接觸網雷害防護措施及效果分析

徐 禎

接觸網雷害防護措施及效果分析

徐 禎

分析了地面接觸網和高架橋接觸網無防護及設置避雷線的閃絡情況，并對避雷線設置在不同高度處的防雷效果進行了統計分析，提出了接觸網雷害防護措施宜采用避雷線+帶間隙避雷器的方案。

接觸網；閃絡；防護措施

0 引言

雷電過電壓對牽引供電系統造成的影響體現在接觸網短路跳閘故障。當接觸網絕緣子遭受過電壓閃絡后，因雷電流在絕緣子周圍電離空氣產生等離子層，從而導致接觸網發生直流短路引起牽引變電所直流饋線斷路器跳閘，這時絕緣子因燒損可能發生永久性短路或非永久性損傷。其后果體現在2個方面：一是若絕緣子非永久性損傷，則牽引變電所可重合閘后恢復供電，造成的影響后果較小；二是若絕緣子永久性損壞，則牽引變電所重合閘不成功，對供電系統的影響很大。雷電流雖然很大，但持續時間很短，在幾百微秒之間，其能量不足以燒壞絕緣子。絕緣子因雷電擊穿后流經絕緣子的電流幅值為1×104～10×104A，持續時間為20～100 ms，該電流能量很大，可徹底燒壞絕緣子而導致永久性短路故障。根據統計，因雷電過電壓引起的牽引變電所直流斷路器跳閘故障中約有70%可實現重合閘，30%為絕緣子永久性損壞短路故障。

1 接觸網無防護及設置避雷線的閃絡分析

防雷措施有避雷線、避雷器、放電間隙等，采用何種措施應依據投資額與取得的防護效果綜合評價。完全實現接觸網不跳閘及絕緣子不被燒損的工程代價極高且無必要，因此應分析接觸網各種防護措施對應的雷害水平程度，達到運營單位可以接受的水平。

下文首先分析接觸網無任何避雷線、架空地線，且接觸網不安裝任何避雷器等設施情況下，對應不同雷暴日的接觸網閃絡次數，以此為基礎，再分析接觸網在加避雷線、避雷器等設施后不同雷暴日對應的接觸網閃絡次數，分析各種防雷設施施加前后的閃絡次數并判定其防雷效果。

1.1 接觸網無任何防護措施時閃絡情況分析

圖1為地面接觸網幾何斷面圖，圖2為其無任何防護措施情況下的閃絡次數曲線圖。

圖1 地面接觸網幾何斷面圖

圖2 地面接觸網無任何防護措施情況下的閃絡次數曲線圖

圖3為高架橋接觸網幾何斷面圖，圖4為其無任何防護措施情況下的閃絡次數曲線圖。

圖3 高架橋接觸網幾何斷面圖

圖4 高架橋接觸網無任何防護措施情況下的閃絡次數曲線圖

1.2 接觸網設避雷線時閃絡情況分析

接觸網因承力索在導線上方，承力索對導線起到全屏蔽作用，因此計算接觸網遭受直擊雷次數只按承力索考慮。避雷線可利用既有接觸網架空地線進行設置，為節省投資沒必要單獨設置避雷線。避雷線設置高度應高于承力索，并使避雷線與承力索距離滿足兩導線間電氣安全距離要求，避雷線的設置有2種方式：

（1）方式一：避雷線設于接觸網支柱垂直上方，其高度滿足上下行兩避雷線對承力索起屏蔽作用，其高度追求在對承力索起屏蔽作用情況下的最低高度以節省投資。圖5為避雷線在柱頂上方時的接觸網示意圖。

圖5 支柱上方垂直放置架空地線示意圖

（2）方式二：避雷線在柱頂向接觸網側內傾置于一定高度，以使避雷線相對承力索達到一定保護角要求，圖6為避雷線內傾時接觸網示意圖。

圖6 支柱內傾放置架空線示意圖

由于上下行同時存在避雷線，上下行避雷線同時起到對上下行接觸網的保護作用。避雷線在支柱垂直上方設置還是內傾設置應以計算的接觸網閃絡次數進行判定。

1.2.1 避雷線設置在支柱垂直上方

當避雷線在支柱上方，且高于承力索0.1 m，并與承力索水平距離為3 m時，各種雷暴日的接觸網跳閘次數曲線圖見圖7。

圖7 避雷線在支柱垂直上方時，接觸網跳閘次數曲線圖

1.2.2 避雷線在支柱上方且向內傾斜

當避雷線在支柱上方且向線路側內傾斜時，各種雷暴日的接觸網跳閘次數曲線圖見圖8。

1.2.3 2種方案效果對比

對比分析地面接觸網避雷線設置在不同位置的防護效果（圖7 a和圖8 a）、高架橋上接觸網避雷線設置在不同位置的防護效果（圖7 b和圖8 b），可以看出2種方案效果基本相同。

圖8 避雷線在支柱上方且向內傾斜時，接觸網跳閘次數曲線圖

2 避雷線設置高度的防雷效果分析

圖7、圖8為接觸網上設置避雷線最低高度（只比承力索高0.1 m）時的防護效果情況。通過計算表明當避雷線高度比承力索高度稍增加時，防護效果要增加。當高度繼續增加時，引雷效果增加，防護效果反而要降低。因此，接觸網設置避雷線時，存在一個最佳高度問題，具體情況見表1和表2。

表1 接觸網在地面上，絕緣子總閃絡次數（次/100 km×年）統計表

表2 接觸網在高架橋上，絕緣子總閃絡次數（次/100 km×年）統計表

通過表1可以看出：當接觸網在地面時，避雷線高度高于承力索為0.4 m時效果最好（未考慮避雷線最高溫時的馳度）。通過表2可以看出，當接觸網在高架橋時，避雷線高度高于承力索0.9 m時效果最好。但總的看來避雷線高度變化對防護效果的影響并不大，實際工程設計中避雷線高度在0.4～1.0 m范圍內均可行。

3 接觸網設置避雷器時防護效果分析

帶串聯間隙金屬氧化物避雷器相比保護間隙，其動作后能抑制系統工頻續流起弧，牽引變電所不會因雷擊故障而跳閘，可降低接觸網雷擊跳閘率，防雷保護效果更理想，因此，架空接觸網雷電防護所用避雷器應優先選擇帶串聯間隙金屬氧化物避雷器。

當每個接觸網支柱均安裝帶間隙避雷器時，通過模擬仿真研究，在直擊雷作用下，最嚴苛情況，當雷電流100 kA時，流過避雷器本體沖擊電流為71 kA，因此，對于100 kA以上的直擊雷，當無避雷線屏蔽承力索時，接觸網遭受直擊雷時流過避雷器的電流可能導致避雷器損壞。

金屬氧化物避雷器的安裝方案也直接決定其所能起到的防護效果。在電力系統供電線路上所采用的金屬氧化物避雷器與絕緣子并聯安裝，其優勢在于直接限制作用在絕緣子上的過電壓從而達到對絕緣子的可靠保護。而當前在城市軌道交通架空接觸網所采用的1.5 kV直流金屬氧化物避雷器并沒有與絕緣子并聯安裝，其一端與架空接觸網帶電導線相連，另一端通過電纜直接與大地相連，實際并不能限制絕緣子兩端的電壓。因此，架空接觸網絕緣子并聯安裝串聯間隙金屬氧化物避雷器是一種比較可靠的雷電過電壓防護措施。

因此，在當雷暴日較大的環境條件下，若每個接觸網支柱絕緣子并聯1支帶間隙避雷器，可有效防止絕緣子被擊穿，且可有效避免接觸網短路引起的跳閘。

4 接觸網設避雷線及避雷器防護效果分析

圖9、圖10給出了不同位置處的接觸網在已設避雷線，并每間隔1個支柱絕緣子安裝1個避雷器的情況下，防雷效果計算分析曲線。

圖9 地面接觸網防雷效果分析圖

圖10 高架橋上接觸網防雷效果分析圖

通過對比圖7 a、圖9，圖7 b、圖10的數據表明，全線在設有避雷線但無避雷器和有避雷線間隔1個支柱安裝避雷器，在各種雷暴日情況下的防雷效果不明顯，接觸網跳閘次數只減少了16%左右，避雷器每個支柱均安裝和間隔支柱安裝的防護效益差距巨大，因此雷暴日較大情況下，還應以每個支柱絕緣子并聯1個帶間隙避雷器為好。

5 結論

通過上述對接觸網無任何防護措施、只設避雷線方案、只設避雷器方案的防護效果分析看出：

（1）只設避雷線方案可有效降低接觸網遭受直擊雷的次數，并有效降低牽引變電所的跳閘次數（地面15%，高架橋30%），但當雷暴日數增大時，牽引變電所跳閘次數較高，且由于存在電位反擊后接觸網絕緣子大量燒損的可能性，事故還會發生。

（2）若不考慮架空地線抬高后的避雷效果，在雷暴日較大時，地面及高架橋接觸網考慮全部采用安裝接觸網絕緣子帶間隙避雷器，可避免接觸網跳閘。但由于受成本和重量限制，避雷器的通流容量不宜做的太大，因此在90～100 kA以上雷電直擊接觸網時，有可能造成避雷器因通流容量不夠而爆炸損壞。

因此，考慮綜合，建議采用以下綜合防護措施：避雷線+帶間隙避雷器方案。將架空地線抬高至最佳高度，且在雷暴日達到一定級別時，考慮在接觸網絕緣子上并聯間隙避雷器，這種情況下，由于避雷線已將上下行接觸網全屏蔽，接觸網不可能再遭受直擊雷，帶間隙避雷器只承受避雷線遭受雷擊后的反擊雷電流，這部分雷電流只有總電流大小的20%左右，即使按最大雷電流300 kA考慮，避雷器的通流容量也足夠。對于感應雷，通過計算表明，避雷器通流電流小于2 kA，因此避雷器容量不成問題。

The flashover on overhead contact systems either above the ground or above the viaduct not setting with protection or setting with lightning wire is analyzed, the statistics and analysis are made on effectiveness of lightning protection with the lightning wires set in different heights, and the appropriate scheme is put forward for overhead contact system lightning protection by means of lightning wire equipped with gap arrestor.

OCS; flashover; protection measure

U226.8+3

B

1007-936X(2014)04-0013-05

2014-06-23

徐 禎.朔黃鐵路發展有限責任公司機輛分公司安全質量監察室，助理工程師，電話：18031780011。