连鹏飞 邓云川 曹晓斌 李良威

(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， 成都 610031)

复线电气化铁路带回流线直供方式接触网防雷分析

连鹏飞1邓云川1曹晓斌2李良威1

(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， 成都 610031)

接触网由于其本身的结构和位置而处于牵引供电系统中极其薄弱的环节，容易遭受雷击，导致设备的损坏，影响铁路的安全运行。本文采用PSCAD电磁暂态仿真软件，建立了接触网雷击研究仿真模型，分析了雷电感应、反击、绕击导致的绝缘子闪络情况下的雷击跳闸率，并对海南西环线接触网雷击跳闸率进行了评估计算，就雷暴日参数以及回流线升高对雷击跳闸率的影响和积极作用进行了分析，论证了带回流线直接供电方式回流线升高和避雷线对接触网防雷的积极防护效果，对于电气化铁路接触网的防雷设计具有参考意义。

电气化； 铁路； 接触网； 雷击

牵引供电系统防雷分为变电所防雷和接触网防雷两个部分，变电所的防雷技术相对比较成熟，而接触网的防雷措施比较单一，除了规程中规定在变电所出口、锚段关节、长大隧道口、长大桥两侧装设了避雷器之外，还提出增设避雷线等防雷措施。但在实际运行中，接触网整体防雷效果并不理想，雷击故障时有发生，严重时导致永久性停电，影响行车安全。因此，本文在分析接触网雷击情况的基础上，提出了对于带回流线直接供电方式采用回流线升高兼做避雷线的雷电防护措施，并对海南西环线接触网雷击跳闸率进行了评估计算，进一步说明回流线升高兼做避雷线措施的有效性。

1 雷击接触网耐雷水平研究

通过PSCAD仿真软件，根据实际的接触网线路结构，搭建仿真模型分析接触网的直击雷耐受水平。

1.1 仿真模型

1.1.1 雷电流仿真模型

先导放电通道可近似为由电感和电容组成的均匀分布参数的导电通道，其波阻抗为：

(1)

式中：L0——通道单位长度的电感量；C0——通道单位长度的电容量。

主放电通道波阻抗与主放电通道雷电流有关，雷电流愈大，波阻抗愈大，一般Z0=300～3 000 Ω。按照我国电力行业标准DL/T620-1997规定，仿真将主放电通道波阻抗Z0取为300 Ω。雷电冲击电流波形选取了标准冲波1.2/50 μs，搭建雷电流模型时通过受控电流源和波阻抗并联，受控电流源用双指数表示，仿真过程中用加/减法器构成。

i=I0(eαt-eβt

(2)

其中:I0=1.058，α=-15 000，β=-1 860 000。

雷电流仿真模型如图1所示。

图1 双指数雷电流产生模型

1.1.2 导线以及支柱仿真模型

利用PSCAD仿真时参考实际接触网，接触网跨距取为50 m，沿线平均土壤电阻率取为300。将支柱视为一个与接地电阻串联的集中参数电感，仿真时取接地电阻5～40 Ω，单位等值电感为0.84 μH/m。接触线直流电阻为0.179 Ω/km，计算半径为5.9 mm。接触线距离地面高度为6.5 m，线路模型从master库中More on Transmission Line单元中选取Tline模型，接触网系统支柱线路等综合仿真模型如图2所示。

图2 接触网系统支柱线路等综合仿真模型

1.1.3 绝缘子仿真模型

按照TB/T 2007-1997《电气化铁道接触网绝缘污秽等级标准》要求，计算按接触网的泄漏距离应取标准值的上限，棒式绝缘子的泄漏距离应为145 cm。我国棒式绝缘子(爬电距离1 400 mm)，耐污闪电压标准为31.5 kV，工频干耐受电压为160 kV，湿耐受电压为130 kV。本文参照接触网绝缘子U50%放电电压进行建模，其中接触线(T线)绝缘子50%放电电压为460 kV，当T线绝缘子两端电压，即|zl-hl|>460 kV时，T线绝缘子动作。绝缘子仿真模型如图3所示。

图3 绝缘子仿真模型

1.2 接触网反击耐雷水平研究

接触网雷击类型如图4所示，雷击接触网接地部分，如支柱顶部(图4中B点)、回流线、AT供电方式下的保护PW线等，产生的过电压称为反击过电压。雷击接触网接地部分使其闪络时，此时所对应的雷电流称为反击耐雷水平。文中研究了接触网雷电反击过电压耐受水平，图5为两种不同波形作用下接触网的反击耐雷水平。

图4 接触网雷击类型

从图5中可以看出，当支柱接地电阻为10 Ω时，接触网的耐雷水平约为24 kA，当支柱接地电阻从5 Ω增加到30 Ω时，线路耐雷水平从42.095 kA降低到12.601 kA，降低了70.06%，因此支柱接地电阻对接触网反击耐雷水平影响较大。

图5 不同接地电阻下接触网耐雷水平影响

1.3 接触网绕击耐雷水平研究

雷击高压部分，如接触线或承力索(图4中C点)或者AT供电方式下的正馈线，产生的过电压称为绕击过电压，同理，闪络时所对应的雷电流为绕击耐雷水平。当雷击承力索(带电部分)时，可以仿真得到接触网的绕击耐雷水平，通过仿真发现，当雷电流幅值取为3.708 kA，承力索的绝缘子动作，其计算数值受接地电阻影响较小。因此从计算结果可以看出接触网导线的绕击耐雷水平较低，雷击接触网时接触网导线非常容易闪络，因此要重点对接触网导线进行雷电防护。

2 接触网雷击跳闸率研究

2.1 电气几何模型

复线区段的接触网电气几何模型如图6所示。

图6 复线接触网电气几何模型

复线接触网区段呈对称结构，设左侧为上行线，从图6中可以看出，当雷电落在A点左侧时，在接触网上产生感应过电压；当雷击落在A、B之间时，击中上行线的回流线，产生反击过电压；当雷击落在B、C之间时，击中上行线的承力索，产生绕击过电压；当雷击落在B′、C之间时，击中下行线的承力索，产生绕击过电压；当雷击落在B′、A′之间时，击中下行线的回流线，产生反击过电压；当雷击落在A′点右侧时，击中大地，产生感应过电压。

2.2 接触网雷击跳闸率估算

由电气几何模型可计算得到单侧感应雷击区间(-∞，xa)的有效投影长度：

(3)

其中：

式中：I——雷电流幅值；hg——回流线对地高度；hc——承力索对地高度；k0——回流线与承力索之间的几何耦合系数；

U50%——绝缘子串的50%冲击放电电压(kV)；

xa～xe——图5中对应相应点的坐标，当出现xa=xe时，有效投影长度为0，此时对应的为最小感应雷电流Ie。

然后，按照下式计算单侧感应雷击跳闸率：

(4)

则复线感应雷击跳闸率为：

(5)

Td——雷电日(天/年)；

f(I)——雷电流概率密度;

η——建孤率。

积分上限Imax根据线路的重要程度或行业的具体要求取值，也可以按分布概率为90%或99%时的雷电流幅值进行估算。采用同样的方法，可以得到接触网反击跳闸率的估算公式为：

(6)

其中：

式中：ng0为单侧反击跳闸率，其他参数的含义同上所示。同理可计算得到接触网绕击跳闸率的估算公式为：

(7)

其中：

式中：nc0——单侧绕击跳闸率。

接触网的总雷击跳闸率为感应、反击与绕击跳闸率三者之和，即按照下式计算总跳闸率：

n=ngy+ng+nc

(8)

3 接触网防雷措施及其雷击跳闸率评估

3.1 回流线升高兼做避雷线防雷方案

回流线的安装高度一般位于支柱顶部的下方，将回流线升高兼做避雷线可以有效的提高接触网雷电防护性能。回流线在支柱顶部的安装方案如图7所示，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。

图7 避雷线升高架设示意图

3.2 接触网跳闸率的评估

3.2.1 计算参数

本文以海西线设计为例，进一步分析接触网雷电防护性能。根据海西线的设计资料，承力索对地平均高度为6 450 mm，承力索到支柱内侧的距离为3 820 mm。回流线架设在田野侧，其对地的平均高度为6 000 mm，回流线到支柱内侧的水平距离为400 mm。复线的上下行轨道的中心距离为6 200 mm。如果将回流线升高到支柱顶部兼做避雷线，回流线升高后的高度为8.8 m。

海南岛地处我国热带地区，四周环海，水面和陆地受热不匀，故多雷电，根据气象资料记载，海南各地每年平均雷电日约120 d，最多则达149 d，经调查，海南西环铁路沿线气象条件如表1所示。

表1 海西线各地落雷密度

3.2.2 雷击跳闸率计算结果

基于海南西环线的设计资料，在不同条件下对不同区段接触网的跳闸率进行了评估，计算结果如表2所示。文中同时计算了绝缘子不同片数对雷击跳闸率的影响，当绝缘子片数不同时，其所对应的闪络电压并不相同，查阅相关资料，可知3片绝缘子对应的闪络电压为354 kV，4片绝缘子对应的闪络电压为438 kV。

表2 海西线各地接触网雷击跳闸率(次/百公里·年)

3.3 计算结果分析

从表2中可以看出， 回流线不升高时，由于承力索高于回流线，因此雷电流较大时，承力索将回流线屏蔽，造成雷电直击承力索的概率增大，而雷电反击造成的线路跳闸率较小，线路主要受雷电感应与雷电绕击的影响。回流线升高之后把回流线升高当避雷器之后，此时承力索被完全屏蔽，雷电绕击造成跳闸的概率接近为0，回流线的引雷范围受周边地形、树木及建筑物的屏蔽作用较大，雷电流反击造成跳闸率不到没有屏蔽时效果的一半。与没有屏蔽时相比，线路的总跳闸率下降了50%以上。

为了进一步降低线路的雷击跳闸率，考虑到通过降低接地电阻以提高线路反击跳闸所需的雷电流幅值，如果将线路接地电阻下降到5 Ω时，反击跳闸所需的雷电流上升到35 kA，此时线路雷击跳闸率将进一步下降，总的雷击跳闸率将再下降20%。综合考虑各种措施，当线路有屏蔽，增加绝缘子数量，并降低接地电阻时，接触网每百公里的雷击跳闸率将大幅度下降，如以海口地区为例，如果一条供电臂长度为20 km，上述措施均起作用与没有采取措施相比较，年跳闸次数将从12次下降到4次。

4 研究结论和建议

为了提高接触网的防雷水平，降低跳闸率，文章提出了几种接触网防雷措施：

(1)通过仿真计算发现，接触网反击耐雷水平受接地电阻影响较大，因此在实际接触网设计中要尽量降低支柱接地电阻；接触网绕击耐雷水平较小，因此要重点对接触网导线进行防护。

(2)通过研究项目沿线不同区段接触网雷击类型、雷暴日数量，根据线路所处位置环境状况，确定不同区段环境屏蔽系数，并结合接触网的耐雷水平，综合评估计算接触网线路雷击跳闸率。

(3)带回流线直接供电方式下升高回流线可以有效降低雷击跳闸率，因此对于雷击跳闸率不能满足指标要求的隧道外区间可以采取升高回流线兼做避雷线的防雷措施。

[1] 吴广宁,曹晓斌,李瑞芳.轨道交通供电系统的防雷与接地[M].成都：西南交通大学出版社,2011. WU Guanglin,CAO Xiaobin，LI Ruifang. The rail transit power supply system and lightning protection grounding [M]. Chengdu: Southwest Jiaotong University Press, 2011.

[2] 严璋,朱德恒.高电压绝缘技术[M].北京：中国电力出版社,2000. YAN Zhang,ZHU Deheng. High voltage insulation technology[M]. Beijing: China Electric Power Press , 2000.

[3] 边凯，陈维江，王立天，等.高速铁路牵引供电接触网雷电防护[J].中国电机工程学报,2013，33(10):191-199. BIAN Kai, CHEN Weijiang, WANG Litian,et al.Lightning Protection of Traction Power Supply Catenary of High-speed Railway[J]. Proceedings of the CSEE,2013,33(10):85-87.

[4] 曹晓斌，熊万亮，吴广宁，等.接触网引雷范围的划分及跳闸率计算方法[J].高电压技术,2013，39(6):1515-1521. CAO Xiaobin, XIONG Wanliang, WU Guangning,et al.Lightning Scope Division and Lightning Trip-out Rate Calculation Method for Overhead Catenary System[J]. High Voltage Engineering, 2013, 39(6):1515-1521.

[5] 虞昊.现代防雷技术基础[M].北京：清华大学出版社，1995. YU Hao. Modern lightning protection technology [M]. Beijing: Tsinghua University press, 1995.

[6] 刘明光.铁道电网过电压分析与防护-电网、暂态、防雷与接地[M].北京：北京交通大学出版社，2009. LIU Mingguang. Railway power system over voltage analysis and protection of power system, transient, lightning protection and grounding [M]. Beijing: Beijing Jiaotong University Press, 2009.

[7] 周利军，高峰，李瑞芳，等.高速铁路牵引供电系统雷电防护体系[J].高电压技术，2013,39(2):399-406. ZHOU Lijun, GAO Feng, LI Ruifang, et al.Lightning Protection System of Traction Power Supply System for High-speed Railway[J]. High Voltage Engineering, 2013, 39(2):399-406.

[8] 卢泽军,谷山强,赵淳，等.应用电气几何模型的高速铁路接触网防雷性能分析[J].电网技术,2014,38 (3):812-816. LU Zejun,GU Shanqiang, ZHAO Chun, et al. Analysis on Lightning Performance for Catenary of High-Speed Railway Based on Electro-geometric Model[J]. Power system Technology,2014,38(3):812-816.

[9] 曹建设．客运专线接触网保护线兼做避雷线的防雷效果评估[J]．中国铁道科学，2013．34(6)：79-83． CAO Jianshe.The Evaluation of the Lightning Protection of the Protection Lline Served as the Lightning Line on the Passenger Dedicated Line [J]. China Railway Science,2013,34(6),79-83.

[10]曹晓斌，田明明，张血琴，等.PW线升高或架设避雷线雷电防护效果综合评估[J].高电压技术，2015，41(11):3590-3596. CAO Xiaobin, TIAN Mingming, ZHANG Xueqin,et al. Comprehensive Evaluation on Lightning Protection Effect of Elevating the Protection Wire or Setting Lightning Conductor of Catenary System[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(11):3590-3596.

(编辑：苏玲梅)

Analysis of Lightning Protection for Direct Supply with Return Line Catenary on Double Track Electrified Railway

LIAN Pengfei1DENG Yunchuan1CAO Xiaobin2LI Liangwei1

(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd.,Chengdu 610031,China;2.South West JiaoTong University, Chengdu 610031, China)

Catenary becomes the weak link in traction power supply system because of its structure and position, the equipment is easier to be damaged by lightning strikes to affect the safety of railway. Based on the PSCAD electromagnetic transient simulation software, the simulation model of catenary lightning research, analyses on the lightning trip-out rate caused by lightning induction, fight back and around the strike under the circumstance of insulator flashover, the catenary lightning trip-out rate of Hainan West Ring Railway is evaluated, the Impact and positive role of thunderstorm day parameters and return line rises on lightning trip-out rate is analyzed, s the active protection effect of rise of the direct power supply with return line on catenary protection is demonstrated, it has reference significance for the lightning protection design of electrified railway catenary.

electrification; railway; catenary; lightning strike

2016-02-24

连鹏飞(1974-)，男，高级工程师。

1674—8247(2016)06—0064—05

U226.8+3

A