電氣化鐵路接觸網(wǎng)雷擊過電壓研究*

程宏波　劉 嘉　黎醫(yī)博　官 琪　倫 利　王 勛

（1.華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，330013，南昌；2.濟(jì)南鐵路局供電處，250001，濟(jì)南∥第一作者，副教授）

電氣化鐵路接觸網(wǎng)雷擊過電壓研究*

程宏波1劉 嘉1黎醫(yī)博1官 琪2倫 利1王 勛1

（1.華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，330013，南昌；2.濟(jì)南鐵路局供電處，250001，濟(jì)南∥第一作者，副教授）

摘 要在運(yùn)用電氣幾何模型對接觸網(wǎng)捕雷面進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，考慮地阻抗對導(dǎo)線參數(shù)及場線耦合的影響，利用修正的電報(bào)方程對雷擊時接觸網(wǎng)上的電壓、電流分布進(jìn)行求解。建立了絕緣子閃絡(luò)模型，對雷擊過電壓下絕緣子閃絡(luò)進(jìn)行仿真，分析了支柱通過鋼軌接地、支柱上架設(shè)避雷器等方式對接觸網(wǎng)雷擊過電壓的影響。仿真結(jié)果表明，地阻抗會對接觸網(wǎng)雷擊過電壓的幅值及波形產(chǎn)生一定的影響，應(yīng)根據(jù)設(shè)備實(shí)際的絕緣配合水平來配置避雷器。

關(guān)鍵詞電氣化鐵路；接觸網(wǎng)；雷擊；過電壓；電報(bào)方程；仿真分析

*江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（20143ACB21019，20142BAB216027）；南昌市科技支撐項(xiàng)目（2014HZZC012）；華東交通大學(xué)校立課題（14DQ07）

First-author＇s address School of Electrical and Electronic Engineering，East China Jiaotong University，330013，Nanchang，China

由于接觸網(wǎng)露天架設(shè)，且高鐵線路大多架設(shè)于高架橋上，使得接觸網(wǎng)更易遭受雷擊的影響，據(jù)統(tǒng)計(jì)，電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的絕大多數(shù)故障都和牽引供電系統(tǒng)遭受雷擊損壞有關(guān)［1］。

目前人們對雷擊的研究多集中于電力系統(tǒng)過電壓的研究和仿真上［2-4］。接觸網(wǎng)與電力輸電線的不同點(diǎn)在于：接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)特殊、線路布置不對稱、離地高度不一，使得接觸網(wǎng)中雷電行波的傳輸特性和電力輸電線有所不同；接觸網(wǎng)中各導(dǎo)線電壓等級不同，采用的絕緣子類型不一，各絕緣子的閃絡(luò)電壓不同；電氣化鐵路的鋼軌作為一特殊的接地體，參與牽引供電的回流，回流線或保護(hù)線每隔一定距離通過信號扼流圈中點(diǎn)與鋼軌連接一次。這些不同使得接觸網(wǎng)呈現(xiàn)出某些獨(dú)特的特性，有必要對其進(jìn)行進(jìn)一步的研究。文獻(xiàn)［5-6］對于接觸網(wǎng)遭受雷擊時過電壓的計(jì)算方法進(jìn)行了理論研究。文獻(xiàn)［7-8］對接觸網(wǎng)因雷擊而導(dǎo)致的雷擊跳閘率進(jìn)行了研究文獻(xiàn)［9］則對直流牽引供電系統(tǒng)遭受雷擊時在電纜中產(chǎn)生的過電壓進(jìn)行了分析及仿真。

本文分析了電氣化鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及地導(dǎo)體對雷擊接觸網(wǎng)時場線耦合的影響，對接觸網(wǎng)雷擊過電壓引起絕緣子閃絡(luò)進(jìn)行仿真分析，分析了架設(shè)避雷器、支柱通過鋼軌接地等措施對接觸網(wǎng)雷擊過電壓的影響。

1　電氣化鐵路接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及其電氣幾何模型

作為一種特殊形式的供電線路，接觸網(wǎng)要承受機(jī)車受電弓的高速沖擊，工作條件惡劣，為保證電力機(jī)車的良好受流，接觸網(wǎng)相比一般的輸電線路結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。由于雙線接觸網(wǎng)的分析方法和單線類似，只是導(dǎo)線更多，為方便起見，本文以單線接觸網(wǎng)為例進(jìn)行分析。

圖1為京滬高鐵某段線路（上下行）其中一條接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)布置示意圖。圖中，R為鋼軌；R1上部代表承力索，下部為接觸線（由于電氣化鐵路接觸線和承力索每隔幾米通過吊弦連接，且每隔一段距離通過電連接并聯(lián)，因而可等效為一根導(dǎo)線）；R2為保護(hù)線，它通過線夾直接和支柱相連；R3為AT供電（2×27.5 k V）的負(fù)饋線；R4為加強(qiáng)導(dǎo)線。可以看出，電氣化鐵路接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)不對稱，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

圖1　接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置示意圖

電氣幾何模型（Electrical Geometry Model）是一種常用的分析計(jì)算模型，它將雷電的放電特性與線路的結(jié)構(gòu)尺寸聯(lián)系起來，認(rèn)為擊距的大小與先導(dǎo)頭部的電位有關(guān)，因而與先導(dǎo)通道的電荷密度有關(guān)，而后者決定了雷電流的幅值，因而擊距是雷電流幅值的函數(shù)。即：

式中：

rs——雷擊距；

I—雷電流；

k，P——常數(shù)，k的范圍在6～10之間，P的范圍在0.6～0.8之間［10］。

本文采用E.R.Whitehead的公式，取k= 6.72，P=0.8，則rs=6.72I0.8，由此可得圖1所示接觸網(wǎng)在不同雷擊電流作用時的雷擊距示意圖，如圖2所示。

2　雷擊接觸網(wǎng)行波傳輸模型

圖2　不同雷電流情況下接觸網(wǎng)的捕雷面示意圖

雷擊后，線路上電壓、電流的分布規(guī)律多采用傳輸線方程進(jìn)行求解。當(dāng)前對傳輸線方程的求解將大地視作理想地平面，忽略了地?fù)p耗對導(dǎo)線參數(shù)和磁場耦合的影響［11］。由于雷電波含有較高的高頻成分，導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)以及電磁場和地之間的耦合作用更為明顯，文獻(xiàn)［12-13］對考慮大地?fù)p耗情況下多導(dǎo)體傳輸線的特性進(jìn)行分析，得到修正后的電報(bào)方程：

其中

式中：

V（χ，t），I（χ，t）——分別為雷電波在接觸網(wǎng)上傳播時某一觀測點(diǎn)的瞬間電壓和電流，χ為觀測點(diǎn)與雷擊點(diǎn)之間的距離，t為雷電波從雷擊點(diǎn)傳播到觀測點(diǎn)的時間；

L——單位長度電感；

G——單位長度電導(dǎo)；

C——單位長度對地電容；

A，B——常數(shù)；

ζ（t）——瞬時地阻抗；

r——導(dǎo)體半徑；

μ——導(dǎo)體的介電常數(shù)；

σ——導(dǎo)體的磁導(dǎo)率。

式（2）第一個積分反映導(dǎo)體內(nèi)阻抗和電流的卷積，ζ（t）反映了地參數(shù)對系統(tǒng)高頻損耗的影響，A、B反映了導(dǎo)體趨膚效應(yīng)的影響。

對于接地阻抗，電力系統(tǒng)中較多地利用Carson理論進(jìn)行計(jì)算。Seymlen根據(jù)傳輸?shù)男胁l率和地阻抗的臨界頻率之間的關(guān)系，將地阻抗進(jìn)行了劃分和歸類，指出了不同頻率段的適用范圍。設(shè)地的導(dǎo)電率為σg，介電常數(shù)為εg，則臨界頻率，若電磁波的頻率為ω，則［14-15］：

（1）若ω＜0.1ωc，此時為低頻段，大地可視為導(dǎo)體，可利用Carson理論進(jìn)行等效，普通的電力傳輸多屬于此類；

（2）若0.1ωc＜ω＜2ωc，此時為高頻段，大地呈現(xiàn)導(dǎo)電和絕緣的過渡狀態(tài)，雷擊時行波的傳輸多屬于此類；

（3）若ω＞2ωc，為超高頻段，大地對其呈絕緣狀態(tài)，電磁脈沖信號多屬于此類。

考慮大地的電導(dǎo)率和介電常數(shù)對過電壓的影響，對圖1中加強(qiáng)導(dǎo)線R4遭受雷擊時接觸網(wǎng)各線路的感應(yīng)電壓進(jìn)行研究。考慮完純大地（情況1）和地電阻對場線耦合的影響（情況2），得到兩種情況下各線路感應(yīng)電壓的波形（見圖3）。仿真采用1.2∕50μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形，接觸線自阻抗Zc= 0.119 2＋j 0.752 2Ω∕km，負(fù)饋線自阻抗Zf= 0.203 6＋j 0.884 7 Ω∕km，保護(hù)線Zpw= 0.302 1＋j 0.782 7Ω∕km，加強(qiáng)線自阻抗Zr= 0.275 6＋j 0.761 4Ω∕km，雷電流取1.2∕50μs、幅值50 k A的雙指數(shù)波形，地電導(dǎo)率為0.000 4 S∕m，相對介電常數(shù)為10。

由圖3可以看到，考慮地阻抗對場線耦合影響時，各線路雷擊過電壓的幅值都有所增加，且離地越近的線路受到的影響越大；線路感應(yīng)電壓波形受到地阻抗的影響也發(fā)生了變化，離地近的線路感應(yīng)電壓的起始極性變?yōu)樨?fù)，與將地視為理想地時不同。

圖3　接觸網(wǎng)導(dǎo)線上電壓波形

表1所列為兩種情況下各導(dǎo)線上感應(yīng)電壓正負(fù)峰值的大小，可以看到，在地阻抗對導(dǎo)線參數(shù)及場線耦合的影響下，R1上的感應(yīng)電壓峰值都增大，R2、R3上感應(yīng)電壓的正向峰值有少量的減小，但負(fù)峰值增加明顯。

表1　理想地和非理想地情況下接觸網(wǎng)線路感應(yīng)電壓峰值k V

3　絕緣子的閃絡(luò)與支柱接地

接觸網(wǎng)中的帶電導(dǎo)體都通過絕緣子固定在支柱上，圖4所示為電氣化鐵路接觸網(wǎng)支柱及其絕緣子布置示意圖。絕緣子類型及其閃絡(luò)電壓見表2。

正常工作時，絕緣子呈高阻狀態(tài)，對地絕緣；當(dāng)接觸網(wǎng)遭受雷擊，線路上產(chǎn)生的過電壓超過絕緣子的閃絡(luò)電壓時，絕緣子將發(fā)生沿面閃絡(luò)，由絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^電弧閃絡(luò)接地。發(fā)生閃絡(luò)時電弧電阻為［16-17］：

圖4　接觸網(wǎng)絕緣子布置示意圖

表2　接觸網(wǎng)絕緣子類型及沖擊耐壓水平

式中：

K——常數(shù)，一般取0.045；

d——電弧的長度，可近似取為絕緣子的長度。

計(jì)算時，將各線路上的電壓與表2中絕緣子的閃絡(luò)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)線路電壓高過閃絡(luò)電壓后，認(rèn)為產(chǎn)生絕緣子的沿面放電，此時電阻變?yōu)镽arc，直至電弧電流過零后電弧熄滅為止。

圖5所示為考慮絕緣子閃絡(luò)時各線路上的雷電過電壓波形。可以看到，絕緣子閃絡(luò)對雷擊電壓的波形有較大影響。由于接觸網(wǎng)中各線路之間的距離較為接近，感應(yīng)電壓的影響較為明顯，若不采用避雷器進(jìn)行防護(hù)，接觸網(wǎng)的絕緣子易發(fā)生閃絡(luò)，因而必須采用避雷器進(jìn)行防護(hù)。從圖5b）中可以看到，對支柱和鋼軌進(jìn)行連接，由于鋼軌的分流作用，可降低放電時線路上的電壓幅值，因而對線路雷電防護(hù)有利。

在鄰近雷擊點(diǎn)支柱上安裝避雷器時接觸網(wǎng)各線路的電壓波形如圖6所示。可以看到，避雷器可較快降低線路上的電壓，避免絕緣子的閃絡(luò)，對電氣化鐵路的接觸網(wǎng)線路可起到較好的防護(hù)效果。

4　結(jié)語

對電氣化鐵路接觸網(wǎng)進(jìn)行電氣幾何模型分析可知，架設(shè)于支柱上方的導(dǎo)線較易受到雷擊的影響，因而在支柱上部架設(shè)的加強(qiáng)導(dǎo)線應(yīng)成為電氣化鐵路接觸網(wǎng)防雷的重點(diǎn)。

對于頻率較高的雷電流，在進(jìn)行過電壓分析時，需考慮高頻時地阻抗對導(dǎo)線參數(shù)及場線耦合的影響。其使得線路的過電壓幅值增大，部分線路電壓的初始極性會發(fā)生改變，且對近地導(dǎo)體的影響更為明顯。

圖5　絕緣子閃絡(luò)時導(dǎo)線電壓

圖6　加裝避雷器后導(dǎo)線電壓波形

接觸網(wǎng)遭受雷擊時產(chǎn)生的過電壓較易使絕緣子發(fā)生沿面閃絡(luò)，因而需采用避雷器對接觸網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。支柱和鋼軌的連接可減小絕緣子閃絡(luò)時線路上的電位值，因而有利于線路的雷電防護(hù)。

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Research on Lightning Over-voltage of Electrified Railway Catenary

Cheng Hongbo，Liu Jia，Li Yibo，Guan Qi，Lun Li，Wang Xun

AbstractBased on a study of the catenary exposure surface with electrical geometry model，and putting the impact of ground impedance on conductor parameter and field line coupling into consideration，the distribution of voltage and current induced by lightning is solved by using the modified telegraph equation.A model of insulator flashover is established and simulated，the impact of lightning on pile∕rail ground connection and the arrester erection are studied. Simulation results show that the ground impedance could impact the amplitude and waveform of voltage induced by lightning，so the arrester should be properly allocated according to the real isolation conditions.

Key wordselectrified railway；catenary；lightning；overvoltage；telegraph equation；simulation analysis

中圖分類號U 226.8＋3

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.009

收稿日期：（2014-05-20）