高速电气化铁路接触网防雷研究

李康，刘家军，卓元志，张辉，刘栋

（1.西安铁路局安康供电段，陕西安康725000；2.西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048）

随着我国高速电气化铁路的快速发展，对担负高铁动车组供电任务的接触网防雷研究愈发有意义。由于高铁接触网所经地区地理、地势、气象、气候条件差别较大，尤其是途经空旷原野、高架桥时，高大建筑物很少，高架桥基本属于相对的高大建筑，极易遭受雷击，特别是那些雷电活动频繁、地形比较复杂的路段，高铁接触网遭受雷害程度比较严重。在武广线、贵昆线等均发生过雷击接触网并造成严重设备损坏事故[1]。因此，有必要进行开展高速电气化铁路的接触网防雷研究。

由于高铁接触网无备用，任何原因造成线路跳闸，都将直接影响电气化铁道运营[1]。文献[2]只分析了应用直接接地方案解决接触网支柱遭受雷击的问题；文献[3]则着重分析避雷器在接触网防雷中的应用，而其只能作为牵引供电系统防雷技术措施的一种补充，不可高密集地大量安装。借鉴国内外高铁防雷的措施及经验，本文提出高铁接触网全线架设架空避雷线的新方案，并通过分析接触网雷击过电压、耐雷水平分析计算及仿真说明该方案的有效性。

1 国内外高速铁路防雷概况

1.1 国内高速铁路防雷现状

对于我国电气化铁道接触网防雷设计，根据雷电日及运营经验，按相关原则对接触网进行大气过电压保护[4]，强雷区应架设独立的避雷线，其接地电阻应符合表1规定。

1.2 国外高速铁路防雷现状

德国铁路依据实际情况，在德国电气化铁道中，比较多采用避雷器限制雷电过电压。日本铁路的接触网防雷方面，除了在变电所进出口、变压器进线处、接触网用隔离开关两侧、架空线与电缆连接处、架空线终端等位置安装避雷器外，在重雷区相应区段还采取了架设避雷线的措施[5]。

表1 接触网设备及其临近设备接地装置的接地电阻值Tab.1 Grounding resistance of the contact system and the near grounding equipment Ω

目前，我国在接触网防雷中，仅在高雷区及强雷区的重点位置设置避雷器，架设避雷线等防雷措施在电气化铁道中尚未应用[6]，回流线能起到一定的防雷作用，但预防直击雷效果不佳。

2 防雷新方案

根据我国高铁实际情况并借鉴电力系统和日本国铁防雷成功经验,考虑我国高速电气化铁路的重要程度,为满足高铁运行的高可靠性、减少牵引供电系统维护。本文提出在高速铁路接触网上方全线架设架空避雷线的方案，安装示意如图1所示。

图1 接触网架设架空避雷线示意图Fig.1 Schematic diagram of contact system overhead lightning protection line

安装架空避雷线在支柱顶部，与水平腕臂1.7 m，保护角为20°~30°，并与接地引线连接，与支柱钢筋连在一起，并通过支柱接地线接地，接地电阻R<10 Ω，接地间距为4个跨距左右。

接触网所处地区的年平均雷电日Td对其遭受雷击的频度有直接关系，见表2。每平方公里大地1 a的雷击次数随年平均雷电日增大变大[7]。当接触网侧面限界取3 m，承力索距轨面平均高度取7 m时，国际大电网会议33委员会推荐计算[8]：

表2 不同地区接触网遭受雷击次数计算值Tab.2 The calculated number of lightning of contact system in different areas （次·（100 km·a）-1）

3 无避雷线时，雷击过电压分析

一般判断防雷性能的优越，工程上主要用耐雷水平这个指标来衡量。雷击接触网不同位置将有相应的过电压产生，如在接触网附近的地面遭到雷击时，将在接触网上产生感应过电压；支柱遭到雷击时，将在其上产生冲击电压，并在网上产生感应过电压；接触导线遭到雷直击时，在导线上将产生行波过电压。

3.1 感应过电压及接触网耐雷水平

根据理论分析和实测结果，有关规程建议，当雷击点距接触网的距离S大于65 m时，在接触网上产生的过电压与雷电流幅值成正比，与雷击点到接触网的距离成反比，接触网上的感应过电压U1（kV）可由下式计算[9]，可取 S＝2hd。

式中，hd为接触网导线平均高度。

衡量绝缘子耐雷水平的一项重要参数是50%闪络电压,即认为施加在绝缘子上的电压在大于该值时绝缘子发生闪络。棒式绝缘子与盘式绝缘子的50%闪络电压U50%较低,会首先发生闪络,以该值为临界值，则接触网的耐雷水平ign为

3.2 支柱遭受雷击时引起的过电压与耐雷水平

当支柱遭到雷击时，产生的雷电流将沿着支柱流入大地，设其冲击电压为U2，可由下式计算

可得

式中，陡度a＝i/2.6；R为支柱的冲击接地电阻；i为雷电流幅值；L为支柱的等值电感。

按规程建议的防雷设计中雷电流波形取斜角平顶波，波头长度2.6 μs，当雷击支柱时，接触导线的感应过电压为

接触网上棒式绝缘子承受的电压为

由上式可知，加在线路绝缘子串上的雷电过电压与雷电流的大小、陡度、导线高度及支柱接地电阻有关。如果U等于或大于接触网棒式绝缘子串U50%雷电冲击放电电压时，支柱将对线路产生反击，线路的耐雷水平为

3.3 接触网导线直击雷的耐雷水平

如图2所示，雷击于A点，雷电流将沿接触网导线两侧流动。可以认为这两个方向上雷电流的分布是对称的。

图2 雷击无避雷线接触网导线示意图Fig.2 Schematic diagram of lightning strike of contact system at the catenary without overhead lightning protection line

则Z/2为雷击点两边导线的并联波阻抗，假定雷电通道的波阻抗Z0近似取200 Ω，线路波阻抗Z＝400 Ω，则可得雷击接触网导线等效路如图3所示。

图3 雷击无避雷线接触网线路等效电路Fig.3 Equivalent circuit of lightning strike of contact system at the catenary without overhead lightning protection line

由图3可求得雷击点电压UA＝100i，即线路绝缘耐受过电压为

则接触网线路的耐雷水平ixn为

4 架设架空避雷线

4.1 架空避雷线防雷保护原理

架设避雷线可防止直击雷和对雷电流进行分流，减小流入杆塔的雷电流，使塔顶电位下降；对导线耦合，降低导线上的感应过电压，对输电线路可以起到很好的防雷保护。

当雷云的先导向下发展到离地面一定高度时，高出地面的避雷线顶端形成局部电场强度集中的空间，形成向上的迎面先导，使雷电仅对避雷线放电，从而保护了附近的物体免遭雷击。避雷线的保护作用是吸引雷电击于自身，并使雷电流泄入大地，为了使雷电流顺利泄入大地，要求避雷线有良好的接地装置。

4.2 避雷线的保护范围

避雷线的保护范围是用模拟试验及运行经验确定的。在保护范围内被保护物不致遭受雷击。由于放电的路径受很多偶然因素影响，因此要保证被保护物绝对不受雷击是非常困难的，一般采用0.1%的雷击概率。

单根避雷线的保护范围，如图4所示。

图4 单根避雷线的保护范围Fig.4 Protection range of the single lightning protection line

在被保护物高度hx水平面上，一侧保护宽度rx为：当 hx＞hb/2 时，rx＝0.47（hb－hx）Ph；当 hx＜hb/2时，rx＝（h－1.53hx）Ph；其中，hb为避雷线高度，Ph为高度修正系数，当h≤30 m时，Ph＝1。用避雷线保护线路时，保护范围用保护角表示更实用。保护角越小对导线直击雷的保护越可靠，即雷击导线概率越小[10]。

5 架设架空避雷线后，过电压及耐雷水平分析

接触网架设架空避雷线后，雷击的情况除了感应雷，还有3种情况：1）雷绕过避雷线击于接触网线路；2）雷击支柱；3）雷击避雷线。

5.1 感应电压过电压分析

架设避雷线后，因接地避雷线的电磁屏蔽作用，从而使接触网导线上的感应过电压降低，其计算公式为

式中，k0为避雷线与导线之间的几何耦合系数；h0为承力索对地平均高度。

可见耦合系数越大，屏蔽作用越明显，即感应过电压越低。由于感应过电压的极性与雷云电荷相反，所以感应过电压降低，会导致作用于线路绝缘子串上的过电压降低。因此相应的提高了线路绝缘子串上的耐雷水平。

5.2 雷绕过避雷线击于接触网线路过电压及耐雷水平

模拟实验和多年现场运行经验表明，绕击率Pa与避雷线对外侧导线的保护角α、支柱高度h和地形条件有关，规程建议用下式进行计算

1）对于平原线路

2）对于山区线路

经计算，对于接触网平原线路雷绕击概率为0.08%；对于接触网山区线路雷绕击概率为0.3%。

雷电绕击接触网时，接触网与架空避雷线之间会有耦合作用，此时它们之间的耦合还须考虑电晕的影响。线路绝缘耐受过电压为

式中，kc为接触网与架空避雷线的电晕耦合系数。

则接触网线路的耐雷水平ixn为

5.3 雷击支柱过电压及耐雷水平

雷击支柱时，如图5所示，雷电流大部分经过被击支柱入地，小部分电流经过避雷线由相邻支柱入地。

图5 有避雷线时雷击支柱示意图及等效电路Fig.5 Schematic diagram and equivalent circuit of lightning strike at the pillar with the overhead lightning protection line

则支柱顶电位为

即

式中，iz＝βi，β为支柱的分流系数，其可由图 5（b）求出。

计及避雷线与导线之间的耦合作用及雷击集中接地支柱时在导线上产生的感应过电压，此时线路的耐雷水平为

式中，kc＝k0k1为避雷线与接触网线路电晕耦合系数。

因此，在架设避雷线时可以采取降低接地电阻R和提高耦合系数kc作为提高耐雷水平的主要手段。

5.4 雷击避雷线档距中央过电压分析

雷击避雷线档距中央，由于两侧接地支柱发生负反射需要一段时间才能回到雷击点使该点电位降低。设档距避雷线电感2Lb，雷电流取斜角波。

则雷击点的过电压为

雷击点与接触网导线空气间隙绝缘上所承受的电压为

根据理论分析和运行经验，我国规程规定，在档距中央，导线和避雷线之间的空气距离S按下式计算

对于接触网来说满足上式要求，因此空气间隙不会发生闪络。

5.5 计算对比

取架空避雷线在承力索正上方距平腕臂1.7 m处，承力索对地高度h0=7.3 m，腕臂对地高度7.6 m,导线对地高度为6.3 m，支柱高度8.0 m，冲击接地电阻R=8 Ω，Lz=6.72 μH时,棒式绝缘子的50%闪络电压U50%为270 kV，电晕修正系数k1=1.15。避雷线保护角为25°，距承力索水平距离取0.9 m，架空避雷线与接触网导线的几何耦合系数[11]

因此

依据上述公式可计算出架设避雷线前后相应的耐雷水平如表3所示。由表3可清楚看出，架设避雷线后耐雷水平都有所提高。

表3 架设避雷线前后耐雷水平对比Tab.3 Lightning withstand level comparison before and after the erection of the overhead lightning protection line

5.6 仿真验证

通过在PSCAD仿真软件中搭建高铁接触网遭受直击雷的仿真模型，分析对比架设避雷线对耐雷水平的作用。雷击牵引网的整体模型分成几个部分:雷电波电流模型、牵引网悬挂系统模型[12]、接地电阻模型等[13]。这里雷电流模型采用1.2/50 μs的标准电流波形，绝缘子闪络模型采用伏秒模型与压控模型相结合的方式闪络模型[14]。建模过程中忽略牵引网线路上的弧垂和电晕。

通过分析架设避雷器前后雷击悬挂导线与雷击支柱顶端的绝缘子闪络情况，对避雷线的防雷效果进行验证。

5.6.1 未架设架空避雷线

1）雷击支柱顶端时，当雷电流幅值达到20.1 kA时，线路绝缘子发生闪络，如图6所示。

图6 未架设避雷线雷击支柱的耐雷水平Fig.6 Lightning withstand level at the pillar without the overhead lightning protection line erected

2）当雷击接触网时，雷电流幅值达到2.2 kA时，线路绝缘子发生闪络，如图7所示。

5.6.2 架设避雷线后

1）雷击支柱，当雷电流幅值达到28.7 kA时，线路绝缘子发生闪络，如图8所示。

2）当雷击接触线时，雷电流幅值达到4.1 kA时，线路绝缘子发生闪络，如图9所示。

由仿真结果可以看出接触网全线架设避雷线的防雷效果。本文仿真结果与计算值有偏差主要由于忽略牵引网线路上的电晕及弧垂的影响及公式（8）是按雷击接触线的中点进行计算的。

图7 未架设避雷线雷击接触线耐雷水平Fig.7 Lightning withstand level at the catenary without the overhead lightning protection line erected

图8 架设避雷线后雷击支柱耐雷水平Fig.8 Lightning withstand level at the pillar with the overhead lightning protection line erected

图9 架设避雷线后雷击接触线耐雷水平Fig.9 Lightning withstand level at the catenary with the overhead lightning protection line erected

应用本文提出方案的同时，应分别在装设分相绝缘器、站场两端的绝缘锚段关节，隧道长度超过2 000 m的隧道口，供电线超过200 m等处装设氧化锌避雷器作为接触网全线架设架空避雷线防雷技术措施的一种补充。

6 结语

接触网防雷对于高铁的正常运营起着决定性的作用。综上所述，应用本文提出的方案对于接触网防止直击雷及耐雷水平的提高具有良好的效果。随着高铁的迅速发展，为保证高速铁路客运专线运行的高可靠性、牵引供电系统运行设备安全，在接触网上方全线架设避雷线将是高铁防雷的一种有效措施，必将得到广泛应用。

[1] 于增．接触网防雷技术研究[J]．铁道工程学报，2002（1）:89-94．YU Zeng．Study on lightning protection of catenary[J]．Journal of Railway Engineering Society， 2002（1）:89-94（in Chinese）．

[2] 田雨．津滨线接触网防雷保护实施方案[J]．电气化铁道，2006（6）:23-25．TIAN Yu.Lightning protection implementation plan of jin bin catenary[J]．Electrified Railway，2006（6）:23-25（in Chinese）．

[3] 刘明光，李光泽，孔中秋．论接触网上避雷器的应用[J]．电气化铁道，2005（5）：28-30．LIU Ming-guang， LIGuang-ze，KONG Zhong-qiu.Application of surge arresters on catenary[J].Electrified Railway，2005（5）:28-30（in Chinese）.

[4]中华人民共和国铁道部.TB10009-2005铁路电力牵引供电设计规范[S]．北京：中国铁道出版社，2005．

[5] 范海江，罗健．铁路客运专线接触网防雷研究[J]．铁道工程学报，2008（8）:80-83．FAN Hai-jiang，LUO Jian.Research on the lightning protection of OCS in passenger dedicated lines[J].Journal of Railway Enineering Society，2008（8）:80-83（in Chinese）.

[6] 刘勇杰，黄东升．关于青藏线接触网建成后防雷措施探讨[J].电气化铁道，2008（1）:28-30．LIU Yong-jie，HUANG Dong-sheng.discussion on lighting protection of Qinghai-tibet railway catenary[J].Electrified Railway，2008（1）:28-30（in Chinese）.

[7] 王希，李振，彭向阳，等．耦合地线架设位置及根数对500/220 kV同塔4回线路防雷特性影响[J].高电压技术，2012，38（4）:863-869.WANG Xi，LI Zhen，PENG Xiang-yang，et al.Influence of mounting location and number of coupling ground wires on characteris tic of lightning protection for 500/220 kV quadruple-circuit transmission line on same tower[J].High Voltage Engineering，2012，38（4）:863-869（in Chinese）.

[8] Dev Paul.Light rail transit DC traction power system surge overvoltage protection[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2002，38（1）:21-28.

[9] 韩晋平，王晓丰，马心良．10 kV架空绝缘导线雷电过电压与防雷综合措施研究[J]．高电压技术，2008，34（11）:2395-2399．HAN Jin-ping，WANG Xiao-feng，MA Xin-liang.Research on comprehensive protections of 10 kV overhead insulated distributionlinesfromlightning[J].High Voltage Engineering，2008，34（11）:2395-2399（in Chinese）.

[10]刘继．电气装置的过电压保护[M]．北京：电力工业出版社，1982．

[11]解广润．电力系统过电压[M]．北京：水利电力出版社，1985．

[12]张鹏远．电气化铁道牵引网的防雷保护研究[D]．成都：西南交通大学，2007．

[13]Reported prepared by the fast front transients task force of the IEEE modeling and analysis of system transients working group[J].Modeling Guidelines for Fast Front Transients.IEEE Transactions on Power Delivery，1996，11（1）:493-506.

[14]张志刚．直流输电系统线路过电压的研究[D].武汉：华中科技大学，2006．