电气化铁路接触网过电压保护措施

电气化铁路接触网过电压保护措施

发表时间：2018-06-19T15:36:28.583Z 来源：《电力设备》2018年第4期作者：张博杨俊生

[导读] 摘要：目前我国电气化铁路地理区域跨度大，而且无备用系统，因此雷击一旦形成永久性故障将造成供电区段的停运。

（襄阳国网合成绝缘子有限责任公司湖北襄阳 441000）

摘要：目前我国电气化铁路地理区域跨度大，而且无备用系统，因此雷击一旦形成永久性故障将造成供电区段的停运。根据要求只有强雷区接触网才架设独立的避雷线，但我国电气化铁路接触网一般处于多雷区，接触网未设避雷线，易遭受雷击引起损坏。为保证我国电气化铁路接触网运行的高可靠性，文章结合理论联系实际，提出关于电气化铁路接触网防雷措施的建议。

关键词：电气化铁路、接触网、过电压

引言

接触网是牵引供电系统的重要组成部分，绝大部分裸露于自然环境中，需要采用必要的大气过电压保护措施。如果缺少防护措施或措施不当，可能引起绝缘子损坏、造成线路跳闸；同时雷击产生的侵入波可能引起站内电气设备损坏造成更大的事故，需重视接触网的防雷设计。

一、接触网过电压类型的划分

根据雷击点位置和雷击过电压产生原理，可将接触网雷击过电压的产生途径分为3种[1、2]，如图1所示。

1）感应过电压：当雷电击中接触网线路附近的地面时（图1中A点），雷电流通过电磁耦合在接触网上产生感应过电压，这种雷击类型简称为感应雷。

2）雷击接地部分产生的过电压：当雷电直接击中接触网的接地部分时，如支柱顶部（图1中B点）、回流线、AT供电方式下的保护线等，雷电流通过导线电感及接地电阻产生的过电压。其与电力系统反击过电压的产生原理相同，因此也定义为反击过电压，这种雷击类型简称为反击雷。

3）雷击高压部分产生的过电压：当雷电直接击中接触网的高压带电部分时，如接触线或承力索（图1中C点），AT供电方式下的正馈线和加强线，雷电流通过高压导线的波阻抗产生的过电压。其与电力系统的绕击过电压的产生原理相同[3]，因此也定义为绕击过电压，这种雷击类型简称为绕击雷。

图1 接触网雷击类型

二、电气化铁路接触网防雷措施建议

（一）接触网安装形式

现有电气化铁路一般采用AT供电方式，AF线和PW线安装位置如图2所示，此时PW线安装位置在AF线下方。采用电气几何模型和先导发展模型计算该安装形式下接触网线路直接落雷的闪络概率，计算条件如下：由于自然雷中90%为负极性，直击雷过电压为负极性，计算中采用绝缘子-U50%为闪络判据；按雷暴日为20d和40d两种情况计算（U50为绝缘子50%雷电冲击放电电压）。雷击闪络次数与线路的暴露宽度D（I）及地闪密度相关。线路总的暴露宽度与线路长度相乘即可获得线路的引雷面积（线路双侧乘以2），再乘以地闪密度即可求出线路的年雷击闪络次数，当线路长度取为100km时即可获得线路的百公里年闪络次数［单位为次/（100km•年）］，按式（1）计算。

P闪络= 0．2Ng［P（I+ΔI）-P（I）］D（I）（1）

式中 P（I）———雷电流幅值概率分布函数；

D（I）———导线暴露宽度函数；

Imin———线路的耐雷水平；

Imax———在分析不受屏蔽导线时取为300 kA；

Ng———地闪密度［指在统计区域内一年平均每平方公里发生的云地放电次数，次/（km2×年）］。

图2 AT供电方式下PW在下安装示意图（单位：mm）

选取桥梁高度为10m和15m两种情况，分别计算AF线和T线的闪络次数，其计算结果如表1所示。

表1 直击雷闪络概率（PW在下安装）

将现有PW线安装位置提高兼作避雷线。设PW线高于AF线1．5m，保护角α=10°，如图3所示。选取桥梁高度为10m和15m两种情况，分

别计算AF线和T线的闪络次数，AF线和T线直接落雷闪络计算结果如表2所示。表2 直击雷闪络概率（PW在上安装）

对比表1和表2结果，将PW线抬高于AF线上方的保护配置，可将AF线和T线直接落雷的次数大大降低。PW线位置提高后可对AF线和T 线产生屏蔽，AF线和T线直接落雷（绕击）的次数将大大降低，但是PW线落雷的雷电流幅值较高时会造成AF线和T线绝缘子反击闪络。另外AF线和T线绝缘子仍存在雷电感应闪络的可能。

图3 AT供电方式下PW在上安装示意图（二）避雷线防雷效果分析 1、未装设避雷线时接触网的防雷区域见图4所示。从图4可以看出，当雷击点位于BCD之间时，雷电将击中承力索等设备，此时接触网的雷击类型为绕击雷，接触网的耐雷水平为3 kA左右；当雷击于AB或DE区间时，雷电将击中回流线，此时接触网的雷击类型为反击雷，接触网的耐雷水平与接地电阻有关。

图4 未装设避雷线时接触网不同雷击类型的作用区域 2、装设避雷线后接触网雷击区域见图5所示。从图5可以看出，由于避雷线位置较高，图5中绕击区域被压缩，当避雷线位置足够高时，从图5左半部分可以看出，上下行线路的避雷线引雷区间相互重叠，此时接触网的高压带电部分被避雷线有效保护，因此雷电绕击的概率接近为零。接触网的最低耐雷水平由雷击避雷线所决定，当避雷线直接通过支柱接地时，接触网的耐雷水平等于反击耐雷水平，通过降低接触网的接地电阻，可有效提高接触网的耐雷水平，降低雷击跳闸率。

图5 装设避雷线后接触网雷击区域通过避雷线防雷效果分析可知，避雷线的主要作用是通过改变雷击类型，从而提高供电线路的耐雷水平[4]。参考IEEE导则IEEE std 1234-1997中电气几何模型以及A.J.Phillips在IEEE基础上的改进电气几何模型中的击距公式： rc=1.34（h+x）0.6I 0.65 （2） rg=rc （3）式中：rc和rg分别为雷电对承力索和大地的击距； I为雷电流幅值。由公式（2）可知，雷电流幅值越大，击距越大，由此人们得出了计算防雷保护范围的滚球法。在接触网避雷线设计时，推荐采用滚球法对避雷线保护范围进行确定，在复线区段，为使上下行线路的避雷线引雷区域相互重叠，可适当提升避雷线高度，以避免接触网高压带电部分受到雷电绕击的影响，从而有效保护接触网设备。（三）避雷器防雷设置的分析对于一般高雷区通常采用局部关键点设置避雷装置进行接触网防雷。在有雷击发生时，只要避雷器的冲击放电电压小于接触网绝缘子的冲击放电电压就会动作以避免变电所馈线断路器跳闸。同时，由于避雷器动作后吸收了雷电能量，绝缘子、支柱的等值阻抗上受到的冲击电压仅为避雷器的残压，提高了接触网的耐雷电冲击水平；同时，接触网用避雷器应短小轻便，其保护接触网的绝缘水平，且正、负极性的分散性要小；其保护距离应尽可能大；其内外绝缘性能要求较高。综上所述，接触网上安装避雷器的保护距离和发挥的作用有限，只能作为牵引供电系统防雷技术措施的一种补充。防雷与线路所在地形、气象条件密切相关，不同的地域差异较大，因此应在防雷设计时充分考虑这些因素。结论

鉴于过电压保护问题从原理上无论采用何种措施，只能减少雷电引起的故障概率或跳闸概率，不可能完全避免雷电灾害。随着高铁的迅速发展，为保证电气化铁路运行的高可靠性、牵引供电系统运行设备安全，建议选择将保护线PW线抬高兼作避雷线方式，接触网上安装避雷器对于接触网防止直击雷及耐雷水平的提高具有良好的效果。参考文献：