（电力系统及其自动化专业论文）牵引网雷击跳闸研究.pdf

a b s t r a c t c a t e n a r yi s o n eo fk e ye q u i p m e n t si n c l u d i n gi ne l e c t r i f i e dr a i l w a y a c t u a l l y , t r i p o u t so nc a t e n a r yi n d u c e db yl i g h t n i n ga r ev e r yc o m m o n t h e r ea r et w ow a y so f l i g h t n i n go nc a t c n a r y ：d i r e c tl i g h t n i n gs t r i k e sa n d s t r i k e sc o n t a c tt h eg r o u n dn e a r b y t h eo u t a g er a t ei sa ni m p o r t a n tt e c h n i c a li n d e xo fe v a l u a t i n gl i n e s l i g h t n i n g p r o t e c t i o np e r f o r m a n c e s of a r , t h ei n d u c e dl i g h t n i n gr a r e l yb e e nt a k e ni n t oa c c o u n t u s u a l l y , t h ei n d u c e do v e r v o l t a g eo nc a t e n a r yc a ne x c e e d3 0 0 k v , i ti ss u f f i c i e n tt oc a u s e t h ef l a s h o v e ra n dt r i p o u t t h e r e f o r e ，w h e nw ee s t i m a t et h eo u t a g er a t e ，t h ei n d u c e d l i g h t n i n gf a c t o rs h o u l db er e c k o n e di n i nt h i st h e s i s ，w eh a v ed e d u c e dt h el i g h t n i n gw i t h s t a n dl e v e la n dr e l a t i o nb e t w e e n p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o nt ot h ed i s t a n c eo fs t r o k ep o i n tf r o ml i n e s b a s i n go n g e n e r a l i z e di n t e g r a lm e t h o d ，c o m p l e t e l yr e c k o n i n gi nt h et r i p o u tb yi n d u c e dl i g h t n i n g , t h et o t a ll i g h t n i n go u t a g er a t ew eh a v eo b t a i n e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n d u c e d l i g h t n i n go u t a g er a t ea c c o u n tf o rt h et o t a ll i g h t n i n go u t a g er a t ea s3 1 3p e r c e n t t h et o t a l l i g h t n i n go u t a g er a t ew h i c hh a sb e e no b t a i n e di sc l o s e rt ot h er e a lr e s u l t k e y w o r d s ：l i g h t h i n go u t a g er a t e ；i n d u c e dl i g h t n i n g ；l i g h t n i n gw i t h s t a n dl e v e l ； g e n e r a l i z e di n t e g r a lm e t h o d ；c a t e n a r y c l a s s n 0 ： 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：剪j 谵 签字日期：扮尸 年6 月占日 4 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 匈i j 谙 签字日期：m f 年6 月26 同 导师签名纠吧互 签字同期：矽厂年6 月 石日 致谢 本论文是在我的导师刘明光教授的指导下完成的。从论文的选题、研究方案 的设计、算法的实现及论文的审阅等方面都凝聚着导师的心血，刘老师知识渊博、 思路清晰、态度严谨，他的一丝不苟的治学态度和科学的工作方法给了我极大的 帮助和影响。每当我遇到困难的时候都能及时给予指导，帮助我少走了很多弯路。 在此衷心感谢两年来刘老师对我的关心和指导。 在学习工作及撰写论文期间，还得到了实验室全体师兄姐以及同学的鼓励和 支持，在此向他们表达我的感激之情。 另外在读研期间得到了家人的充分理解和支持，使我能够在学校专心完成我 的学业，在此表示深情谢意。 1 绪论 我国是电气化铁道大国，2 0 0 8 年电气化铁路总里程已排至世界第二。牵引网 绝大部分以架空线为主，由于线路里程长、跨越范围大、跨度广、地形比较复杂， 而且经过一些雷电高发区，雷电活动往往造成较大损失。牵引网无避雷线，不能 有效地防止直击雷，架空地线( 或回流线) 虽然有一定防雷作用，但仅能起到电力部 门采取的架设耦合地线的作用，因其架设高度没有达到有效防止直击雷的高度， 从而线路遭受雷电侵害的几率较大，且耐雷性能偏弱。雷击往往导致接触网设备 和沿途信号设备毁坏，接触网上产生的雷电过电压还可能引起电力机车的车顶绝 缘放电，侵入牵引变电所会导致所内避雷器动作，甚至电气设备损坏。雷电是造 成牵引网的绝缘故障、跳闸停电等事故的主要原因之一。因此，必须加强对牵引 网的雷电防护，目的就是要减少雷害事故的次数和造成的损失。 随着近年来我国高速铁路的迅猛发展，对牵引网的防雷提出了新的要求：在 低速铁路条件下，防雷的重点是防止雷电过电压对电气设备的损坏；在高速铁路 条件下，牵引网防雷还要求降低因雷击造成的跳闸停电次数和停电时间，确保高 速机车( 动车组) 的顺利运行。因而，研究牵引网上雷电过电压的特点，对寻找 经济合理的防雷措施具有重要的工程意义。 1 1 牵引网雷击跳闸研究现状 从富兰克林发明避雷针开始，人类对雷电防护的科学探索已经有数百年历史 了，形成了一些较为行之有效的设计方法与技术措施。至今为止，国内外有关牵 引网雷击跳闸的研究工作鲜有报道，已有的也主要集中在直接雷击方面( 例如规 程法) ，感应雷击对牵引网的危害很少得到细致研究。从目前公布的资料来看，国 外对于电力配电线路的雷击跳闸广泛采用了基于e m t p 或蒙特卡洛等计算机程序 模拟仿真的方法，这对于牵引网雷击跳闸研究具有一定的借鉴意义。但是这些方 法往往缺乏系统的理论论证，它们的共同特点就是尽量多地考虑雷击跳闸的影响 因素从而尽量向实际结果接近。下面简要介绍一下这些方法。 1 1 1规程法 我国电力系统线路雷击跳闸率普遍采用d l t6 2 卜1 9 9 7 “交流电气装置的 过电压保护和绝缘配合 中附录c “雷电过电压计算的一些参数和方法 进行计 算。该方法比较系统地介绍了雷击架空线路时的耐雷水平和雷击跳闸率，并结合 几种典型的1 1 0 k v 一5 0 0 k v 线路结构进行了计算。 该标准是根据原水利电力部1 9 7 9 年1 月颁发的s d j 7 - - 7 9 ( ( 电力设备过电压保 护设计技术规程和1 9 8 4 年3 月颁发的s d1 l 卜8 4 5 0 0 l ( v 电网过电压保护绝 缘配合与电气设备接地暂行技术标准，经合并、修订之后提出的。自投入实际工 程应用以来，能较真实地贴近电力输电线路的实际运行值。尤其对于较高电压等 级的线路，误差可以控制在相当的范围之内。这对我国高压输电线路的设计和施 工具有很好的指导作用。 1 1 2e m t p 法 由美国帮纳维尔电力局( b p a ) 编制的电磁暂态过程计算程序e m t p 2 【3 】 ( e l e c t r o - - - m a g n e t i ct r a n s i e n tp r o g r a m ) 是当今世界上应用最广泛的研究电力系统 暂态过程的程序。电磁暂态过程计算程序e m t p 是基于贝杰龙法的，贝杰龙法就 是把求解分布参数线路波过程的特性线法，和求解集中参数电路暂态过程的梯行 法两者结合起来，形成的一种数值计算方法。因此它首先需要把分布参数线路和 集中参数储能元件( l 、c ) 等值成为集中参数的电阻性网络，然后应用求解电阻 网络的通用方法，计算实际电路的波过程。 e m t p 是计算电磁暂态过程的通用程序，同时也设有稳定状态下的解，因此可 以解决电力系统中许多稳态和暂态过程的计算，诸如潮流计算、故障计算、稳定 计算、过电压计算、系统的故障分析、交直流联合电力系统中暂态现象的研究、 乃至某些高压试验的校验计算和铁磁谐振研究等；此外，e m t p 同样可以用于电力 系统以外的一般电路、电子回路以及能用电路表示的非电系统，如机械系统等问 题的研究分析。 雷电是一个电场和磁场动态变化的物理过程，运用基于e m t p 的计算机程序 方法【2 】【3 】可以较真实地反映该物理过程，能够模拟雷电波过程，真实反映雷电波在 线路和杆塔的传播过程。并可模拟可能出现的情况下的最高过电压和涌流重燃数 据，得出实测中很难出现的情况下的过电压和涌流数据，从而达到计算雷击线路 跳闸的目的。 1 1 3 蒙特卡洛法 蒙特卡洛法作为一种通用的统计模拟方法，首先出现于第二次世界大战期间 代号叫“m o n t ec a r l o ”的核武器研制计划，5 0 年代以后在各个学科技术领域中得 2 到了广泛的应用，1 9 6 1 年j g a n d e r s o n 首先用m o n t ec a r l o 法解决线路雷击问 题，后来得到进一步改进并推荐在设计中应用。m o n t ec a r l o 法又称统计模拟法或 统计试验法，就是利用数学的方法产生各种不同分布的随机变量抽样序列，来模 拟给定问题的概率统计模型，然后给出问题数值解的渐进统计估计值。用这种方 法来求取线路雷击跳闸率，可以看作是利用计算机完成的模拟输电线路耐雷性能 的数值实验。其原理是由计算机产生代表雷电流幅值、波前长度等统计量，计算 线路耐雷水平，验算和确定线路绝缘水平，校验防雷措施的性能。1 9 6 2 年，我国 利用概率论方法，提出了考虑雷电流幅值和陡度两个随机变量的线路雷击跳闸率 计算方法。用这种分析法计算危险参数曲线和跳闸率，同取某一固定陡度计算耐 雷水平和跳闸率相比，更能符合实际，在高杆塔线路和超高压线路更是如此。用 m o n t cc a r l o 法计算线路雷击跳闸率：有避雷线的高压及超高压输电线路雷击部位 有三：雷击塔顶、雷击避雷线档距中央及绕击导线。雷击塔顶和发生绕击时闪络 发生在杆塔绝缘子串上。雷击避雷线档距中央时，闪络可发生在档距中央避雷线 与导线间的空气间隙处。计算机一次一次地模拟线路上遭受雷击的情况，并判断 该次雷击是否会引起闪络。引起闪络，则闪络次数加l ，如此反复循环模拟n 次 雷击，便可得到观测计算结果的一个容量为n 的样本。可以统计出雷击线路引起 绝缘闪络的概率估计值，从而进一步算出雷击跳闸率的渐近估计值。 m o n t ec a r l o 法计算雷击跳闸率【4 j 【5 】【6 】的优点在于防雷计算中的很多参数的变 化是随机的，如能正确建模，计算确信度相对其它方法更高，用m o n t ec a r l o 法可 以产生随机数来模拟实际雷电流、雷击部位、工频电压、风偏等。缺点是雷击部 位的判据较难确定，雷击部位的闪络判据也不好找，目前对随机过程如何选取尚 无统一标准。 1 2 现有研究工作的不足 输电线路遭受雷击的情况可分为两类：感应雷击和直接雷击。感应雷击是指 线路附近地面落雷时，由于空间电磁感应在线路上产生的雷害；直接雷击包括雷 击线路和雷击杆塔( 支柱) 等情况。 d l t6 2 卜1 9 9 7 “交流电气装置的过电压保护和绝缘配合中重点考虑直接 雷击线路时造成的跳闸，由于像牵引网这种低电压等级线路的绝缘水平低，感应 雷击致使线路跳闸的几率将大大增加，从而使得按规程法计算得到的跳闸率误差 明显。 实际上，雷电是一个非常复杂的自然现象，它牵涉到物理、气象、地质等诸 多学科，国内外现有的雷电理论研究也远未达到成熟的地步。另外，输电线路在 遭受雷击时的参数也会发生暂态变化。由于诸多不确定因素的影响，运用e m t p 或蒙特卡洛等计算机程序模拟等方法并不能完全再现雷击过程，而且一旦某个因 素未加考虑或者考虑不够周全将导致结果产生较大变化，因此，国外学者运用这 些方法计算得到的结果差异较大，结果也不是非常令人信服。可见，如何在现有 理论基础上得到一个全面、系统的关于线路雷击跳闸率的计算方法显得尤为迫切。 1 3 本文的主要研究内容 本文从已有理论背景出发，结合牵引网的具体结构，建立牵引网的雷击模型， 运用相对成熟的折线法，定量化牵引网的击柱率和击线率，在综合考虑牵引网在 遭受不同雷击部位时的情况下计算牵引网的耐雷水平，在这些工作基础上，提出 计入感应雷击的牵引网雷击跳闸率新算法，最后将该算法与实际线路运行情况进 行比对校验。本文具体内容包括： l 、传统雷击跳闸率计算方法分析。 2 、雷电参数选择与统计处理。 3 、牵引网雷击模型建立。 4 、牵引网结构对耐雷水平的影响。 5 、折线法与滚球法对比。 6 、不同结构牵引网的击杆率与击线率分析。 7 、牵引网雷击跳闸率新算法。 8 、算例验证。 4 2 1 雷电参数 2 牵引网雷击模型 在进行牵引网受雷分析与防雷设计时，需要涉及到一些雷电参数的选择，如 雷电日、地面落雷密度、雷电极性、雷电流幅值等。由于雷云放电的随机性，这 些雷电参数具有明显的统计性质。雷电参数的确定是建立牵引网雷击模型和对雷 电过电压进行分析计算的重要前提。 2 1 1雷电放电过程 雷电是一种常见的大气放电现象，发生时通常伴随着巨大的响声和耀眼的光 芒，十分壮观。众所周知，雷电放电来源于天空中带有大量电荷的云层，这样的 云层称为雷云。雷云放电属于大气物理学、高压电气学，甚至涉及到化学、物理 学、气象学等多学科领域，加上雷云放电的随机性极大，至今人类不能够对其完 全重复，这种种原因导致人们对雷电的形成机理缺乏统一的认识。一般认为雷云 是在一定的大气和地面物理条件下，由强大的潮湿的热气流不断上升进入稀薄的 上层大气层冷凝的结果( 气体对流起电和冰晶温差起电) 。强烈的上升气流穿过云 层，水滴被撞分裂带电：小水沫带负电，被风吹得较高，形成大块的带负电的雷 云；大滴水珠带正电，凝聚成雨下降，或悬浮在云中，形成一些局部带正电的区 域( 水滴破裂起电) 。由于雷云的底部大多数是带负电，它在地面上将感应出大量 的正电荷，因此，在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间，或者雷云和 大地之间就形成了强大的电场，其电位差可达数兆伏甚至数十兆伏。随着雷云的 发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度( 大气中约 3 0 k v c m ，有水滴存在时约1 0 k v c m ) 时，就会发生云间或对大地的放电过程，形 成几十乃至几百千安的强大电流，产生大量的光和热( 放电通道温度高达1 5 0 0 0 至2 0 0 0 0 ) ，使空气急剧膨胀震动，发出巨大的轰鸣，即闪电伴随雷鸣，故常 称雷电。大多数雷电放电发生在雷云之间，对地面没有什么直接影响；雷云对大 地放电虽然只占少数，一旦发生就有可能给人类活动带来严重的危害。 大量的实测表明对地放电的雷云绝大多数带负电荷，根据放电雷云电荷的极 性定义此时雷电流的极性也为负。雷云中的负电荷逐渐积聚，同时在附近地面上 感应出正电荷，但雷云和大地之间局部电场强度超过大气游离临界场强时，就开 始有局部放电通道自雷云边缘向大地发展，常将这一放电阶段称为先导放电。由 5 于先导放电通道具有导电性，因此雷云中的负电荷沿通道分布，并继续向地面延 伸，地面上的感应正电荷也逐渐增多。先导通道发展临近地面时，由于局部空间 电场强度增强，常在地面突起处出现正电荷的先导放电向天空发展，即为迎面先 导；当先导通道到达地面并与迎面先导相遇以后，在通道底部因大气强烈游离而 产生高密度的等离子区，此区域自下而上迅速传播，形成一条高导电率的等离子 体通道，使先导通道以及雷云中的负电荷与大地的正电荷迅速中和，形成主放电 过程。主放电平均速度约为o 1 5 o 2 倍光速，放电存在时问约为5 0 雄1 0 0 坤。 主放电结束后，雷云中的残余电荷经刚放完电且还有余热的通道流入大地，形成 余光放电，但电流值已经较小。 2 1 2 雷电日与地面落雷密度 雷电日( 乃) ，也称为雷暴日，指一年中某地区发生雷电事件的天数，以听到 雷声为准，一天内无论雷击次数多少、无论是云间放电还是云地放电，只要有一 次，就计为一个雷电日。由于雷电发生的随机性，应根据二十年以上的雷电同记 录，用算术平均值来表示该地区的雷电同。 雷电造成地面供电设施及其建筑物的损坏，主要途径是从雷云向地面放电的 线形雷。为了考核某地区可能受到雷击的程度，采用地面落雷密度这个参数，它 指每一个雷电日中每平方公里地面上受到雷击的平均次数。我国实测表明，一般 情况下地面落雷密度y 与平均雷电日乃的大致关系为【7 】 y = o 0 2 3 t o 3( 2 一1 ) 根据近年来的实测数据统计，北京地区的地面落雷密度约为o 8 3 k i n 2 f l 。 2 1 3 雷电极性 根据世界上各个国家实测数据表明，7 0 , - - , 9 0 t 8 】【9 1 1 1 0 1 的对地雷击是负极性 的，加上负极性雷电波在供电线路上传播时的衰减和变形较正极性小，对供电设 备的绝缘危害更大，因此，防雷计算中一般考虑负极性雷电波的侵入。 2 1 4 雷电流波形 尽管自然界的雷电流波形没有一幅是相同的，但科技工作者们通过对大量观 测波形的统计分析，经简化得出了一些具有一定数学特征的雷电流波形，其中最 接近实际的即为双指数波形。 6 对于雷电流波形来说，波头时间和半幅值时间是两个重要参数。在线路防雷 计算中，我国电力行业规程建议雷电流的波形取2 6 p s 5 0 p s n l ，即：波头时间( f ，) 取2 6 p s ，半幅值时间取5 0 肛s ，波形如图2 1 所示。因此，雷电流波形可用下式 表示： 江1 0 3 7 3 i ( e - o 0 1 3 8 鳓一e - 2 s 5 4 4 6 6 )( 2 2 ) 式中：卜雷电流幅值，k a 。 雷电流波形 2 1 5 雷电流幅值 图2 1雷电流波形 f i g 2 1 w a v e f o r mo fl i g h m i n gc u r r e n t 雷电流幅值，一般简称为雷电流，其大小反映了雷击强度，是影响雷电过电 压计算的重要参数。通常雷电流是指雷击地面低接地电阻物体时流过该物体的电 流。 由于雷云中积累的电荷数量受到较多的随机因素影响，例如空气中的水分含 量、风向、气温等，这就造成每次雷击的雷电流幅值随机变化很大。根据大量实 测结果的统计表明，我国雷电流幅值服从一定的概率分布，它指雷电流幅值超过 某一数值的累积概率函数。d l t 6 2 0 - - 1 9 9 7 交流电气装置的过电压保护和绝缘配 合规定，对于平均年雷暴同在2 0 个以上的地区，用于工程防雷计算的雷电流幅 7 值超过，的累积概率【1 】按下式计算： 一上 p = 1 08 8( 2 3 ) 上式中的，为雷电流幅值( k a ) ，尸为超过雷电流幅值，的累积出现概率。 而对于雷电活动不频繁的少雷地区( 年平均雷暴日在2 0 以下) ，所测得的雷 电流幅值一般也较小，可以改用下式来计算雷电流幅值的累积概率： 一上 p = 1 04 4 ( 2 _ 4 ) 对应于式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 的累积概率曲线见图2 2 中曲线1 、2 。 0 ： ! ： ! 灞 ； ! i! t 棚 。 o ，l * 。 ! ! ； ； 。 。 ； ； j i 辨。、掳线2 ，j | | ：。、_ _ _ 。0 一 00 10 20 3d 40 5 0 61 3 70 80 91 雷电流累积概率p 图2 - 2雷电流幅值累积概率曲线 f i g 2 2 t h ed e n s i t yf u n c t i o no fl i g h t n i n gc u r r e n t 2 2 牵引网雷击模型 牵引网遭受雷击时，由于旷野中的供电线路高出地面，对发展到地面近空的 雷电先导有一定的吸引作用，线路的等值受雷面积必然大于线路长度与线路外侧 导线之间宽度的乘积。显然，线路越高，引雷作用就越大，线路的等值受雷面积 就越大。一般认为，在线路等值受雷面积内的落雷，将全部击中线路( 包括雷击 导线和雷击支柱) ，线路等值受雷面积之外的落雷将不会发生雷电直接击中线路， 只能够在线路上产生电磁感应电压。 电力行业对电力线路进行的试验研究和实际测试表明，线路等值受雷宽度为 线路最上层避雷线或导线对地平均高度的4 倍( 线路两侧各2 倍) ，因此，电力行 0 0 0 0 扣 佃 佃 5 芒掣謇骣锄粗 业规程推荐每1 0 0 k m 线路年遭受直击雷次数为： n ：乃y b + 4 h( 2 5 ) 。 。 1 0 式中：瓦平均年雷暴同数；厂地面落雷密度；h 线路最上层避雷线或导 一 线的对地平均高度( m ) ( j i l = h t 一厂，吩为最上层避雷线或导线悬挂点对地高度，f 为 j 避雷线或导线的弧垂) ；卜双避雷线之间的宽度，单避雷线b = 0 ，无避雷线b 为 线路上层的外侧导线之间宽度。 按照这样的划分，对于带回流线或架空地线的复线牵引网，可以建立如图2 3 所示的雷击模型。其中，h 为架空地线的对地平均高度，l 为架空地线与承力索的 水平距离，b 为复线中心线间距，在( 2 1 + b ) + 4 h 的范围内雷直击牵引网，线路外侧 2 h 距离以外的广大区域为感应雷击范围。 直接雷击区 感；2 hi b ：ii2 h 感 世脞 葺 欠式i 了 落 l 落 目 雷田 区区 图2 - 3牵引网的雷击模型( 带同流线或架空地线) f i g 2 - 3 m o d e lo fl i g h r u i n g - c o m m o nc a t e w a r y 对于不带回流线或架空地线的复线牵引网( 直接供电方式) ，可以建立如图2 4 所示的雷击模型。其中，h 为承力索的对地平均高度， b 为复线中心线间距。 直接雷击区 感；2 hb2 h 感 脞 一胜 式l 落 雷 区 口 欠 j 、，知 0 落 0 0 亏臣 0 田 0 口 区 0 0 0 o 0 小 图2 4牵引网的雷击模型( 不带回流线或架空地线) f i g 2 _ 4 m o d e lo fl i g h r u i n g t - rc a t e m a r y 9 2 3 本章小结 本章简要介绍了几个雷电参数，包括：雷电日、地面落雷密度、雷电极性、 雷电流波形以及雷电流幅值，这些参数是研究牵引网雷击的前提。在此基础上根 据国内普遍采用的规程法建立了牵引网的雷击模型，为创造新的雷击跳闸率算法 创造条件。 l o 3 牵引网结构对耐雷水平的影响 我国实际运行的牵引网结构种类有好几种，在此，按照牵引网设备类型分类 有直接供电方式、a t ( a u t o t r a n s f o r m e r , 自耦变压器) 供电方式、b t ( b o o s t e r - t r a n s f o r m e r ，吸流变压器) 供电方式等。对于不同的供电方式，设备种 类和线路结构都会有所区别，这就导致牵引网遭受雷击时的耐雷性能发生变化， 研究不同牵引网结构下的耐雷水平是计算牵引网雷击跳闸的前提。 3 1牵引网结构概述 牵引网的供电方式是由牵引网所完成的特殊输电功能的技术要求和经济性能 所决定的。它们有： 1 、直接供电方式 最简单的供电方式，又分两种形式：基本型( 不带回流线) 和改进型( 带回 流线) 。基本型的特点是结构最简单，仅由接触线和钢轨组成，投资最少，但由于 对通信线路的干扰大，在我国己逐渐被取代。改进型在钢轨上并联了架空回流线， 使得钢轨电位得以降低，对通信线路的干扰得到一定的抑制，同时还能降低牵引 网阻抗，减少能量损耗，因而得到了广泛应用。直接供电方式的结构如图3 1 和 3 - 2 所示。 接魉网 图3 1直接供电方式( 基本型) f i g 3 - lt r o l l e y - r a i lm o d e l ( b a s i c ) 浼线 图3 - 2直接供电方式( 改进型) f i g 3 - 2t r o l l e y - r a i lm o d e l ( i m p r o v e d ) t r n f t r 2 、b t ( b o o s t e r - t r a n s f o r m e r ) 供电方式 该方式将吸流变压器串联于接触网中，用以吸回地中电流，减少通信干扰。 但同时也提高了牵引网的造价，牵引网阻抗也会增加，而且由于b t 分段( 火花间 隙) 的存在，不利于高速、重载等大电流线路的运行。b t 供电方式也分为带回流 线和无回流线两种形式，我国采用的都为b t - 带回流线方式，如图3 3 所示。 图3 3b t 供电方式 f i g 3 3 b o o s t e r - t r a n s f o r m e rm o d e l 3 、a t ( a u t o t r a n s f o r m e r ) 供电方式 a t 供电方式的结构如图3 - 4 所示。该方式将自耦变压器并联于牵引网中，克 服了b t 方式将吸流变压器串联于网中产生b t 分段的缺陷，还使供电电压大大提 高，牵引网阻抗变小，能量损失降低，从而使得该供电方式非常适合高速、重载 等大电流运行的牵引网供电方式，这在我国大力发展高速城际铁路的背景下将得 到较大发挥。 如旗蹙援嚣c a t ) 软缴列 t r a f 图3 - 4a t 供电方式 f i g 3 - 4 a u t o - t r a n s f o r m e rm o d e l 以上供电方式中a t 供电方式和带回流线的直接供电方式是我国电气化铁路 最主要的两种供电方式。除此之外，牵引网的c c 供电方式是种新型的供电方式， 但由于其造价高昂，经济性不高，在我国未得到广泛应用，在此就不再进行阐述。 从牵引网防雷角度出发，我们最关心的是带有一定尺寸特征的线路或设备， 它们的结构和尺寸对牵引网遭受雷击将起决定作用。从上述牵引网结构可以看出， 对牵引网防雷起主要影响作用的将是接触网、回流线或架空地线和支柱，据此可 以将牵引网分为带回流线或架空地线的牵引网和无回流线或架空地线的牵引网。 1 2 3 2 带架空地线( 回流线) 牵引网的耐雷水平 对于雷击牵引网，无论是雷电直接击中导线( 包括承力索、接触线、回流线 或架空地线) ，还是雷击支柱项部，如果雷电流较小，在线路上产生的雷电过电压 就小，低于线路绝缘承受能力时，将不会引起线路绝缘放电，不影响正常运行； 反之，如果雷电流较大，雷电过电压超过线路绝缘承受能力，就会导致线路绝缘 发生冲击放电，一旦形成稳定的工频电弧短路接地，将导致供电线路跳闸。 耐雷水平是指雷击供电线路时线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值，或者 说是能够引起线路绝缘闪络的最小雷电流幅值( k a ) 。耐雷水平反映了供电线路能 够承受的雷电流大小和冲击绝缘强度。由此可见耐雷水平是考核和评价一条供电 线路耐受雷电的能力的一条重要技术指标。 牵引网没有避雷线，可能引起线路跳闸的雷击方式有以下两种：雷电直击线 路，包括雷击牵引网的承力索、回流线或架空地线、支柱项部；线路附近地面落 雷引起的感应雷过电压。由于牵引网的绝缘水平和耐雷水平低，线路上出现的感 应雷过电压可高达3 0 0 - - - 4 0 0 k v ，足以导致线路绝缘子闪络放电，因此，考核线路 的雷击状况时必须计入感应雷过电压的影响。 常见的带架空地线牵引网的结构见图3 5 所示。 盘式绝缘子 q 卜卜卜 一 欠一 o o o 蓓式绝缘子 o o | 一 o o o o o ， 。 ： 图3 5复线牵引网的单侧结构示意图( 带架空地线) f i g 3 - 5 s t r u c t u r eo fs i n g l e s i d ec a t e n a r y ( w i t ho v e r h e a dg r o u n d w i r e ) 3 2 1感应雷作用下的牵引网耐雷水平 雷云对地放电时，在接触网上产生的感应过电压与雷电流幅值成正比，与地 面落雷点同接触网的水平距离成反比。然而由于架空地线的存在，接触网上的感 应电压必然会受到架空地线的电磁耦合作用而受到削弱。 参照文献【8 】的方法，当地面落雷点距离接触网距离为s 时，接触网上的感应 过电压为： ，气， u 秒= 等( 7 l o k o h ) ( 3 一1 ) u 式中：h 。承力索对地平均高度；h 架空地线对地平均高度；k 接触网 与架空地线的几何耦合系数。 对于几何耦合系数可按两平行架空线及其镜像进行计算。架空地线对接触 网的几何耦合系数为： ：孳in 4 ( h + h o ) 2 + 1 2 ( 3 - 2 ) r 式中：l 架空地线与承力索的水平距离；r - 一架空地线半径( m ) 。 由于牵引网遭受的感应雷过电压同时施加在水平拉杆绝缘子和腕臂绝缘子 上，腕臂绝缘子的闪络电压通常较低，会首先发生闪络，其耐雷水平为： i 科= 竺咝兰 ( 3 3 ) 2 5 ( h o k o h ) 式中：u ，似为腕臂绝缘子的最低闪络电压。一方面由于雷电绝大部分为负极 性，地面落雷时在接触网上产生正极性感应电压，另一方面绝缘子串的线路端为 正、接地端为负时，正极性冲击放电电压比负极性的稍低，因此，考虑线路上的 感应雷过电压时，如果已知接触网绝缘子正极性的和负极性的冲击放电电压时， u ，0 应取正极性冲击放电电压。 在雷击瞬间，接触网上的5 0 h ，工作电压的极性和瞬时值具有随机性，且工作 电压相对较低，因此，一般可不予考虑。 3 2 2 直击雷作用下的牵引网耐雷水平 1 、雷击接触网 雷电直击接触网承力索或软横跨时，认为雷击点两侧的线路无限长，或反射 波尚未回到雷击点。此时接触网与架空地线之间同样会有耦合作用，此时它们之 1 4 间的耦合还须考虑电晕的影响。按照彼得逊法则，线路绝缘耐受过电压为： u ，：z z o - k ) ：1 0 0 ( 1 一足) ( 3 - 4 ) 。4 式中：z 线路波阻抗，在这取z = 4 0 0 q ；k - 一接触网与架空地线的电晕耦合系数， 电晕耦合系数为k = 毛，毛为电晕修正系数，对于接触网可取1 1 5 。 牵引网的耐雷水平为： r 厂 ，= 二虬 ( 3 5 ) 。 1 0 0 ( 1 一后) 2 、雷击非集中接地支柱( 架空地线) 雷击两集中接地支柱之问的非集中接地支柱，包括雷击架空地线时，由于雷 电流不能通过不接地支柱入地，雷电波只能向架空地线两边传播，并经由两边的 集中接地引下线入地。 两根接地引下线( 吸上线) 之间( 2 0 0 0 m 3 0 0 0 m ) 中部的非集中接地支柱或 架空地线( 回流线) 受到雷击时，雷击点至集中接地引下线距离大于1 0 0 0 m ，考虑 雷电行波传播时的电晕影响，传播速度取0 7 5 c = 2 2 5 m a s ( c 为光速) ，在雷电流 到达最大值这段时间内( 波头时间取f ，：2 6 膨) ，雷电流在入地处产生的负反射 波还没有返回雷击点，因此，在r ，时刻雷击点的电位也达到了最大值。假设相邻 两根集中接地引下线之间的架空地线等值电感为2 l ，雷电作用下其电抗远大于接 地引下线的阻抗，可忽略其阻抗，考虑雷电流波前f = 二f _ a t ，雷击点的电位为 t f ， d ( )1 u a 乩寺2 言厶( 3 - 6 ) 沿架空地线( 回流线) 传播的行波电压u 。通过架空地线与接触网之间的耦合 作用，在接触网上产生同极性耦合电压为 1 u j = k , u = k o l l a ( 3 7 ) z 同时，接触网上也会产生异极性的静电感应电压为 u j = a ( h o k o h ) ( 3 - 8 ) 综合考虑以上三种电压分量，认为各电压分量幅值近似同时出现，忽略接触 网上工作电压的影响，雷击非集中接地支柱及近旁架空地线时作用在接触网绝缘 子上的雷电过电压幅值为 u z = u 4 一u 二+ u ：= 二 詈( 1 一七) + ( 矗o - k o h ) ( 3 9 ) j 1ll 接触网耐雷水平为： ( 3 1 0 ) i i l 对于雷击相邻两集中接地线之间的其他非接地支柱及近旁架空地线时，耐雷 水平计算方法类似。 3 、雷击集中接地的支柱( 架空地线) 雷击有集中接地引下线的支柱，包括雷击支柱附近架空地线( 回流线) ，雷电 流一方面向架空地线两边传播，另一方面沿被击处的集中接地引下线( 吸上线) 入地，等值电路如图3 - 6 所示。认为向架空地线两边传播的雷电流全部经相邻的集 中接地引下线入地，沿被击处的集中接地引下线入地的电流为历( i 为雷电流， 为支柱的分流系数) 。由于接地引下线单位等值电感的存在，引下线不同位置的电 位不同。 图3 - 6雷击集中接地的支柱( 架空地线) 的等值电路 f i g 3 6e q u i v a l e n tc i r c u i to fl i g h t n i n go nc o n c e n t r a t e da n dg r o u n d e dp i l l a r ( o v e r h e a d g r o u n d w i r e ) 支柱顶部的过电压最大值为： ：足历+ l t h t d ( f l ，a t ) ：f l i ( r t + 警) ( 3 1 1 ) d ff ， 式中：支柱分流系数；r t 集中接地电阻；h ，接地引下线总长度； 厶引下线单位等值电感( u h m ) ；波头时间取f ，= 2 6 9 s 。 接触网上的耦合电压。支柱顶部雷电波沿架空地线传播，通过接触网间的偶 合作用，在接触网上产生同极性的耦合电压为： 【，：= k o u 口 ( 3 1 2 ) 式中k 为耦合系数。 接触网上的感应电压。由于架空地线的存在，接触网上产生的异极性静电感 应电压为： u ：= a ( h o - k o h ) ( 3 - 1 3 ) 综合考虑以上三种电压分量，认为各电压分量幅值近似同时出现，忽略接触 网上工作电压的影响，雷击集中接地支柱及近旁架空地线时作用在水平拉杆绝缘 1 6 子上的雷电过电压幅值为： 以。 ( 1 “臌r + 等) + 古( w ) 】( 3 - 1 4 ) 支柱上水平拉杆绝缘子的耐雷水平为： ( 3 1 5 ) 式中：以水平拉杆绝缘子的闪络电压。 支柱上腕臂绝缘子的雷电过电压幅值为： ：， ( 1 一k ) p r , + 丝( 巧一砘) + l ( h 0 一k o h ) z f2 f ( 3 1 6 ) 支柱上腕臂绝缘子的耐雷水平为： ，- ： 兰咝 一( 1 - k ) p r , + p l , ( h i 一纸) + l ( h 。一 ) f ， f ， ( 3 1 7 ) 式中：h ：为腕臂绝缘子与引下线连接处距引下线最底端的长度。 显然，当雷击有集中接地引下线连接点的支柱顶部，包括雷击附近架空地线 时，接触网的耐雷水平就是式( 3 1 5 ) 和式( 3 1 7 ) 中的计算值较小者。 3 3 无架空地线( 回流线) 牵引网的耐雷水平 无架空地线( 回流线) 牵引网一般采用支柱独立接地方式，常见的不带架空 地线牵引网的结构见图3 7 所示。 盘式绝缘子 _ o 系一 一 o o o i 连绝缘子 o o 一 ； o _ o o o o ， 7 图3 7复线牵引网的单侧结构示意图( 无架空地线) f i g 3 7 s t r u c t u r eo fs i n g l e s i d ec a t o a a r y ( w i t h o u to v e r h e a dg r o u n d w i r e ) 1 7 = ，k 3 3 1感应雷作用下的牵引网耐雷水平 由于牵引网无架空地线( 回流线) 的存在，接触网上的感应电压将不会受到 架空地线的电磁耦合作用而受到削弱。 当地面落雷点距离接触网距离为s 时，接触网上的感应过电压为【8 】： 一2 5 砜u ：= ：= q s ( 3 1 8 ) 式中：一承力索对地平均高度。 由于牵引网遭受的感应雷过电压同时施加在水平拉杆绝缘子和腕臂绝缘子 上，闪络电压较低的会首先发生闪络，其耐雷水平为： ，：u s o s 一2 5 h o ( 3 1 9 ) 式中：乩慨为水平拉杆绝缘子和腕臂绝缘子的闪络电压较低的那个值，同样 应取讵极性冲击放电电压。接触网e 的工作电压相对较低，同样可不予考虑。 3 3 2 直击雷作用下的牵引网耐雷水平 1 、雷击接触网 雷电直击接触网承力索或软横跨时，按照彼得逊法则，线路绝缘耐受过电压 为： u ，：一i z ：1 0 0 i。 4 ( 3 2 0 ) 式中：z 线路波阻抗，在这取z = 4 0 0 1 2 。 牵引网的耐雷水平为： ，：监 。 1 0 0 ( 3 2 1 ) 2 、雷击支柱 雷电直击无架空地线( 回流线) 的独立接地支柱时，雷电流全部沿支柱接地 引下线入地，由于接地引下线单位等值电感的存在，引下线不同位置的电位不同。 支柱顶部( 水平拉杆绝缘子接地端) 的过电压最大值为： u 叫+ l t h t 警= i ( r t + 争 2 2 ) 式中：r 集中接地电阻；h t 一接地引下线总长度；l t 引下线单位等值 电感( h m ) ；波头时间取r ：- - 2 6 t s 。 接触网上的感应电压为： u ：口h o ：鱼 ( 3 2 3 ) 气f 支柱上腕臂绝缘子的雷电过电压幅值为： 吁肌轴警叫r + 等) ( 3 2 4 ) 考虑以上两种电压分量，认为各电压分量幅值近似同时出现，忽略接触网上 工作电压的影响，雷击独立接地支柱时作用在水平拉杆绝缘子上的雷电过电压幅 值为： 以2 u 州叫( 即h f i l ，t + 争( 3 - 2 5 ) 支柱上水平拉杆绝缘子的耐雷水平为： t 2 砸u 5 0 ( 3 - 2 6 ) t f气f 式中：u 赢水平拉杆绝缘子的闪络电压。 支柱上腕臂绝缘子的雷电过电压幅值为： u ：u 2 + u ：，( r + h l l , + 堕) ( 3 2 7 ) 1lf 支柱上腕臂绝缘子的耐雷水平为： ，：绛呸 ( 3 2 8 ) 2 r+鱼+堕t 1 f t f 式中：弘慨为腕臂绝缘子的闪络电压。h ：为腕臂绝缘子与引下线连接处距引下线 最底端的长度。 显然，接触网的耐雷水平应为式( 3 - 2 6 ) 和式( 3 - 2 8 ) 中的计算值较小者。 3 4 本章小结 本章从目前国内牵引网典型结构出发，从牵引网防雷角度将牵引网分为带架 空地线( 回流线) 和不带架空地线两类。详细推导了两类牵引网遭受不同雷击方 式和雷击不同部位时的牵引网耐雷水平。 从上述分析可以得出如下结果：在同等绝缘条件下带架空地线( 回流线) 的 牵引网由于架空地线的电磁耦合作用使得绝缘子两端实际耐受过电压得到了削 弱，带架空地线的牵引网耐雷水平从而得到了提升：另外，耦合系数越小，牵引 网的耐雷水平越低。对于带架空地线( 回流线) 的牵引网，为了提高牵引网的耐 雷水平，可以采用以下措施进行改进：减小架空地线( 回流线) 与接触网之间的 1 9 距离，以增加架空地线( 回流线) 与接触网之间的耦合系数；减小架空地线( 回 流线) 的等值电感，例如采用分裂形式的架空地线( 回流线) ，同时亦可增加架空 地线( 回流线) 与接触网之间的耦合系数；采用导电性能好、电感小的集中接地 引下线( 吸上线) ，以增大分流系数；减小集中接地引下线( 吸上线) 的冲击接地 电阻：尽可能降低承力索的平均高度；提高绝缘子的冲击放电电压。 4 击柱率与击线率研究 雷电过电压，特别是