接觸網耐雷水平及其影響因素研究

周少喻

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接觸網耐雷水平及其影響因素研究

周少喻

研究了單線區段與復線區段雷擊次數與雷暴日的關系，給出了雷擊接觸網不同位置的過電壓類型及不同類型雷擊產生的過電壓幅值計算式，分析了接地電阻、避雷線和避雷器對接觸網耐雷水平的影響，分析了不同雷擊類型下接觸網現有的耐雷水平及接觸網耐雷水平的影響因素，提出了提高接觸網耐雷水平的建議措施。

電氣化鐵路；接觸網；雷擊過電壓；防雷措施；耐雷水平

0 引言

接觸網是電氣化鐵路特有的供電線路，其作用是為電力機車或動車組提供電能，由于接觸網設備具有的不可備用特性，其發生故障將直接影響行車。現有的研究表明，雷害是造成接觸網供電故障的主要因素之一，而我國中部和南部地區的電氣化鐵路極易遭受嚴重的雷害，尤其是東南沿海地區，每百公里接觸網線路每年可能遭到雷擊10次左右。如廣東某牽引變電所，在雷電活動最頻繁的7、8月份，1個月的雷擊跳閘次數可以達到10次以上，嚴重影響了行車質量。

德國電氣化鐵路接觸網的百公里年雷擊率僅為1次，因此在德國主要采用避雷器進行防雷保護，考慮到避雷器保護范圍的有限性和經濟因素，通常只在雷電活動頻繁的地段加裝避雷器。

日本受海洋氣候影響，雷電活動僅次于我國東南沿海各省，在其電氣化鐵路防雷設計中以安裝避雷線為主，根據雷擊頻度和線路的重要程度，將鐵路劃分為A、B、C三個防雷等級，其中A級地區要求全線安裝避雷線，B級地區只需要在部分雷擊重點區段安裝避雷線，C級地區則不需要安裝避雷線，避雷器只用作重點設備的防護。

我國國土遼闊，與歐洲和日本氣候差異非常大，本文將根據我國電氣化鐵路的實際運行參數來分析接觸網的雷擊狀況，分析各種防雷措施的實施效果。

1 接觸網雷擊參數研究

1.1 接觸網雷擊次數與雷暴日的關系

雷暴日是決定接觸網遭受雷擊次數的主要因素，在年雷暴日較多的區域，接觸網線路遭受雷擊的概率也隨之增加，該地區接觸網的防雷要求也隨之提高，因此首先需要分析接觸網雷擊頻率與雷暴日的對應關系。

根據我國鐵路建設規范，接觸網側面界限為 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，結合電力系統防雷保護國家標準，可以得到接觸網每百公里的年雷擊次數與雷暴日的關系。

單線區段：

復線區段：

（2）

式中，為接觸網每百公里的年雷擊次數。采用式（1）與式（2）可以計算得出接觸網百公里年雷擊次數與當地年平均雷暴日d的關系，如表1所示。

表1 接觸網雷擊次數與地區年雷暴日對應表

通過對比表1數據可以發現：接觸網遭受雷擊的次數隨雷暴日的增加而快速增加，年雷暴日90 d與雷暴日20 d的地區對比，前者的接觸網年雷擊次數約為后者的7倍。通過查尋我國氣象資料可以發現，我國東南沿海地區的年雷暴日在90 d以上，西北地區低于20 d。我國鐵路線路通常跨越數個省市，各區域的年雷暴日均不相同，因此在設計過程中需根據當地年雷暴日數量，選取合適的防雷措施。

1.2 雷擊接觸網過電壓分析

接觸網的雷擊故障主要是絕緣子閃絡造成對地短路，而過電壓是造成絕緣子閃絡的主要原因。由于雷電流幅值高，放電時間短，因此雷擊過電壓的幅值與雷擊點的沖擊阻抗有關。當雷電擊中支柱頂部或支柱上的PW線、避雷線或架空地線等接地設備時，雷電流將通過設備的接地引下線和接地裝置流入大地，此時過電壓幅值與接地裝置的沖擊電阻有關。如果雷電擊中線路的高壓導線（如承力索或負饋線），過電壓的幅值主要受高壓導線波阻抗的影響。下文將分析這2種過電壓的計算方法。

（1）雷擊接觸網接地部分。

此時過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常快，故不能忽略支柱電感的影響，因此雷擊接地部分的過電壓為

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作用，在接觸網的高壓導線（接觸線與承力索）上也會產生感應過電壓，該感應過電壓為

式中，為接觸網導線對地平均高度，m。

接觸網絕緣子承受的雷電過電壓為二者的疊加值，因此絕緣子實際承受的雷電過電壓可以用下式進行計算：

此時對應的雷電流幅值為

（6）

通過式（6）可以得出，接觸網的耐雷水平受接地裝置的沖擊電阻及導線對地高度的影響，沖擊電阻越大，導線對地高度越高，接觸網的耐雷水平越低。

（2）雷擊接觸網的高壓導線。

當雷擊接觸網高壓導線時，雷電流只能沿導線傳播，由于導線電感與電阻的共同作用，在導線上會產生較高的過電壓，導線的阻抗特性與雷電流在導線上的傳播速度有關，該阻抗稱之為波阻抗。根據電力系統過電壓標準推薦的公式，接觸網絕緣子上的過電壓幅值為

式中，為接觸網線路的波阻抗，W；0為雷電通道的波阻抗，W。

在線路防直擊雷設計中，為了簡化計算，雷電流的波形通常采用斜角平頂波代替，波頭的陡度參數為d/ d=。由于電感的作用，過電壓的最大值發生在雷電流波頭部分，若不考慮絕緣子放電延時的影響，絕緣子閃絡只能發生在波頭時間段內。對于波頭內某一時刻0，絕緣子上的雷電過電壓與時間的關系為

等值雷電壓源為

20() =0(0+) （9）

式中，為從0開始計時的新時間變量。

此時絕緣子承受的雷擊過電壓為

2 接觸網耐雷水平的影響因素

2.1 接地電阻對接觸網耐雷水平的影響

根據上文給出的絕緣子承受的雷擊過電壓計算式，當絕緣子的閃絡電壓為300 kV時，可以算得不同雷電流波形下接觸網的耐雷水平，得到接地電阻與接觸網耐雷水平的關系如表2所示。

表2 不同接地電阻對應的接觸網耐雷水平一覽表 kA

通過表2的數據可以發現，支柱的接地電阻對接觸網的耐雷水平影響極大，當雷電流波形為1.2/50ms時，支柱接地電阻從5W增加到30W，線路耐雷水平從35 kA下降到12 kA，降低了67%。當雷電流的波形為2.6/50ms時，支柱接地電阻從 5W增加到30W，線路耐雷水平將從42 kA降低到13 kA，降低了70%，因此在接觸網防雷改造中，降低接觸網支柱的接地電阻可以提高線路的耐雷水平。

2.2 避雷線對接觸網耐雷水平的影響

架設避雷線是輸電線路防雷的主要手段，為了達到避雷線的防雷效果，本文仿真計算了接觸網增加避雷線前后的耐雷水平，見表3。

表3采用的仿真參數：支柱高度8 m，雷電流采用2.6/50ms的波形，絕緣子閃絡電壓300 kV。通過對比發現，當支柱接地電阻為5W時，架設避雷線可以使接觸網的耐雷水平從42 kA提高到 50 kA，提高了8 kA。當支柱接地電阻為30W時，架設避雷線可以使接觸網的耐雷水平從13 kA提高到19 kA，提高了6 kA。由此可見，避雷線可以提高接觸網耐雷水平。考慮到避雷線可以防止雷電直擊接觸網的高壓導線，仿真發現雷擊高壓導線時，僅需要3 kA的雷電流就可導致絕緣子閃絡。因此加裝避雷線可以更好地預防接觸網雷擊事故。

表3 架設避雷線對雷擊塔頂耐雷水平的影響一覽表 kA

2.3 避雷器對接觸網耐雷水平的影響

避雷器是一種重要的防雷設備，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地電壓。根據電力系統過電壓防護規程的規定，在人員活動的區域，重要的強弱電設備以及輸電線路聯接點均需要安裝避雷器。為了達到避雷器的防護效果，本文通過仿真計算了接觸網安裝避雷器前后的耐雷水平（表4）。

表4 架設避雷器對雷擊塔頂耐雷水平影響一覽表 kA

通過表4可以發現，避雷器可以大幅度提高接觸網的耐雷水平，當支柱接地電阻為30W時，安裝避雷器后，接觸網的耐雷水平從13 kA提高到24 kA，提高了92%；當支柱接地電阻為5W時，接觸網的耐雷水平從42 kA提高到116 kA，提高了1.7倍。因此在重要的接觸網地段和經常遭受雷擊的地區，可以通過加裝避雷器提高接觸網的安全性和運行的可靠性。

3 結語

通過研究接觸網的耐雷水平及影響因素，得出如下結論：

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

（2）支柱接地電阻從30W減小到5W，接觸網耐雷水平相應地增加了2.3倍；有避雷線比無避雷線的接觸網耐雷水平提高了19.2%，因此在我國雷害多的地區，如東南沿海，中部地區，應考慮安裝避雷線，并將接地電阻降到合理的數值區間。

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

[1] 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.

[2] 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.

[3] 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.

[4] 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.

[5] 趙紫輝，吳廣，曹曉斌，等．基于電氣幾何模型的接觸網避雷線架設高度的計算方法[J]. 中國鐵道科學，2011，32（6）：89-93.

[6] 劉明光．接觸網防雷簡化分析[J]. 鐵道學報，1996，18（6）：122-124.

[7] 邵立，王國梁，白裔峰. 高速鐵路接觸網防雷措施及建議[J]. 鐵道工程學報，2012，（10）：80-83.

[8] 于增. 接觸網防雷技術研究[J]. 鐵道工程學報，2002，19（1）：89-94.

[9] 劉靖，劉明光，屈志堅，等. 計算接觸網雷擊參數的新方法[J]. 中國鐵道科學，2011，32（4）：76-81.

[10] 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.

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.中國鐵路總公司安全監督管理局，高級工程師，電話：13807152608。