高速电气化铁路接触网防雷研究.docx

? ? 高速电气化铁路接触网防雷研究 ? ? 李康，刘家军，卓元志，张辉，刘栋 （1.西安铁路局安康供电段，陕西安康725000；2.西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048） 随着我国高速电气化铁路的快速发展，对担负高铁动车组供电任务的接触网防雷研究愈发有意义。由于高铁接触网所经地区地理、地势、气象、气候条件差别较大，尤其是途经空旷原野、高架桥时，高大建筑物很少，高架桥基本属于相对的高大建筑，极易遭受雷击，特别是那些雷电活动频繁、地形比较复杂的路段，高铁接触网遭受雷害程度比较严重。在武广线、贵昆线等均发生过雷击接触网并造成严重设备损坏事故[1]。因此，有必要进行开展高速电气化铁路的接触网防雷研究。 由于高铁接触网无备用，任何原因造成线路跳闸，都将直接影响电气化铁道运营[1]。文献[2]只分析了应用直接接地方案解决接触网支柱遭受雷击的问题；文献[3]则着重分析避雷器在接触网防雷中的应用，而其只能作为牵引供电系统防雷技术措施的一种补充，不可高密集地大量安装。借鉴国内外高铁防雷的措施及经验，本文提出高铁接触网全线架设架空避雷线的新方案，并通过分析接触网雷击过电压、耐雷水平分析计算及仿真说明该方案的有效性。 1 国内外高速铁路防雷概况 1.1 国内高速铁路防雷现状 对于我国电气化铁道接触网防雷设计，根据雷电日及运营经验，按相关原则对接触网进行大气过电压保护[4]，强雷区应架设独立的避雷线，其接地电阻应符合表1规定。 1.2 国外高速铁路防雷现状 德国铁路依据实际情况，在德国电气化铁道中，比较多采用避雷器限制雷电过电压。日本铁路的接触网防雷方面，除了在变电所进出口、变压器进线处、接触网用隔离开关两侧、架空线与电缆连接处、架空线终端等位置安装避雷器外，在重雷区相应区段还采取了架设避雷线的措施[5]。 表1 接触网设备及其临近设备接地装置的接地电阻值Tab.1 Grounding resistance of the contact system and the near grounding equipment Ω 目前，我国在接触网防雷中，仅在高雷区及强雷区的重点位置设置避雷器，架设避雷线等防雷措施在电气化铁道中尚未应用[6]，回流线能起到一定的防雷作用，但预防直击雷效果不佳。 2 防雷新方案 根据我国高铁实际情况并借鉴电力系统和日本国铁防雷成功经验,考虑我国高速电气化铁路的重要程度,为满足高铁运行的高可靠性、减少牵引供电系统维护。本文提出在高速铁路接触网上方全线架设架空避雷线的方案，安装示意如图1所示。 图1 接触网架设架空避雷线示意图Fig.1 Schematic diagram of contact system overhead lightning protection line 安装架空避雷线在支柱顶部，与水平腕臂1.7 m，保护角为20°~30°，并与接地引线连接，与支柱钢筋连在一起，并通过支柱接地线接地，接地电阻R 接触网所处地区的年平均雷电日Td对其遭受雷击的频度有直接关系，见表2。每平方公里大地1 a的雷击次数随年平均雷电日增大变大[7]。当接触网侧面限界取3 m，承力索距轨面平均高度取7 m时，国际大电网会议33委员会推荐计算[8]： 表2 不同地区接触网遭受雷击次数计算值Tab.2 The calculated number of lightning of contact system in different areas （次·（100 km·a）-1） 3 无避雷线时，雷击过电压分析 一般判断防雷性能的优越，工程上主要用耐雷水平这个指标来衡量。雷击接触网不同位置将有相应的过电压产生，如在接触网附近的地面遭到雷击时，将在接触网上产生感应过电压；支柱遭到雷击时，将在其上产生冲击电压，并在网上产生感应过电压；接触导线遭到雷直击时，在导线上将产生行波过电压。 3.1 感应过电压及接触网耐雷水平 根据理论分析和实测结果，有关规程建议，当雷击点距接触网的距离S大于65 m时，在接触网上产生的过电压与雷电流幅值成正比，与雷击点到接触网的距离成反比，接触网上的感应过电压U1（kV）可由下式计算[9]，可取 S＝2hd。 式中，hd为接触网导线平均高度。 衡量绝缘子耐雷水平的一项重要参数是50%闪络电压,即认为施加在绝缘子上的电压在大于该值时绝缘子发生闪络。棒式绝缘子与盘式绝缘子的50%闪络电压U50%较低,会首先发生闪络,以该值为临界值，则接触网的耐雷水平ign为 3.2 支柱遭受雷击时引起的过电压与耐雷水平 当支柱遭到雷击时，产生的雷电流将沿着支柱流入大地，设其冲击电压为U2，可由下式计算 可得 式中，陡度a＝i/2.6；R为支柱的冲击接地电阻；i为雷电流幅值；L为支柱的等值电感。 按规程建议的防雷设计中雷电流波