接触网耐雷水平及其影响因素研究

周少喻



接触网耐雷水平及其影响因素研究

周少喻

研究了单线区段与复线区段雷击次数与雷暴日的关系，给出了雷击接触网不同位置的过电压类型及不同类型雷击产生的过电压幅值计算式，分析了接地电阻、避雷线和避雷器对接触网耐雷水平的影响，分析了不同雷击类型下接触网现有的耐雷水平及接触网耐雷水平的影响因素，提出了提高接触网耐雷水平的建议措施。

电气化铁路；接触网；雷击过电压；防雷措施；耐雷水平

0 引言

接触网是电气化铁路特有的供电线路，其作用是为电力机车或动车组提供电能，由于接触网设备具有的不可备用特性，其发生故障将直接影响行车。现有的研究表明，雷害是造成接触网供电故障的主要因素之一，而我国中部和南部地区的电气化铁路极易遭受严重的雷害，尤其是东南沿海地区，每百公里接触网线路每年可能遭到雷击10次左右。如广东某牵引变电所，在雷电活动最频繁的7、8月份，1个月的雷击跳闸次数可以达到10次以上，严重影响了行车质量。

德国电气化铁路接触网的百公里年雷击率仅为1次，因此在德国主要采用避雷器进行防雷保护，考虑到避雷器保护范围的有限性和经济因素，通常只在雷电活动频繁的地段加装避雷器。

日本受海洋气候影响，雷电活动仅次于我国东南沿海各省，在其电气化铁路防雷设计中以安装避雷线为主，根据雷击频度和线路的重要程度，将铁路划分为A、B、C三个防雷等级，其中A级地区要求全线安装避雷线，B级地区只需要在部分雷击重点区段安装避雷线，C级地区则不需要安装避雷线，避雷器只用作重点设备的防护。

我国国土辽阔，与欧洲和日本气候差异非常大，本文将根据我国电气化铁路的实际运行参数来分析接触网的雷击状况，分析各种防雷措施的实施效果。

1 接触网雷击参数研究

1.1 接触网雷击次数与雷暴日的关系

雷暴日是决定接触网遭受雷击次数的主要因素，在年雷暴日较多的区域，接触网线路遭受雷击的概率也随之增加，该地区接触网的防雷要求也随之提高，因此首先需要分析接触网雷击频率与雷暴日的对应关系。

根据我国铁路建设规范，接触网侧面界限为 3 m左右，承力索距轨面平均高度约为7 m，采用电气几何模型分析方法，结合电力系统防雷保护国家标准，可以得到接触网每百公里的年雷击次数与雷暴日的关系。

单线区段：

复线区段：

（2）

式中，为接触网每百公里的年雷击次数。采用式（1）与式（2）可以计算得出接触网百公里年雷击次数与当地年平均雷暴日d的关系，如表1所示。

表1 接触网雷击次数与地区年雷暴日对应表

通过对比表1数据可以发现：接触网遭受雷击的次数随雷暴日的增加而快速增加，年雷暴日90 d与雷暴日20 d的地区对比，前者的接触网年雷击次数约为后者的7倍。通过查寻我国气象资料可以发现，我国东南沿海地区的年雷暴日在90 d以上，西北地区低于20 d。我国铁路线路通常跨越数个省市，各区域的年雷暴日均不相同，因此在设计过程中需根据当地年雷暴日数量，选取合适的防雷措施。

1.2 雷击接触网过电压分析

接触网的雷击故障主要是绝缘子闪络造成对地短路，而过电压是造成绝缘子闪络的主要原因。由于雷电流幅值高，放电时间短，因此雷击过电压的幅值与雷击点的冲击阻抗有关。当雷电击中支柱顶部或支柱上的PW线、避雷线或架空地线等接地设备时，雷电流将通过设备的接地引下线和接地装置流入大地，此时过电压幅值与接地装置的冲击电阻有关。如果雷电击中线路的高压导线（如承力索或负馈线），过电压的幅值主要受高压导线波阻抗的影响。下文将分析这2种过电压的计算方法。

（1）雷击接触网接地部分。

此时过电压主要是由于接地装置的冲击电阻引起，但由于雷电流变化速度非常快，故不能忽略支柱电感的影响，因此雷击接地部分的过电压为

式中，为接地装置的冲击电阻，W；为雷电流幅值，kA；为支柱电感，mH。

由于空间的电磁感应作用，在接触网的高压导线（接触线与承力索）上也会产生感应过电压，该感应过电压为

式中，为接触网导线对地平均高度，m。

接触网绝缘子承受的雷电过电压为二者的叠加值，因此绝缘子实际承受的雷电过电压可以用下式进行计算：

此时对应的雷电流幅值为

（6）

通过式（6）可以得出，接触网的耐雷水平受接地装置的冲击电阻及导线对地高度的影响，冲击电阻越大，导线对地高度越高，接触网的耐雷水平越低。

（2）雷击接触网的高压导线。

当雷击接触网高压导线时，雷电流只能沿导线传播，由于导线电感与电阻的共同作用，在导线上会产生较高的过电压，导线的阻抗特性与雷电流在导线上的传播速度有关，该阻抗称之为波阻抗。根据电力系统过电压标准推荐的公式，接触网绝缘子上的过电压幅值为

式中，为接触网线路的波阻抗，W；0为雷电通道的波阻抗，W。

在线路防直击雷设计中，为了简化计算，雷电流的波形通常采用斜角平顶波代替，波头的陡度参数为d/ d=。由于电感的作用，过电压的最大值发生在雷电流波头部分，若不考虑绝缘子放电延时的影响，绝缘子闪络只能发生在波头时间段内。对于波头内某一时刻0，绝缘子上的雷电过电压与时间的关系为

等值雷电压源为

20() =0(0+) （9）

式中，为从0开始计时的新时间变量。

此时绝缘子承受的雷击过电压为

2 接触网耐雷水平的影响因素

2.1 接地电阻对接触网耐雷水平的影响

根据上文给出的绝缘子承受的雷击过电压计算式，当绝缘子的闪络电压为300 kV时，可以算得不同雷电流波形下接触网的耐雷水平，得到接地电阻与接触网耐雷水平的关系如表2所示。

表2 不同接地电阻对应的接触网耐雷水平一览表 kA

通过表2的数据可以发现，支柱的接地电阻对接触网的耐雷水平影响极大，当雷电流波形为1.2/50ms时，支柱接地电阻从5W增加到30W，线路耐雷水平从35 kA下降到12 kA，降低了67%。当雷电流的波形为2.6/50ms时，支柱接地电阻从 5W增加到30W，线路耐雷水平将从42 kA降低到13 kA，降低了70%，因此在接触网防雷改造中，降低接触网支柱的接地电阻可以提高线路的耐雷水平。

2.2 避雷线对接触网耐雷水平的影响

架设避雷线是输电线路防雷的主要手段，为了达到避雷线的防雷效果，本文仿真计算了接触网增加避雷线前后的耐雷水平，见表3。

表3采用的仿真参数：支柱高度8 m，雷电流采用2.6/50ms的波形，绝缘子闪络电压300 kV。通过对比发现，当支柱接地电阻为5W时，架设避雷线可以使接触网的耐雷水平从42 kA提高到 50 kA，提高了8 kA。当支柱接地电阻为30W时，架设避雷线可以使接触网的耐雷水平从13 kA提高到19 kA，提高了6 kA。由此可见，避雷线可以提高接触网耐雷水平。考虑到避雷线可以防止雷电直击接触网的高压导线，仿真发现雷击高压导线时，仅需要3 kA的雷电流就可导致绝缘子闪络。因此加装避雷线可以更好地预防接触网雷击事故。

表3 架设避雷线对雷击塔顶耐雷水平的影响一览表 kA

2.3 避雷器对接触网耐雷水平的影响

避雷器是一种重要的防雷设备，其主要作用是将雷电流引入大地，从而降低被雷击物体的对地电压。根据电力系统过电压防护规程的规定，在人员活动的区域，重要的强弱电设备以及输电线路联接点均需要安装避雷器。为了达到避雷器的防护效果，本文通过仿真计算了接触网安装避雷器前后的耐雷水平（表4）。

表4 架设避雷器对雷击塔顶耐雷水平影响一览表 kA

通过表4可以发现，避雷器可以大幅度提高接触网的耐雷水平，当支柱接地电阻为30W时，安装避雷器后，接触网的耐雷水平从13 kA提高到24 kA，提高了92%；当支柱接地电阻为5W时，接触网的耐雷水平从42 kA提高到116 kA，提高了1.7倍。因此在重要的接触网地段和经常遭受雷击的地区，可以通过加装避雷器提高接触网的安全性和运行的可靠性。

3 结语

通过研究接触网的耐雷水平及影响因素，得出如下结论：

（1）不同雷暴日下接触网遭受雷击次数差异很大，其中雷暴日为90 d的地区比雷暴日为20 d的地区接触网遭到雷击的次数高出近7倍，因此我国不同地域防雷工作难度差异很大，东南沿海地区防雷任务异常繁重。

（2）支柱接地电阻从30W减小到5W，接触网耐雷水平相应地增加了2.3倍；有避雷线比无避雷线的接触网耐雷水平提高了19.2%，因此在我国雷害多的地区，如东南沿海，中部地区，应考虑安装避雷线，并将接地电阻降到合理的数值区间。

（3）避雷器对提高雷击塔顶时耐雷水平的作用显著，在接地电阻为5W时，避雷器的效果最好，因此安装避雷器是一种提高接触网耐雷水平的有效措施，但架设避雷器时需要考虑避雷器的质量问题。

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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.中国铁路总公司安全监督管理局，高级工程师，电话：13807152608。