电气化铁路接地困难区段避雷线架设方式研究

2018-04-16曹晓斌田明明李瑞芳

铁道标准设计 2018年4期

曹晓斌,田明明,李瑞芳,高　保

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

我国高速铁路接触网分布范围广，所经过地区的地理、气候条件差别较大，很容易遭受雷击。接触网一旦遭受雷击将会引起设备损坏、列车失电，导致运输中断，甚至造成行车事故威胁人身安全[1]。接触网中回流线虽然有一定的防雷作用，但回流线安装高度比承力索低，其架设高度没有达到有效的直击雷的防护高度，因此回流线仅能起到电力部门采取的架设耦合地线的防雷作用，不能有效的防止直击雷。

随着雷击事故的频繁发生，接触网防雷逐渐引起了人们的注意，我国近几年在接触网防雷领域也展开了充分的研究。近几年一些相关的文献针对接触网单独架设避雷线展开了充分的研究。文献[2]在分析了我国高速铁路雷电防护体系的基础上，指出我国雷电防护体系的缺陷，提出有效的接触网防雷方案。同时为了防止直击雷，提出架设避雷线和升高PW线或回流线兼做避雷线的接触网防雷方案，经过分析发现架设避雷线可以有效提高接触网耐雷水平，降低雷击跳闸率[3-7]。文献[8-9]应用电气几何模型分析了高速铁路接触网防雷性能，同时建立了牵引网三维雷击电气几何模型，推导了高速铁路牵引网直击雷击跳闸率的计算公式。经过国内专家多方面讨论，已近初步形成了架设避雷线的可行性，但是关于避雷线的架设方式目前还没有相关的研究。目前大多数接触网支柱一般利用支柱本身金属部分进行自然接地，支柱接地部分很少设置单独的接地体。对于一些沿线经过山区、高原冻土地区接地困难的路基段铁路，其土壤电阻率可达到3 000 Ω·m以上，利用自然接地时其接地电阻一般较大，可达到几十欧姆甚至上百欧姆，并且随着时间的推移接地电阻不断增高。接触网架设避雷线后，雷电防护性能与避雷线的接地方式以及支柱的接地电阻密切相关，当接地电阻较大时接触网容易遭受反击。如果针对每一支柱进行接地改造，降低支柱的接地电阻，这样工程投资费用势必会很高。针对此种情况，分析间隔接地改造方案对接触网雷电防护性能的影响，在此基础上进一步分析部分绝缘改造方案是否可行，本文的研究对以后的接触网防雷接地设计与施工有着重要的意义。

采用PSCAD/EMTDC仿真分析接触网避雷线在不同的接地改造方案下，接触网反击耐雷水平以及雷击跳闸率的变化，最终确定合理的接地改造方案，为我国接触网防雷改造提供有效的指导。

1　避雷线接地改造方案

1.1　避雷线间隔接地改造方式

接触网支柱主要通过自然接地方式进行接地，对于接地困难的路基段支柱接地电阻较大，架设避雷线接触网后非常容易遭受反击。当接触网支柱的形式、尺寸，绝缘子的形式和数量确定后，影响接触网反击耐雷水平的主要因素则是支柱的接地电阻值，因此降低支柱接地电阻是防止反击的主要措施。降低支柱接地电阻的主要措施是对支柱接地进行改造，增加接地极数量。但是接触网支柱分布较密集，如果对每一支柱进行接地改造，实施起来较为困难，并且工程投资费用较高，这种方案不太现实。因此提出采用间隔接地改造方式，在保证接触网雷电防护性能的基础上，一定程度上可以降低接触网遭受反击的概率，同时可以有效降低工程投资和施工难度。图1为采用不同间距进行接地改造示意，图中10 Ω表示接地改造后的支柱接地电阻值，R表示未进行接地改造支柱接地电阻值，也即是利用自然接地时接地电阻值。接地改造间距对接触网整体的雷电防护性能影响较大，因此将重点讨论接地改造间距对整体雷电防护性能的影响。

图1　采用间隔接地改造示意

1.2　避雷线部分绝缘改造方式

图2　避雷线绝缘与非绝缘架设示意

当雷击支柱时有80%以上的雷电流通过支柱分流，支柱接地电阻较大时，很容易造成地电位反击。采用间隔接地改造时，未进行接地改造的支柱其接地电阻仍然较大，雷击支柱时仍然有可能遭受反击。在接触网防雷时可以考虑将雷电流赶到和限定在降阻的支柱上泄放，提出采用部分绝缘架设方式。通过绝缘架设方式，雷电流不能通过接地电阻较大的支柱进行分流，只能通过相邻的接地改造后的支柱进行分流，从而有效避免接触网遭受反击，同时也可以避免对接地极进行改造，从而降低工程费用。部分绝缘改造具体实施过程就是在图1的基础上对未进行接地改造的支柱采用绝缘架设方案，接地改造后的支柱采用非绝缘架设。但是此种方案未经过理论分析，其防雷效果是否可行还需要进一步验证。图2分别为避雷线绝缘架设与非绝缘架设示意，避雷线采用非绝缘架设时通过金属肩架支撑，如图2(a)所示，这样避雷线可以通过接地引下线或者钢支柱本身接地。当支柱采用绝缘架设方案时，主要是通过绝缘肩架支撑，如图2(b)所示，这样可以有效避免避雷线通过钢支柱接地。

2　避雷线间隔接地方式研究

2.1　计算条件

我国高速铁路牵引供电系统一般采用AT供电方式，在正常情况下，通过牵引变电所向接触网供电，供电臂长一般在30～50 km。AT供电方式具有供电距离长，电磁干扰小等优点[13]。图3为AT供电方式接触网结构示意。

图3　接触网结构示意(单位：m)

AT供电方式下接触网导线包括F线(馈线)、PW线(回流线)、T线，其中T线由承力索和悬挂在下方接触线组成，PW线位于F线下方，避雷线架设在支柱上方。F线雷电冲击放电电压为315 kV，T线雷电冲击放电电压为460 kV[1]。雷击支柱时，F线率先闪络，因此将F线闪络时对应雷电流作为反击耐雷水平。各导线相关参数[11]如表1所示。

表1　接触网导线参数

接触网支柱高度一般不超过10 m，计算过程中采用电感模拟能够满足计算要求，因此采用电感来模拟接触网支柱。如果直接利用钢结构支柱或混凝土支柱的钢筋兼作接地引下线，支柱单位长度等值电感就可按照式(1)来估算[13]

(1)

式中，L0为支柱单位长度等值电感，μH/m；hg为支柱高度，m；r0为支柱截面的等效半径，m。

仿真中选择钢支柱且L0按照0.5 μH/m取值。其他类型支柱等值电感和波阻抗参考值如表2所示。

表2　支柱等值电感和波阻抗取值

2.2　不同间距接地改造对耐雷水平影响分析

避雷线采用间隔接地改造时，接地改造间距的大小直接影响接触网整体的雷电防护性能，因此本节重点讨论接地改造间距大小对接触网耐雷水平的影响。当自然接地电阻不同时，接触网改造前后耐雷水平不相同。分别选取自然接地电阻R=90 Ω和R=30 Ω两种情况进行研究，接地改造后支柱接地电阻为10 Ω。对未进行接地改造的支柱依次进行编号，如图4所示。接触网档距为50 m，当采用其他间距进行改造时也是如此。

图4　间隔400 m进行接地改造示意

采用不同间距接地改造时耐雷水平计算结果如表3、表4所示。从计算结果可以发现，在不同电阻率地区采用不同间隔进行接地改造时，接触网耐雷水平有不同程度的提高。对于改造后的支柱(R=10 Ω)，反击耐雷水平均提高到68.3 kA，并且接地改造后支柱其反击耐雷水平不受接地改造间距以及相邻支柱接地电阻的影响。与改造支柱紧相邻的支柱，其反击耐雷水平有少许改善，但效果不明显，对间隔改造支柱2跨距以上的支柱，其反击耐雷水平没有改善。

表3　支柱自然接地电阻R=30 Ω时，接触网反击耐雷水平

表4　支柱自然接地电阻R=90 Ω时，接触网反击耐雷水平

通过上面分析可以发现，接触网支柱接地改造越密集，其整体耐雷水平提高的越高，但同时相应的接地改造费用也会相应的增加。因此在实际接触网防雷改造中，因根据当地的雷暴天气、地形地貌等条件选择合理的接地改造方案。

2.3　不同间距接地改造对雷击跳闸率影响

在雷电活动强度以及电阻率不同的地区，采用不同间距进行接地改造时，接触网整体的雷击跳闸率并不相同。因此本节重点讨论在不同雷暴日和自然接地电阻条件下，采用不同间距进行改造时，分析接触网雷击跳闸率的变化。

架设避雷线后接触网雷击跳闸率的计算方法，文献[4]有比较详细的介绍，本文不再赘述。本文同时考虑了不同雷暴日以及不同自然接地电阻情况下，接触网在不同间距接地改造后其雷击跳闸率的变化，雷击跳闸率计算结果如图5所示。

图5　不同雷暴日条件下接地改造间距与雷击跳闸率的关系

图5计算了在支柱自然接地电阻一定，不同雷暴区域进行接地改造时，接地改造间距从100 m到1 000 m，接触网百千米雷击跳闸率的变化。在不同雷暴区进行改造时，随着接地改造间距的增大，雷击跳闸率逐渐增大并且逐渐趋于平缓。在少雷区即雷暴日小于20 d时，随着接地改造间距的增大，雷击跳闸率变化较小，雷击跳闸率始终小于5次/(100 km·年)，因此在少雷区可以适当增加接地改造间距，更多地利用支柱自然接地。实际上应重点关注雷暴日较严重的地区，从图5可以看出在高雷区或者强雷区时，随着接地改造间距的增大，雷击跳闸率甚至增加1倍多，从图中可以发现在200 m以下进行接地改造时，其雷击跳闸率改善效果较为明显。

图6计算了同一雷暴地区，支柱在不同自然接地电阻条件下接地改造间距与雷击跳闸率关系。考虑到雷暴日较多的地区雷击事故比较严重，因此计算在60 d条件下不同自然接地电阻时雷击跳闸率的变化。从图6可以看出，随着接地改造间距的增大，雷击跳闸率逐渐增大并且逐渐趋于平缓。相同接地改造间距条件下，支柱自然接地电阻越大，接触网雷击跳闸率越大。因此在土壤电阻率较大的区域，可以适当缩短接地改造间距，从而降低接触网雷击跳闸率。

图6　不同自然接地电阻条件下接地改造间距与雷击跳闸率关系

3　避雷线部分绝缘架设方式研究

3.1　避雷线部分绝缘架设对耐雷水平影响

避雷线采用部分绝缘改造方式时，选取接触网接地改造间距为100 m时的情况进行分析，即，避雷线在未进行接地改造的支柱上采用绝缘安装，接地改造后的支柱上采用非绝缘安装。接地改造后支柱接地电阻值仍然为10 Ω，未改造支柱接地电阻在30～110 Ω范围变化。图7为雷击绝缘架设避雷线等效示意，避雷线采用绝缘架设时所用绝缘肩架的冲击闪络放电电压为UL，为了分析UL对接触网整体耐雷水平的影响，首先选取UL变化范围为300～1 800 kV。避雷线绝缘架设后，接触网反击耐雷水平计算如表5所示。为了对比分析，同时计算避雷线采用非绝缘架设时支柱耐雷水平，UL等于0表示非绝缘架设。

图7　雷击绝缘支柱示意

接地电阻R/Ω雷击绝缘支柱耐雷水平/kA0300kV600kV900kV1200kV1500kV1800kV3041.341.341.338.119.319.319.35031.731.731.729.219.920207026.826.826.826.120.120.820.89023.823.823.821.120.321.521.511021.921.921.920.320.522.122.1

从表5计算数据可以看出，避雷线绝缘肩架采用不同等级的绝缘水平时，接触网反击耐雷水平变化并不相同。当避雷线绝缘肩架冲击闪络电压UL在300～600 kV，反击耐雷水平与非绝缘架设情况相同，并且随着接地电阻的增大耐雷水平逐渐减小。当UL>600 kV后，反击耐雷水平逐渐降低，中间有少许波动，当UL增加到1 500 kV以后，其耐雷水平不受避雷线绝缘肩架的冲击闪络电压影响，并且其受接地电阻影响较小。

3.2　避雷线采用部分绝缘架设闪络原因分析

为了进一步分析避雷线绝缘肩架以及导线绝缘子整个击穿过程，给出了避雷线绝缘肩架在3种不同绝缘水平下导线临界闪络时的波形，如图8所示，这3种波形分别对应3种不同的闪络状态。图中仅给出0～0.4 μs时刻部分波形。

(1)避雷线绝缘肩架先闪络

从耐雷水平计算结果可以看出，最开始绝缘肩架冲击闪络电压较小时，其耐雷水平与非绝缘架设情况相同，其代表闪络波形如图8(a)所示。从图中可以看出，避雷线绝缘肩架在t1时刻发生闪络，F线绝缘子在t2时刻负峰值处发生闪络。由于避雷线绝缘肩架在F线绝缘子之前闪络，在t1～t2之间雷电流通过支柱流入大地，造成地电位升高，此时F线绝缘子承受电压U4=U2-U1<0，并且U1、U2差值逐渐增大，最后使F线绝缘子在t2时刻发生反击闪络。

注：U1—F线绝缘子接地端(低压端)电压；U2—F线绝缘子导线端(高压端)电压；U3—避雷线绝缘肩架两端承受电压；U4—F线绝缘子两端承受电压图8　导线闪络时绝缘子两端电压波形

(2)避雷线绝缘肩架与线路绝缘子同时闪络

当继续增大避雷线绝缘肩架冲击闪络电压UL至900 kV时，从图8(b)中可以看出，避雷线绝缘肩架和F线绝缘子在t3时刻同时发生闪络，此时属于一个临界过程，并且可以看出F线同样是由于地电位升高造成绝缘子反击闪络。此时由于PW线的分流作用减弱，导致接触网反击耐雷水平相比之前稍微降低。

(3)避雷线绝缘肩架不闪络

继续提高避雷线绝缘肩架冲击闪络电压至1 500 kV以后时，从图8(c)中可以看出，避雷线绝缘肩架并未发生闪络，而在t4时刻F线绝缘子在正峰值处发生闪络。由于避雷线绝缘肩架并未击穿，因此F线不可能由于地电位反击在成的闪络。F线闪络时，U4=U2-U1>0，即绝缘子导线端感应过电压大于接地端电压，因此F线闪络原因是感应过电压过大而造成的，所以F线绝缘子是感应闪络。由于避雷线绝缘肩架并未发生闪络，因此F线绝缘子接地端电压(U1)较小，而导线端感应电压(U2)较大，造成F线绝缘子更容易发生闪络，从而其耐雷水平低于前面介绍的几种情况。

从上述分析可以发现随着避雷线绝缘肩架冲击闪络电压的提高，F线由最初的反击过电压闪络演变成感应过电压闪络，即使继续提高避雷线绝缘肩架冲击闪络水平，虽然可以避免支柱接地电阻过大而造成导线反击闪络，但是由于接触网导线绝缘子绝缘水平较低，导线也会由于感应过电压过高而造成感应闪络，接触网耐雷水平得不到提高。从电气几何模型可以看出，避雷线绝缘架设后其电气几何模型不变，耐雷水平降低，其雷击跳闸率自然会降低。因此避雷线采用部分绝缘架设后其耐雷水平和雷击跳闸率均降低，选择避雷线接地方案时没有必要采用部分绝缘架设方案。