直供方式接触网避雷线安装方式与防雷效果分析

高 保，曹晓斌，田明明

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031；2.西南交通大学电气工程学院，成都 610031)

直供方式接触网避雷线安装方式与防雷效果分析

高 保1，曹晓斌2，田明明2

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031；2.西南交通大学电气工程学院，成都 610031)

雷击将造成电气化铁路接触网绝缘子闪络，影响供电的可靠性。现有的研究表明，在直供方式中，接触网的绕击耐雷水平远低于其反击耐雷水平，因此架设避雷线有利于提高接触网的整体耐雷水平，减少雷击跳闸率。研究回流线升高兼做避雷线(方案1)与单独架设避雷线(方案2)对接触网防雷效果的影响。研究结果表明，当避雷线位置合适时，两种方案均能对承力索的绕击起到很好的保护作用。单独架设避雷线时，回流线与避雷线共同作用，增大与承力索的耦合系数，并对雷电流起到分流作用，从而提高接触网的感应耐雷水平与反击耐雷水平。因此方案2的感应雷耐受水平与反击雷耐受水平均略高于方案1，但总体投资要大于方案2，现场应根据雷害的严重程度及投资比较，选取合适的方案。

电气化铁路；接触网；回流线；避雷线；防雷

电气化铁路接触网的额定电压只有 25 kV，采用的绝缘等级低，容易在雷击时发生闪络。随着电气化铁路的规模不断增大，以及高速铁路的发展，雷电对接触网的危害也越来越严重[1-3]。近年来，我国对接触网防雷开展了大量的研究工作，并取得大量的研究成果，建立了接触网雷击过电压的数学模型，给出了接触网雷击跳闸率的算法[4-6]。其中文献[7]对接触网的雷击类型进行了定义，划分了不同类型雷击的作用范围，并给出了接触网雷击率跳闸率的计算方法。文献[8]以京沪高铁为例，研究了随着高架桥的高度增加，接触网感应雷与直击雷所占的比例。通过研究发现，当雷击接触网高压部分，即直供方式下雷击T线(承力索和接触线)，或AT供电方式下雷击T线或F线(正馈线)时，绝缘子闪络所需的雷电流非常小。一般情况下，雷击T线时，绝缘子闪络所需的雷电流幅值约为3 kA左右，雷击F线时，绝缘子闪络所需的雷电流幅值约为2 kA[5，9]。文献[10]提出通过架设避雷线可以改变雷击类型，并给出了基于电气几何模型的避雷线高度计算方法。文献[11]分析大秦线接触网防雷措施现状，并提出接触网技术改造措施。以此为基础，研究了电气化铁路直供方式下避雷线架设方式，并对防雷效果进行研究。

1 直供方式下避雷线的架设方式

电气化铁路主要的供电方式分为直供方式和AT供电方式两种，直供方式结构简单，维护方便，造价成本较低，因此在时速200 km以下的普速铁路中得到广泛应用。我国东南沿海雷电活动频繁，为了降低雷击跳闸率，提高供电的可靠性，需要在接触网上方架设避雷线。目前直供方式下避雷线的架设方案有以下2种。

1.1 将回流线升高至支柱顶部兼避雷线

方案1：本方案通过将回流线安装到支柱的顶部，实现避雷线的功能，其中混凝土等径圆支柱、格构式桥钢柱通过肩架安装在支柱顶部，硬横跨钢管支柱通过柱顶的预留孔直接安装在支柱顶部。在支柱顶部的具体安装方式见图1。

图1 回流线升高作避雷线示意

1.2 在支柱顶部单独架设避雷线

方案2：本方案保持原来的回流线位置与高度不变，在接触网支柱顶部增加1根避雷线，其具体安装方式如图2所示。通过对比图1与图2可以发现，这两种方案的相同点为：

(1)不论雷击回流线还是击中单独避雷线，雷电流通过支柱流入大地，产生的都是反击过电压；

(2)结合电气几何模型原理可知，如果方案1中回流线的安装高度和位置与方案2中避雷线安装高度及位置一致，二者的防护范围相同。

图2 单独架设避雷线示意

其不同点为：

(1)方案2中单独架设的避雷线与回流线之间起到了并联作用，二者对接触线与承力索的耦合系数要大于方案1中单独的一根回流线的耦合系数，因此会降低接触网绝缘子两端的感应电压差，有利于提高接触网的感应耐雷水平。

(2)雷击方案2中的避雷线时，下方的回流线同样起到了分流作用，减少了支柱的入地电流，从而提高了接触网的反击耐雷水平。

2 感应雷防护效果对比分析

2.1 线路参数

以某线接触网为例，该线路的主要参数为，承力索对地平均高度为7 400 mm，支柱对正线侧面限界为3.1 m，回流线架设在田野侧，到支柱内侧的距离为1 150 mm，未升高之前对地平均距离定义为6 000 mm，没有采用绝缘架设。复线上下行线轨道中心线之间的距离为4 400 mm。

方案1：将回流线安装在支柱顶部兼避雷线时，安装高度为8 800 mm，到支柱内侧距离为0 mm。

方案2：回流线位置不变，单独架设避雷线，避雷线安装高度为8 800 mm，到支柱内侧距离为0 mm。

2.2 防护效果分析

线路上产生的感应过电压最大值为

(1)

I——雷电流幅值(一般不超过100 kA)，kA；

hc——导线平均高度，m；

y0——雷击点与线路的距离，m。

当增加避雷线后，绝缘子承受的感应过电压为

(2)

(3)

其中，k为避雷线与接触网的耦合系数；k1为几何耦合系数；k0为电晕校正系数。

根据《电力设备过电压保护设计技术规程》(SDJ-7-1979)，取方案1的耦合系数为0.2，方案2的耦合系数为0.3。经计算得到两种方案下接触网的感应耐雷水平如表1所示。

表1 接触网感应耐雷水平 kA

从表1可以看出，二者的耐雷水平稍有差异，但相差不大。在30 m处，方案1绝缘子发生闪络的最小雷电流幅值为82 kA，方案2所需的雷电流为94 kA。

4.3 生育 CD的两个发病高峰分别为20～30岁和50岁左右[2]，CD患者的平均年龄约为30岁，大部分患者在确诊时正值生育年龄。IFX被美国FDA批准作为孕期B类用药。MTX可致胎儿畸形、增加流产风险，因此禁用于妊娠期和哺乳期女性患者。然而，这并不代表IFX与MTX完全不适用于生育期CD患者。有报道[28]1例使用IFX联合MTX治疗的44岁男性CD患者的妻子顺利产下1名健康的婴儿。这一成功案例为CD患者生育问题指出了新的研究方向。

根据国标中给出的雷电流幅值概率公式，可以算得雷电流大于82 kA的概率为

雷电流大于94 kA的概率为

通过对比可以发现，方案2与方案1相比，引起绝缘子闪络的感应雷发生概率减少了3.2%。

3 绕击雷防护效果对比分析

通过电气几何模型，采用文献[7]给出的方法，建立如图3所示的坐标系，其中弧AB及弧B′A＇为回流线或避雷线的引雷区域，落在该区域产生的是反击过电压，而落在弧BC和弧CB＇之间时，击中承力索，产生绕击过电压。同样以左侧线路的中心线为x轴的原点，地面为y轴的原点，建立如图3所示的坐标系，A点对应的坐标为(xa，ya)，B点对应的坐标为(xb，yb)，C点对应的坐标为(xc，yc)，分别将回流线升高后的线路参数及避雷线的线路参数代入下式进行求解。

A点坐标满足方程

(4)

B点坐标满足方程

(5)

C点坐标满足方程

(6)

图3 复线区段接触网电气几何模型

承力索的耐雷水平约为3 kA，将3 kA代入后，解得B点横坐标xb为4.8 m，大于C点的横坐标3.1 m，即此时上行线和下行线避雷线(或回流线升高后)的引雷范围已重叠，承力索被完全屏蔽，此时接触网的绕击率为0，对应的绕击跳闸率同样可以认为是0。因此不论是方案1还是方案2，此时对应的电气几何模型图完全相同，因此两种方案的绕击防护效果完全一致。

可以算得当雷电流大于3 kA时，不论是方案1，还是方案2，上下行避雷线暴露弧的交点高于承力索暴露的交点，即此时承力索已被完全屏蔽，绕击率可以认为等于0。因此两种方案均可以起到很好的屏蔽效果。

4 反击雷防护效果对比分析

4.1 仿真模型介绍

为了对比2种方案对反击耐雷水平的提升效果，采用电磁暂态仿真程序EMTDC (Electro-Magnetic Transient in DC system)，建立了2种方案下的仿真分析模型(部分)如图4所示，方案2与方案1相比增加了1条与回流线并联的避雷线。雷电注入点为支柱顶端，波形为2.6/50 μs的标准雷电流波形，雷电流模型如图5所示。

图4 直供方式接触网仿真模型

图5 雷电流模型

4.2 反击耐雷水平对比研究

2种方案的仿真计算结果如表2所示。

通过对比表2中的数据可知，二者的耐雷水平稍有差异，但相差不大。当支柱接地电阻为5 Ω时，方案1的耐雷水平为35.3 kA，方案2的耐雷水平为39.7 kA。

表2 接触网反击耐雷水平 kA

根据国标中给出的雷电流幅值概率公式，可以算得雷电流大于35.3 kA的概率为

雷电流大于39.7 kA的概率为

同样通过对比可以发现，方案2与方案1相比，由于反击引起绝缘子闪络的雷电流发生概率减少了4.3%。

5 结论

为了提高直供方式下电气化铁路接触网的耐雷水平，研究了2种避雷线的架设方式，通过对比分析，得出结论如下。

(1)回流线抬高作为避雷线与单独架设避雷线均能对承力索起到很好的防护作用，只要高度与位置合适，2种方案均可以将承力索的绕击率降到0，从而提高接触网整体的耐雷水平。

(2)单独架设避雷线与回流线提高方案相比，由于增加了1根接地导线，增加了对承力索的耦合系数，并减少了支柱的入地电流，因此方案2的感应雷耐受水平与反击雷耐受水平均略高于方案1。

方案2虽然略优于方案1，但方案2的总体投资要大于方案1，因此应根据雷害的严重程度及投资效率进行方案比较，一般情况下重雷区优选方案2，中雷区和少雷区优选方案1。

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Analysis of Installation and Effect of Lighting Conductor of Direct Supply Catenary

GAO Bao1， CAO Xiao-Bin2, TIAN Ming-ming2

(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu 610031， China;2.School of Electrical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Lightning often causes flashover of insulator of electrified railway and impacts the power supply reliability. The existing researches show that， in the direct supply， the lightning-proof when lightning strikes the contact line is far below than that when it strikes the grounding line. So the lightning conductor is beneficial to improving the overall lightning-proof level of the contact system and reducing tripping rate. In this paper， the effects of the two lightning conductor modes have been researched. One is to raise the reflux wire to serve as the lightning conductor and the other is to set up a new lightning protection line. The research results show that， if the position of the lightning conductor is suitable， the two modes can all provide good protection for the catenary. But in the second mode， reflux wire and the lighting conductor act simultaneously to increase the coupling coefficient of the catenary and take part in current diverging. Therefore， the lightning-proof level of the second mode is higher than that of the first mode and its overall investment is higher than the first one. So， the selection of the appropriate mode should be based on a comparison of investment and the severity of lightning.

Electrified railway， Contact system; Reflux wire; Lightning conductor; Lightning protection

2015-03-12；

2015-04-01

铁道部重大科技研究计划项目(Q024131104010072)

高 保(1979—)，男，工程师，2001年毕业于西南交通大学，工学学士，E-mail:61154150@qq.com。

曹晓斌(1974—)，男，副教授，博士，从事过电压及防雷接地技术方面研究，E-mail：xiaobincao@163.com。

1004-2954(2015)11-0131-04

U225.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.031