模型如圖2所示，模型中桿塔絕緣子發生閃絡，通過跳線將部分雷電波引入保護線中進行傳輸，至接地點雷電流入地;部分通過引下線引入貫通地線.每隔1 km鋼軌的泄漏電阻接地，通過輔助連接線CPW每隔2 km將軌道與保護線相連.高速鐵路設計規范中要求綜合接地系統的接地電阻應不大于1 Ω，仿真中貫通地線接地電阻設置為0.5 Ω.

雷電流波形及保護線、綜合貫通地線及信號電纜外皮分流情況如圖3所示，從圖中可以看出，保護線和貫通地線承擔了大部分雷電流，但電纜外皮的分流也達到了數千安，不利于信號電纜的安全運行.

承力索、接觸線電流電壓波形如圖4(a)，(b)所示，實際中承力索、接觸線由吊弦進行連接，模型中將二者進行并聯等效，不考慮牽引變電所提供電能.由上述仿真可以看出二者承擔雷電流相差不大，圖4(b)中電壓低于棒式絕緣子雷電沖擊閃絡電壓U50%270 kV，因此相鄰桿塔絕緣子不會發生閃絡.

信號電纜屏蔽層接不同接地電阻時，電纜芯線電壓如圖5所示.由圖看出，在0.5～5 Ω范圍內［7］，信號電纜接地電阻的增大使芯線電壓升高.當接地電阻5 Ω時，芯線感應電壓接近2 200 V，已經超過芯線對護套間絕緣耐壓，會使絕緣擊穿，危害信號電纜安全.

由上述仿真波形看出保護線和貫通地線分配了較大的雷電流，而接觸線中電流較小，因此不考慮接觸線中電流對信號電纜影響.國際電話電報咨詢委員會在防護導則中給出架空影響線和地下被影響線之間互感系數基本表達式:

式中的無窮積分不便數值計算，中國電力科學研究院崔鼎新等［8］推導出了互感系數表達式中的無窮積分，可以用已知的聶曼函數和斯特魯夫函數的互感系數來表示，簡化計算公式如下.

式中:a為保護線和信號電纜間距;b為保護線距信號電纜高度(6.23 m);c為信號電纜敷設深度為真空導磁率;σ為大地導電率;傳播常數γ=1.781 1.保護線電流產生縱向感應電動勢:

式中:M1為保護線與信號電纜互感H/km;l為保護線與信號電纜平行架設長度km;I1為保護線電流A;S1為綜合屏蔽系數.

把上述參數代入(4)式，計算保護線電流在信號電纜上產生縱向感應電動勢為

小隔距地下線纜間互感系數簡化計算公式為

式中:a為貫通地線和信號電纜間距;b，c為貫通地線和信號電纜敷設深度;空導磁率;σ為大地導電率;傳播常數 γ=1.781 1.貫通地線電流產生縱向感應電動勢為

式中:M2為貫通地線與信號電纜互感，H/km;l為貫通地線與信號電纜平行敷設長度，km;I2為貫通地線電流，A;S2為信號電纜外皮屏蔽系數.

把上述參數代入(6)式，計算貫通地線電流在信號電纜上產生縱向感應電動勢大小:

1.2 大地阻性耦合對信號電纜影響

由于空間限制，接地體距離信號電纜較近，不能滿足電力接地裝置對鄰近地埋通信電纜的最小隔距有關規程規定.當雷電流通過引下線引入貫通地線時，接地體周圍混凝土電位升高，向四周傳播.此時，接地體可視為點電極，接地體附近地電位升高計算公式［9］為

式中:Ig為經接地體入地雷電流;ρ為土壤電阻率;re為接地體計算半徑;x為接地體邊緣至信號電纜距離.

由于γy≤0.1，耦合到信號電纜上的電位為

式中:Uy為接地體邊緣至信號電纜電位;y為接地體邊緣至信號電纜距離;s為信號電纜屏蔽系數;γ為信號電纜“護套—大地”回路傳播常數，γ=1.35×10-3/m.

Ig取17 kA;接地體邊緣至信號電纜距離0.5 m;信號電纜屏蔽系數0.5;計算接地體邊緣至信號電纜電位:Uy=1 355.738 V.

通過上述仿真分析可知，雷電流在線纜周圍產生強磁場，保護線、貫通地線、信號電纜護套電流通過空間感性耦合在電纜芯線上產生縱向感應電動勢，其中信號電纜護套電流影響最大，并且隨接地電阻的增大而增大，鐵路內屏蔽數字信號電纜電氣指標要求線芯對金屬護套間絕緣耐壓2 000 V，當接地電阻過大時，會引起電纜外皮過熱，造成線芯與金屬護套間絕緣擊穿，電纜燒損等故障.此外，雷電流通過大地阻性耦合使電纜電位嚴重升高.因此線纜感性耦合和大地阻性耦合共同作用使信號電纜上產生過電壓.

2 信號電纜防雷措施

地下防雷線是直埋電纜普遍采用的防雷措施，但高速鐵路采用電纜槽敷設電纜方式，無法在信號電纜上方埋設地下防雷線.雖然貫通地線對信號電纜電流進行分流，由于埋設在信號電纜下方，并不能像地下防雷線對信號電纜起到屏蔽作用.

參考京滬高速鐵路接觸網防雷加強實施方案，在重雷區及超重雷區地段可以通過塔頂架設避雷線，并單獨設置接地極，通過改善接觸網的耐雷水平減小絕緣子閃絡造成的入地雷電流對信號電纜的影響.當有避雷線存在時，由于避雷線與接觸網導線間的耦合作用，避雷線不僅有效降低接觸網遭受直擊雷的概率，而且也降低了絕緣子因感應過電壓而擊穿閃絡的概率.在復線地段塔頂架設兩根等高避雷線［10］，如圖6所示，兩外側仍按單根避雷線的保護范圍確定，兩根避雷線之間的保護范圍的截面由通過兩線及上邊緣最低點O點作圓弧，O點對地高度為

式中:h為避雷線對地高度;D為兩避雷線之間的水平距離;p為高度修正系數，當h≤30 m時，p=

線路承力索安裝高度為6.9 m，兩避雷線之間的水平距離D為2×3.15+4.6 m.R0為過避雷線頂點1，2及上邊緣最低點O點作圓弧的半徑.若要對接觸網進行保護，則需滿足:

根據鐵路接觸網架設情況，取ρ=1，計算得R0=6.812 5 m，h0=6.5 m;計算結果代入(9)式，得到避雷線對地高度h=9.225 m.饋線高度6.4 m，距離支柱0.6 m，計算保護角為α≈12°＜20°～30°，完全在避雷線的保護范圍內.因此，接觸網各導線均受到有效保護時避雷線的架設高度不應低于9.225 m.當發生雷擊時，通過避雷線專設接地極導入大地，減小對信號電纜影響.

圖6 兩平行避雷線的保護范圍Fig.6 The scope of protection of the two parallel lightning conductor

3 結論

通過分析信號電纜的耦合途徑，可知雷擊接觸網絕緣子發生閃絡后主要通過感性耦合和大地阻性耦合對信號電纜產生危害.由于地面及電纜槽蓋的屏蔽作用，不存在架空線和地下電纜之間容性耦合.通過感性耦合對信號電纜影響仿真可知，采取降低信號電纜的接地電阻值的措施可以減小電纜芯線過電壓.若信號電纜護層不接入貫通地線，而采用獨立接地方式，則雷電流對信號電纜只有大地阻性耦合和接觸網導線空間感性耦合造成的過電壓，不存在信號電纜護層接入貫通地線分流對芯線產生的耦合影響，由仿真可知信號電纜護層電流對信號電纜芯線產生過電壓影響較大.因此，信號電纜也可通過單獨設置接地極降低電纜芯線過電壓.此外，結合線路實際分析得出，接觸網各導線均受到有效保護時，避雷線架設高度不應低于9.225 m，才能有效提高接觸網的耐雷水平.

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