復線電氣化鐵路帶回流線直供方式接觸網防雷分析

連鵬飛 鄧云川 曹曉斌 李良威

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

復線電氣化鐵路帶回流線直供方式接觸網防雷分析

連鵬飛1鄧云川1曹曉斌2李良威1

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

接觸網由于其本身的結構和位置而處于牽引供電系統中極其薄弱的環節，容易遭受雷擊，導致設備的損壞，影響鐵路的安全運行。本文采用PSCAD電磁暫態仿真軟件，建立了接觸網雷擊研究仿真模型，分析了雷電感應、反擊、繞擊導致的絕緣子閃絡情況下的雷擊跳閘率，并對海南西環線接觸網雷擊跳閘率進行了評估計算，就雷暴日參數以及回流線升高對雷擊跳閘率的影響和積極作用進行了分析，論證了帶回流線直接供電方式回流線升高和避雷線對接觸網防雷的積極防護效果，對于電氣化鐵路接觸網的防雷設計具有參考意義。

電氣化； 鐵路； 接觸網； 雷擊

牽引供電系統防雷分為變電所防雷和接觸網防雷兩個部分，變電所的防雷技術相對比較成熟，而接觸網的防雷措施比較單一，除了規程中規定在變電所出口、錨段關節、長大隧道口、長大橋兩側裝設了避雷器之外，還提出增設避雷線等防雷措施。但在實際運行中，接觸網整體防雷效果并不理想，雷擊故障時有發生，嚴重時導致永久性停電，影響行車安全。因此，本文在分析接觸網雷擊情況的基礎上，提出了對于帶回流線直接供電方式采用回流線升高兼做避雷線的雷電防護措施，并對海南西環線接觸網雷擊跳閘率進行了評估計算，進一步說明回流線升高兼做避雷線措施的有效性。

1 雷擊接觸網耐雷水平研究

通過PSCAD仿真軟件，根據實際的接觸網線路結構，搭建仿真模型分析接觸網的直擊雷耐受水平。

1.1 仿真模型

1.1.1 雷電流仿真模型

先導放電通道可近似為由電感和電容組成的均勻分布參數的導電通道，其波阻抗為：

(1)

式中：L0——通道單位長度的電感量；C0——通道單位長度的電容量。

主放電通道波阻抗與主放電通道雷電流有關，雷電流愈大，波阻抗愈大，一般Z0=300～3 000 Ω。按照我國電力行業標準DL/T620-1997規定，仿真將主放電通道波阻抗Z0取為300 Ω。雷電沖擊電流波形選取了標準沖波1.2/50 μs，搭建雷電流模型時通過受控電流源和波阻抗并聯，受控電流源用雙指數表示，仿真過程中用加/減法器構成。

i=I0(eαt-eβt

(2)

其中:I0=1.058，α=-15 000，β=-1 860 000。

雷電流仿真模型如圖1所示。

圖1 雙指數雷電流產生模型

1.1.2 導線以及支柱仿真模型

利用PSCAD仿真時參考實際接觸網，接觸網跨距取為50 m，沿線平均土壤電阻率取為300。將支柱視為一個與接地電阻串聯的集中參數電感，仿真時取接地電阻5～40 Ω，單位等值電感為0.84 μH/m。接觸線直流電阻為0.179 Ω/km，計算半徑為5.9 mm。接觸線距離地面高度為6.5 m，線路模型從master庫中More on Transmission Line單元中選取Tline模型，接觸網系統支柱線路等綜合仿真模型如圖2所示。

圖2 接觸網系統支柱線路等綜合仿真模型

1.1.3 絕緣子仿真模型

按照TB/T 2007-1997《電氣化鐵道接觸網絕緣污穢等級標準》要求，計算按接觸網的泄漏距離應取標準值的上限，棒式絕緣子的泄漏距離應為145 cm。我國棒式絕緣子(爬電距離1 400 mm)，耐污閃電壓標準為31.5 kV，工頻干耐受電壓為160 kV，濕耐受電壓為130 kV。本文參照接觸網絕緣子U50%放電電壓進行建模，其中接觸線(T線)絕緣子50%放電電壓為460 kV，當T線絕緣子兩端電壓，即|zl-hl|>460 kV時，T線絕緣子動作。絕緣子仿真模型如圖3所示。

圖3 絕緣子仿真模型

1.2 接觸網反擊耐雷水平研究

接觸網雷擊類型如圖4所示，雷擊接觸網接地部分，如支柱頂部(圖4中B點)、回流線、AT供電方式下的保護PW線等，產生的過電壓稱為反擊過電壓。雷擊接觸網接地部分使其閃絡時，此時所對應的雷電流稱為反擊耐雷水平。文中研究了接觸網雷電反擊過電壓耐受水平，圖5為兩種不同波形作用下接觸網的反擊耐雷水平。

圖4 接觸網雷擊類型

從圖5中可以看出，當支柱接地電阻為10 Ω時，接觸網的耐雷水平約為24 kA，當支柱接地電阻從5 Ω增加到30 Ω時，線路耐雷水平從42.095 kA降低到12.601 kA，降低了70.06%，因此支柱接地電阻對接觸網反擊耐雷水平影響較大。

圖5 不同接地電阻下接觸網耐雷水平影響

1.3 接觸網繞擊耐雷水平研究

雷擊高壓部分，如接觸線或承力索(圖4中C點)或者AT供電方式下的正饋線，產生的過電壓稱為繞擊過電壓，同理，閃絡時所對應的雷電流為繞擊耐雷水平。當雷擊承力索(帶電部分)時，可以仿真得到接觸網的繞擊耐雷水平，通過仿真發現，當雷電流幅值取為3.708 kA，承力索的絕緣子動作，其計算數值受接地電阻影響較小。因此從計算結果可以看出接觸網導線的繞擊耐雷水平較低，雷擊接觸網時接觸網導線非常容易閃絡，因此要重點對接觸網導線進行雷電防護。

2 接觸網雷擊跳閘率研究

2.1 電氣幾何模型

復線區段的接觸網電氣幾何模型如圖6所示。

圖6 復線接觸網電氣幾何模型

復線接觸網區段呈對稱結構，設左側為上行線，從圖6中可以看出，當雷電落在A點左側時，在接觸網上產生感應過電壓；當雷擊落在A、B之間時，擊中上行線的回流線，產生反擊過電壓；當雷擊落在B、C之間時，擊中上行線的承力索，產生繞擊過電壓；當雷擊落在B′、C之間時，擊中下行線的承力索，產生繞擊過電壓；當雷擊落在B′、A′之間時，擊中下行線的回流線，產生反擊過電壓；當雷擊落在A′點右側時，擊中大地，產生感應過電壓。

2.2 接觸網雷擊跳閘率估算

由電氣幾何模型可計算得到單側感應雷擊區間(-∞，xa)的有效投影長度：

(3)

其中：

式中：I——雷電流幅值；hg——回流線對地高度；hc——承力索對地高度；k0——回流線與承力索之間的幾何耦合系數；

U50%——絕緣子串的50%沖擊放電電壓(kV)；

xa～xe——圖5中對應相應點的坐標，當出現xa=xe時，有效投影長度為0，此時對應的為最小感應雷電流Ie。

然后，按照下式計算單側感應雷擊跳閘率：

(4)

則復線感應雷擊跳閘率為：

(5)

Td——雷電日(天/年)；

f(I)——雷電流概率密度;

η——建孤率。

積分上限Imax根據線路的重要程度或行業的具體要求取值，也可以按分布概率為90%或99%時的雷電流幅值進行估算。采用同樣的方法，可以得到接觸網反擊跳閘率的估算公式為：

(6)

其中：

式中：ng0為單側反擊跳閘率，其他參數的含義同上所示。同理可計算得到接觸網繞擊跳閘率的估算公式為：

(7)

其中：

式中：nc0——單側繞擊跳閘率。

接觸網的總雷擊跳閘率為感應、反擊與繞擊跳閘率三者之和，即按照下式計算總跳閘率：

n=ngy+ng+nc

(8)

3 接觸網防雷措施及其雷擊跳閘率評估

3.1 回流線升高兼做避雷線防雷方案

回流線的安裝高度一般位于支柱頂部的下方，將回流線升高兼做避雷線可以有效的提高接觸網雷電防護性能。回流線在支柱頂部的安裝方案如圖7所示，其中混凝土等徑圓支柱、格構式橋鋼柱通過肩架安裝在支柱頂部，硬橫跨鋼管支柱通過柱頂的預留孔直接安裝在支柱頂部。

圖7 避雷線升高架設示意圖

3.2 接觸網跳閘率的評估

3.2.1 計算參數

本文以海西線設計為例，進一步分析接觸網雷電防護性能。根據海西線的設計資料，承力索對地平均高度為6 450 mm，承力索到支柱內側的距離為3 820 mm。回流線架設在田野側，其對地的平均高度為6 000 mm，回流線到支柱內側的水平距離為400 mm。復線的上下行軌道的中心距離為6 200 mm。如果將回流線升高到支柱頂部兼做避雷線，回流線升高后的高度為8.8 m。

海南島地處我國熱帶地區，四周環海，水面和陸地受熱不勻，故多雷電，根據氣象資料記載，海南各地每年平均雷電日約120 d，最多則達149 d，經調查，海南西環鐵路沿線氣象條件如表1所示。

表1 海西線各地落雷密度

3.2.2 雷擊跳閘率計算結果

基于海南西環線的設計資料，在不同條件下對不同區段接觸網的跳閘率進行了評估，計算結果如表2所示。文中同時計算了絕緣子不同片數對雷擊跳閘率的影響，當絕緣子片數不同時，其所對應的閃絡電壓并不相同，查閱相關資料，可知3片絕緣子對應的閃絡電壓為354 kV，4片絕緣子對應的閃絡電壓為438 kV。

表2 海西線各地接觸網雷擊跳閘率(次/百公里·年)

3.3 計算結果分析

從表2中可以看出， 回流線不升高時，由于承力索高于回流線，因此雷電流較大時，承力索將回流線屏蔽，造成雷電直擊承力索的概率增大，而雷電反擊造成的線路跳閘率較小，線路主要受雷電感應與雷電繞擊的影響。回流線升高之后把回流線升高當避雷器之后，此時承力索被完全屏蔽，雷電繞擊造成跳閘的概率接近為0，回流線的引雷范圍受周邊地形、樹木及建筑物的屏蔽作用較大，雷電流反擊造成跳閘率不到沒有屏蔽時效果的一半。與沒有屏蔽時相比，線路的總跳閘率下降了50%以上。

為了進一步降低線路的雷擊跳閘率，考慮到通過降低接地電阻以提高線路反擊跳閘所需的雷電流幅值，如果將線路接地電阻下降到5 Ω時，反擊跳閘所需的雷電流上升到35 kA，此時線路雷擊跳閘率將進一步下降，總的雷擊跳閘率將再下降20%。綜合考慮各種措施，當線路有屏蔽，增加絕緣子數量，并降低接地電阻時，接觸網每百公里的雷擊跳閘率將大幅度下降，如以海口地區為例，如果一條供電臂長度為20 km，上述措施均起作用與沒有采取措施相比較，年跳閘次數將從12次下降到4次。

4 研究結論和建議

為了提高接觸網的防雷水平，降低跳閘率，文章提出了幾種接觸網防雷措施：

(1)通過仿真計算發現，接觸網反擊耐雷水平受接地電阻影響較大，因此在實際接觸網設計中要盡量降低支柱接地電阻；接觸網繞擊耐雷水平較小，因此要重點對接觸網導線進行防護。

(2)通過研究項目沿線不同區段接觸網雷擊類型、雷暴日數量，根據線路所處位置環境狀況，確定不同區段環境屏蔽系數，并結合接觸網的耐雷水平，綜合評估計算接觸網線路雷擊跳閘率。

(3)帶回流線直接供電方式下升高回流線可以有效降低雷擊跳閘率，因此對于雷擊跳閘率不能滿足指標要求的隧道外區間可以采取升高回流線兼做避雷線的防雷措施。

[1] 吳廣寧,曹曉斌,李瑞芳.軌道交通供電系統的防雷與接地[M].成都：西南交通大學出版社,2011. WU Guanglin,CAO Xiaobin，LI Ruifang. The rail transit power supply system and lightning protection grounding [M]. Chengdu: Southwest Jiaotong University Press, 2011.

[2] 嚴璋,朱德恒.高電壓絕緣技術[M].北京：中國電力出版社,2000. YAN Zhang,ZHU Deheng. High voltage insulation technology[M]. Beijing: China Electric Power Press , 2000.

[3] 邊凱，陳維江，王立天，等.高速鐵路牽引供電接觸網雷電防護[J].中國電機工程學報,2013，33(10):191-199. BIAN Kai, CHEN Weijiang, WANG Litian,et al.Lightning Protection of Traction Power Supply Catenary of High-speed Railway[J]. Proceedings of the CSEE,2013,33(10):85-87.

[4] 曹曉斌，熊萬亮，吳廣寧，等.接觸網引雷范圍的劃分及跳閘率計算方法[J].高電壓技術,2013，39(6):1515-1521. CAO Xiaobin, XIONG Wanliang, WU Guangning,et al.Lightning Scope Division and Lightning Trip-out Rate Calculation Method for Overhead Catenary System[J]. High Voltage Engineering, 2013, 39(6):1515-1521.

[5] 虞昊.現代防雷技術基礎[M].北京：清華大學出版社，1995. YU Hao. Modern lightning protection technology [M]. Beijing: Tsinghua University press, 1995.

[6] 劉明光.鐵道電網過電壓分析與防護-電網、暫態、防雷與接地[M].北京：北京交通大學出版社，2009. LIU Mingguang. Railway power system over voltage analysis and protection of power system, transient, lightning protection and grounding [M]. Beijing: Beijing Jiaotong University Press, 2009.

[7] 周利軍，高峰，李瑞芳，等.高速鐵路牽引供電系統雷電防護體系[J].高電壓技術，2013,39(2):399-406. ZHOU Lijun, GAO Feng, LI Ruifang, et al.Lightning Protection System of Traction Power Supply System for High-speed Railway[J]. High Voltage Engineering, 2013, 39(2):399-406.

[8] 盧澤軍,谷山強,趙淳，等.應用電氣幾何模型的高速鐵路接觸網防雷性能分析[J].電網技術,2014,38 (3):812-816. LU Zejun,GU Shanqiang, ZHAO Chun, et al. Analysis on Lightning Performance for Catenary of High-Speed Railway Based on Electro-geometric Model[J]. Power system Technology,2014,38(3):812-816.

[9] 曹建設．客運專線接觸網保護線兼做避雷線的防雷效果評估[J]．中國鐵道科學，2013．34(6)：79-83． CAO Jianshe.The Evaluation of the Lightning Protection of the Protection Lline Served as the Lightning Line on the Passenger Dedicated Line [J]. China Railway Science,2013,34(6),79-83.

[10]曹曉斌，田明明，張血琴，等.PW線升高或架設避雷線雷電防護效果綜合評估[J].高電壓技術，2015，41(11):3590-3596. CAO Xiaobin, TIAN Mingming, ZHANG Xueqin,et al. Comprehensive Evaluation on Lightning Protection Effect of Elevating the Protection Wire or Setting Lightning Conductor of Catenary System[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(11):3590-3596.

(編輯：蘇玲梅)

Analysis of Lightning Protection for Direct Supply with Return Line Catenary on Double Track Electrified Railway

LIAN Pengfei1DENG Yunchuan1CAO Xiaobin2LI Liangwei1

(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd.,Chengdu 610031,China;2.South West JiaoTong University, Chengdu 610031, China)

Catenary becomes the weak link in traction power supply system because of its structure and position, the equipment is easier to be damaged by lightning strikes to affect the safety of railway. Based on the PSCAD electromagnetic transient simulation software, the simulation model of catenary lightning research, analyses on the lightning trip-out rate caused by lightning induction, fight back and around the strike under the circumstance of insulator flashover, the catenary lightning trip-out rate of Hainan West Ring Railway is evaluated, the Impact and positive role of thunderstorm day parameters and return line rises on lightning trip-out rate is analyzed, s the active protection effect of rise of the direct power supply with return line on catenary protection is demonstrated, it has reference significance for the lightning protection design of electrified railway catenary.

electrification; railway; catenary; lightning strike

2016-02-24

連鵬飛(1974-)，男，高級工程師。

1674—8247(2016)06—0064—05

U226.8+3

A