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高速铁路接触网雷击特性及避雷器防护效果的研究

作者：罗冰

来源：《科技信息·上旬刊》2018年第02期

摘要：以高速铁路接触网的典型结构为主要研究对象，然后使用电磁暂态分析程序建立接触网雷电过电压仿真模型，对高速铁路经过雷击后绝缘子两端的电压幅值进行仿真，然后分析避雷器对雷电过电压幅值的影响情况。借此对高速铁路接触网雷击特性进行准确研究与分析。从此次仿真模型中发现正馈线的直击耐雷水平比接触网导线的耐雷水平低。而正馈线安装在线路的两侧，可以较好的屏蔽接触导线，同时，绝缘子的雷击闪络率低接触导线稍高。经过仿真模型发现接触网雷电感应产生的绝缘子闪络率远远低于直接产生的闪络率。因此，高速铁路接触网故障的主要原因是雷电直击。在雷击点200米范围内安装避雷器以达到有效防雷效果。 关键词：接触网；高速铁路；雷电直击；避雷器；防雷效果 前言

接触网是高速铁路牵引供电系统的重要组成部分之一，绝大部分高速铁路接触网都裸露在室外环境中，很容易遭受雷电直击等灾害影响，造成线路跳闸等事故发生。因此，必须对高速铁路接触网安装大气过电压防护装置，采取有效的过电压防护，避免接触网遭受雷电等恶劣天气的 不利影响，才能确保高速铁路接触网正常安全运行，保证高速铁路安全稳定运行。 目前，我国高速铁路接触网的防雷设计是根据TB10009-2005《铁路电力牵引供电设计规范》以及TB10621-2009《高速铁路设计规范》中对接触网防雷的相关规定：“在重污染或重雷区以及高路基、高架桥、隧道口等重点地段的接触网应增设金属氧化物避雷器”。现阶段，我国高速铁路接触网主要使用的防雷措施包括：在雷击点的一定范围内安装避雷器；在雷击点范围内架设避雷线等。其中避雷器的安装使用最为普遍。但是避雷器的防雷效果并没有经过深入研究与探讨，因此，必须对避雷器的防雷效果进行仿真分析，确保接触网防雷水平达到所需标准。 一、高速铁路接触网仿真模型分析 1、高速铁路接触网安装分析

高速铁路一般采用的是AT供电方式，图1中主要是对高速铁路接触网的复线直线区段安装进行分析，图中两边的支柱都是H型钢柱，而线路内侧就是接触网线路，由接触线、承力索以及腕臂组成，电压为27.5kV；而正馈线是线路两侧的AF标志线路，正馈线的电压也是27.5kV，但是相位与接触网相反。而保护线PW在AF线的下方，这样可以确保绝缘子发生闪络现象时，故障电流能够从PW线流回AT所。而此次接触网典型安装模型在线路两侧的地基

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下埋设综合地线，并且对综合地线铺设时，隔一段距离的上下行线的地线会进行一次横向连接。详细的接触网典型安装模型如图1所示。 2、雷电直击接触网过电压分析计算

从以上高速铁路接触网典型安装模型图中可以明显看出，一旦高速铁路遭受雷电直击，高压部分十分容易被击中，这时的过电压由波阻抗产生，而为了对雷电直击不同部分的实际耐雷水平进行深入分析与计算，根据电磁暂态分析程序EMTP建立了高速铁路接触网直击雷电过电压分析计算模型，详见图2。

二、高速铁路接触网耐雷水平分析

1、高速铁路接触网雷电直击的耐雷水平分析

根据图2的接触网过电压计算模型，分别对10m高架桥与16m高架桥的接触网进行仿真分析，使用的绝缘子长度都是530mm，得到接触网雷电直击的耐雷水平如下：（1）高架桥为10m的接触网直击耐雷水平：T线路与F线路的负极性耐雷水平分别是：2.865kA、2.365kA；而正极性耐雷水平分别为：2.190kA、1.928kA。（2）高架桥为16m的接触网直击耐雷水平：T线路与F线路的负极性耐雷水平分别是：2.813kA、2.349kA；而正极性耐雷水平分别为：2.165kA、1.915kA。由此可以得出结论：高速铁路高架桥的高度对接触网的耐雷水平影响较低。而T线与F线至今的耐雷水平差别较大：T线的耐雷水平比F线耐雷水平相比较高，主要是因为F线只有一根导线，分布的电容量较小，而T线的接触网与承力索两根导线会分布更大电容，因此，F线的波阻抗会大于T线，使F现耐雷水平小于T线。 2、高速铁路接触网的雷电感应分析

对接触网雷电感应进行计算分析时，使用IEEE推荐的幅值概率密度与暴露范围积分法进行计算，可以得出接触网雷电感应过电压的闪络概率。10m与16m桥高100天雷暴日的F线闪络率分别为：20.21%与42.08%。而根据对高速铁路雷电直接产生的闪络率进行统计10m与16m桥高100天雷暴日的F线闪络率分别为：128.28%与147.00%。而表3中的的闪络率远远小于雷电直击的闪络率。并且闪络率与高架桥高度成正比关系。 三、高速铁路接触网避雷器防护效果分析

而安装避雷器是提高高速铁路接触网耐雷水平的重要防雷措施，对避雷器安装方案进行设计，分析对比不同的避雷器安装方案对接触网耐雷水平的影响以获得最佳安装方案，提高接触网的耐雷水平是此次方案设计的主要目的。设计的避雷器安装方案有以下四种：（1）不安装避雷器；（2）每隔1km安装一组避雷器；（3）每隔2km安装一组避雷器；（4）每隔3km安装一组避雷器。然后将20kA的雷电流注入到牵引网中。可以发现，雷击点位置距离不断增加，避雷器的作用也就越来越小，在雷击点距离200m的范围内，这四种绝缘子端的电压变化幅度基本相同，因此，可得得到结论：避雷器对接触网的防雷效果范围为200m。因此，为了

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确保避雷器的防雷效果，必须采用密集安装避雷器的方式，而这种安装方式会导致接触网故障率增加。 四、结论

综上所述，对高速铁路接触网的雷击特性与避雷器防护效果进行分析后得出以下结论：（1）F线的分布电容较小，耐雷水平较低，其雷击闪络率较高；（2）高速铁路接触网雷电直击的闪络率远远高于雷电感应的闪络率。另外，因为高架桥的高度增加，引雷范围会增加，所以，雷电感应产生的闪络率与高架桥高度成正比。（3）利用避雷器对高速铁路接触网的雷电直击进行防护效果有较大局限性，在雷击点200m范围内密集设置避雷器，才能有较好的防护效果，但是易引发接触网故障。 参考文献：

[1]魏俦元. 高速铁路接触网雷击特性及避雷器防护效果的研究[J]. 电瓷避雷器，2014（3）. [2]沈海滨，陈维江，边凯，等. 高速铁路接触网悬式复合绝缘子防雷应用特性实验研究[J]. 高电压技术，2015，41（5）：1574-1581.

[3]沈海滨，陈维江，颜湘莲，等. 高速铁路接触网雷电防护用并联间隙装置的研制[J]. 电网技术，2014，38（1）：232-240.