樊春雷，郭小霞，李汉卿

0 引言

国内铁路运营部门统计数据分析表明，雷击铁路沿线而引发的跳闸事故十分频繁。其中，广深线在1998—2001年发生雷击接触网跳闸140次；南昆线在1999年3—8月发生雷击接触网跳闸85次；2001年6月，武广线英德—连江口区间因雷击造成接触网停止供电，上下行线被迫中断行车2 h；2005年，京广线铁路大托铺站至暮云市站间电网瓷瓶被雷击，导致拉杆脱落，造成24 km接触网停电，21趟火车停运。

因此，有效防治雷害，保证供电安全对高速铁路极为重要。然而，目前国内对接触网防雷的研究非常少，且没有统一的分析方法与应用措施。本文通过借助电磁暂态分析软件PSCAD/EMTDC搭建接触网系统电磁暂态模型，以期对雷电波在接触网的传播及扩散过程进行深入研究，从而提出接触网耐雷水平的防护方法，为高速铁路防雷措施的实施提供重要的参考。

1 高速铁路概况

目前牵引变电所都设有避雷针保护，与牵引变电所相比，接触网距离长、沿线地理环境复杂防雷薄弱。因此，本文重点研究高速铁路牵引网防雷，选用线路参数如下：

接触线型号CTMH150/高强高导150接触线；承力索型号 JTM120/铜镁合金绞线；加强线型号JL/LB1A-250-22/7/铝包钢芯铝绞线；正馈线型号JL/LB1A-200-26/7；保护线型号 JL/LB1A-125-26/7。

由于全线桥梁占线路总长的80%，因此，本文重点研究高架桥接触网的雷击特性。该段支柱的结构型式见图1。该段铁路位于城市郊区，周围无大型建筑物，因而极易遭受雷击。

图1 高速铁路钢支柱的结构形式示意图

2 暂态模型搭建

2.1 雷电流模型

目前最广泛应用的是双指数函数模型，所以本文采用了双指数函数模型，雷电流按规程取波头/波尾为2.6/50 μs，其双指数函数表达式

仿真模型见图2。

图2 雷电流仿真模型图

2.2 接触网系统模型

由于雷电流波形中含有丰富的高次谐波，而线路的参数随频率变化，不同频率的谐波分量在线路中传播时的衰减和畸变各不相同。因此，本文接触网系统模型采用频率相关模型。即采用 PSCAD /EMTDC中的“Tlines”分析模块模拟，忽略导线电晕，如图3所示。考虑雷电波在被击支柱的折返射，在仿真线路终端，剩余部分采用冲击阻抗模拟。

2.3 绝缘子串闪络模型

国内防雷计算中判断绝缘子是否闪络，工程上一直采用比较绝缘子串两端电压与绝缘子串或空气间隙50%放电电压的方法作为判据，过电压超过绝缘的 50%放电电压即判为闪络。本文借助PSCAD/EMTDC电磁暂态分析软件搭建的模型如图4所示。

图3 接触网系统模型图

图4 绝缘子串的仿真模型图

其绝缘子发生闪络控制模块如图5所示。

图5 绝缘子串闪络控制模块图

接触网绝缘子发生闪络后电压波形见图6。

图6 接触网绝缘子串闪络波形及控制信号图

2.4 支柱模型

目前最具代表性的杆塔计算模型是电感模型。国内现行规程的防雷计算方法采用的是电感模型，该模型将杆塔视为一个集中参数的电感与接地电阻相串联。其仿真模型如图7所示。

图7 支柱仿真模型图

3 雷击过电压仿真分析

3.1 雷击接触网时的耐雷水平

雷击接触网的耐雷水平，见图8。

雷击过电压每公里降低10 kV。

图8 雷击接触网时的耐雷水平测试曲线图（单位：kA）

由于仿真模型未考虑电晕的影响，因此实际雷击过电压每公里降低的数值要大于仿真结果10 kV。

3.2 不同避雷器安装方式下接触网的耐雷水平

不同避雷器安装方式有4种。

方式 1是在加强线绝缘子两端并联 1个避雷器；方式2是在相邻的2个支柱加强线绝缘子两端各并联1个避雷器；方式3是在全线加强线绝缘子两端隔1个支柱并联1个避雷器；方式4是在全线加强线绝缘子两端并联1个避雷器。

雷击加强线时，雷击位置距加强线与接触网连接点不同距离对接触网耐雷水平影响见表1。

表1 接触网耐雷水平统计表 单位：kA

由表1可得：加强线与接触网连接点对于接触网耐雷水平影响很小，随着距离增加，耐雷水平基本保持不变。同时，是否安装避雷器对接触网耐雷水平影响很大，当雷击位置在连接点处且接地电阻为2 Ω时，不同避雷器安装方式下，接触网耐雷水平分别比未安装避雷器时的3.85 kA提高了59.95、62.95、62.15和84.15 kA。从最优投资出发在雷击加强线时优先选用方式1。

雷击跨距时，雷击点到支柱的不同距离对接触网耐雷水平影响见表2。

表2 接触网耐雷水平统计表 单位：kA

由表2可得，雷击跨距时，雷击位置对不同避雷器安装方式有很大的影响，对避雷器安装方式1，当雷击点距离支柱为15 m时，接触网耐雷水平减小约80%，达到13 kA。且当距离增加到50 m时，耐雷水平下降最大为3.25 kA，与未安装避雷器时的耐雷水平一致，即其安装避雷器的保护范围为本支柱。而对于避雷器安装方式4耐雷水平呈U形变化，且雷击跨距中央时，耐雷水平最低为57 kA。相反对于无避雷器情况，耐雷水平变化不明显。

4 结束语

以高速铁路为例，本文采用电磁暂态分析软件系统搭建了接触网雷击模型，并从雷击接触网、雷击距加强线与接触网连接点不同位置和雷击跨距三方面对接触网耐雷水平进行了分析，最后研究了不同避雷器安装方案的防护效果。

综上所棕，在分析和确定避雷器安装位置和数目时，还应根据铁路具体情况，如雷电流幅值，接触网历年跳闸次数、地形、地质等因素综合考虑。

[1]TB10009-2005.铁路电力牵引供电设计规范[S].北京，2005.

[2]樊春雷，黄震等.线路型避雷器在110 kV玄石线的应用研究[J].2007，(5)：18-21.

[3]任晓娜，吴广宁，付龙海等.采用避雷器后输电线路仿真模型的建立及应用现状[J].2005，(5)：26-34.

[4]voltages on overhead distribution lines[J].IEEE Trans.on Power Apparatus and Systems，1982，101(4)：960-968.

[5]张纬钹，何金良，高玉明.过电压防护及绝缘配合[M].北京：清华大学出版社，2002.