接触网防雷保护研究

1、3：电气化铁道牵引网的防雷保护 1 1: 研究背景与动机近年来我国高速、重载电气化铁路取得了迅猛发展，成渝、郑西等客运专线相继完工， 至 2012 年我国将建成客运专线42 条， 总里程达到 1 3 万公里，届时全国高速铁路将形成“四纵四横”的格局。 牵引网作为电气化铁道牵引供电系统中的重要组成部分，其工作状况直接关系到电气化铁路的安全与稳定。 我国电气化铁道分布广阔， 途径地区的气象条件差异较大， 而且牵引网又是裸露于自然环境中没有备份，易受到自然环境特别是雷电的影响，所以需要采用必要的大气过电压防护措施。 如果缺少防护措施或措施不当则可能引起绝缘子闪络、造成线路的烧损、跳闸、直接影响电气化

2、铁路的运营； 同时雷击产生的过电压将通过牵引网侵入到牵引变电所， 从而引起所内电气设备的损坏， 造成更大事故的发生， 所以关于牵引网防雷保护的研究是我们亟待要解决的课题之一。目前关于牵引网的防雷措施主要有： 安装避雷器、 配备自动重合闸、架设避雷线、线路分段、重点防护等措施，其中以安装避雷器最为常用； 但是对于避雷器的设置数量与各项防护措施的防护效果并没有进行深入的研究分析，并且对于AT供电方式下悬挂导线的雷击分析也较为缺乏。 因此针对些问题， 通过模拟雷击牵引网的方式来对避雷器的防护效果与AT供电方式下悬挂导线的耐 雷水平展开分析。 1 2研究现状与实现途径1 2 1 研究现状由于牵引网是牵

3、引供电系统中的一部分， 而针对这一部分开展研究往往受多方面因素的影响， 加之得当的防雷措施又与当地的地理面貌、 气象环境有关， 所以关于牵引网的防雷研究工作是一项复杂工程。 目前国内外工程人员与研究学者根据本国情况衡量各种因素，建立了适用于本国国情的牵引网防雷规范和研究方法。根据我国 铁路电力牵引供电设计规范 TBl0009 98 中的规定，针对牵引网的大气过电压保护原则有： “ (1) 吸流变压器的原边应设避雷装置。 (2) 重雷区及超重雷区，下列重点位置应设避雷装置：分相和站场端部的绝缘锚段关节：长度 2000m及以上隧道的两端；供电线或AF线连接到接触网上的接线处”o但这一规范只是针对牵

4、引网设计人员做出的基本要求， 而面对具体工程实践上我国研究学者又提出了各自的见解， 提出了以平均雷暴日 60 天为界限，低于界限的地区可以维持现有防雷措施，而高于界限的地区主要通过建设避雷线、 降低接地电阻、 加大空气间隙，以及增设避雷器的措施。文献 4 】介绍了城市轨道交通中架空接触线主要以防护感应过电压为主， 提出了全线架设避雷线与设置线载避雷器防护原则。 文献 5 】 则针对津滨城轨在接触网防雷保护的设计中提出了改善绝缘配合的建议与通过设置地轨电位均衡器来限制过电压的方式。主要采用避雷器作为限制雷电过电压目前在欧洲电气化铁道中，装胃； 但同时也认为避雷器的保护能力有限， 一般设置于有频繁

5、雷电的区域； 而日本的电气化铁道则是根据雷击频率度及线路重要程度，将国土的防雷等级划分为A、B、 C 区域并规定相应的防雷措施： A 级区的雷害严重且线路重要，需全线架设避雷线并在牵引变电所出口、接触网隔离开关、电缆接头等处设黄避雷器；B 级区雷害比较严重且线路重要，只是在部分区段架设避雷线，避雷器的设置点与 A级相同；C级区一般在牵引变电所出口、接触网隔离开关、电缆接头或连接处设置避雷器。文献 7 提出了一种基于有限差分的分析方法并以瑞士电气化铁路作为研究对象，分析了有损大地对雷击牵引网的影响。文献【8】则是通过电磁暂态程序对地铁牵引供电系统中避雷器安置点的选择与抑制接触线上的雷击过电压效果

6、进行了仿真分析。文献 9 利用电磁暂态程序仿真了香港电气化铁路直流牵引供电系统遭受雷击的暂态过程， 表明了雷击架空接触线时， 沿线铺设的供电电缆的耐雷水平相对薄弱。1 2 2研究实现途径在对国内外现状分析的基础上， 本文主要从雷击牵引网的暂态分析与牵引网悬挂导线的雷电屏蔽性能， 两个角度出发开展有关牵引网防雷保护的研究。 首先， 通过电磁暂态程序来模拟雷击牵引网的暂态过程， 由于牵引网与高压输电线路都是供电线路， 具有一定的相似性， 因此本文借鉴利用电磁暂态程序对高压输电线路通过结合我国电气化铁道牵引网的自进行雷击仿真的分析方式，身特点来对雷击牵引网的暂态过程进行仿真分析； 其次， 通过电气几

7、何模型法来对牵引网悬挂导线的雷电屏蔽性能进行初步探索，讨论各悬挂导线间的屏蔽效果。1.3 雷电与雷击过电压分析1.3.1 雷的形成与发展雷 (Lightning) 是带电云层的放电现象，而关于雷云的形成至今还没有令人满意的解释，一般较为普遍的说法【旧】是说在空气的上方有潮冷空气， 而下方是暖湿空气时， 暖湿空气受其密度较低则会上升， 遇到上方的潮冷空气就会形成冰晶。 冰晶在气流中碰撞、 分裂导致较轻的部分带负电荷并形成雷云； 而较重的部分带正电荷并凝聚成水滴下降， 或悬浮在空气中形成局部带正电的云区。 整块雷云可以存在若干个电荷中心， 负电荷位于雷云的下部，离地大约500至10000m随着雷云

8、的发展和运动，雷云中的电荷得到不断的积累， 其所建立的电场强度不断增强， 一旦其超过大气游离放电的临界电场强度时， 便会发生云间或对大地的火花放电， 从而形成闪电。 一般雷电的放电过程可以分成四的阶段，下面以下行负闪电进行简单说明：(1) 、先导放电云层中的负电荷逐渐积聚， 同时在附近地面上感应出正电荷。 当雷雨云与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。、迎面先导 (2) 由于先导通道的形成使得雷云中的负电荷向地面延伸， 而地上的感应电荷也逐渐增强， 由于局部电场强度的增强， 地面的突起处出现 J 下电荷的先导放电伸向天空。(3) 、等离子体通

9、道当先导通道与迎面先导相遇时， 就在通道端部产生高密度的等离子区，此区域自下而上迅速传播，形成等离子体通道。(4) 、主放电过程在高导电率的等离子通道中， 雷云中的负电荷与大地中的 J 下电荷迅速中和， 形成主放电过程。 上述雷电放电过程属于云对地放电，另外还有云中放电、云对云放电、云对空气放电三种形式。由于运对地放电所带来的危害最为严重， 因此这种放电形式成为研究的重点。 通过对雷电的观测表明， 先导并不是一次贯通全部空间，而是间歇性的脉冲发展过程，称为分级先导。每次间歇时间大约为几十微秒，一次闪电往往包含多次先导一主放电过程。其中第一次放电的电流幅值最高， 而第二次及以后的放电电流其幅值都

10、比较低， 但由于增加了雷电放电的总持续时间， 因此会对电力系统的运行带来不利影响。1.4 牵引网的供电方式与结构牵引供电系统是在电气化铁道中为电力机车或动车组提供电能的系统设施，主要是由外部电源、牵引变电所、牵引网和电力机车等组成， 其结构如图 2-6 所示， 其各自功能本文就不展开介绍外部电源牵引网是由馈电 了，而主要对牵引网进行着重介绍。 线、接触线、承力索、钢轨、回流线等组成，这些部分共同组成牵引供电回路。接触线(Catenary) 对地标称电压25kV 悬挂在铁道中心线上方，并与轨道的顶部保持6m左右的恒定高度，是电力机车或动车组在运动中获取电流的专用单相供电线路。 馈电线(Feede

11、r) 是从牵引变电所27 5kV 母线连接到接触网的专用导线，而在AT供电方式下，正馈线一直伴随接触网延伸到整个供电臂。回流线 (Return Wire) 是将轨道和地中的牵引回流引入牵引变电所接地极的连接导线， 在带有回流线的直供方式中， 设置一条与钢轨并联的架空回流线， 每隔一定距离用吸上线将钢轨与架空回流线相连接；而在 AT供电方式中，回流线采用钢缆将钢轨与AT所内的自耦变压器的中间抽头相连接。目前国内高速铁路应用最为广泛的供电方式是带有回流线的直AT供电方式在AT供电方式下牵引网的结构一般分为单线、复线和全并联三种方式：单线方式是指单一行区只有馈线、接触线、保护线、钢轨； 复线方式是将

12、上下行区段上全部导线与钢轨在供电臂末端相连，而全并联方式则是将上下行AT供电系统在牵引变电所、AT所、分区所通过横连接线全部相连接。对于AT供电方式的优点主要有：1 .正馈线与接触网架设在同一支柱上，相对距离较小，两者的电流大小相等方向相反，对临近通信线路的电磁干扰大为减少。2接触网、正馈线中的电流均为牵引电流一般， 与其它供电方式相比， 线路上的电压绛、 可以 减少一半，所以AT供电方式的供电臂长度比其他供电方式增加 一倍，达到50km. 60kmi 3.由于AT供电方式减少了接触网的 电流，也就减少了电弧烧伤接触网和受电弓滑板等问题，所以AT供电方式适宜与高速铁路和重载铁路的大负载电流运行

13、。双线方式下的牵引网会在田野侧、 正馈线的下方并联一条保护线(PW线)，在正常运行情况下，保护线(PW)中不流过牵引电流，PW线的主要作用是避免接触网支柱的接地部分直接与轨道相连， 以减小对轨道电路的干扰。由于PW戋与钢轨并联，能够减少牵引网阻抗， 这也为故障电流提供便利通道。 为了降低轨道对地电位，在自耦变压器之间的中部增设一条辅助连接线(CPW线)，它将保护线钢轨相连接，从而实现钢轨电位的降低。需要进行以下几点假设与简化：(1) 、在雷击牵引网时，牵引网上的工作电压予以忽略并不考虑牵引网的工作状况， 这样雷电波在馈线或承力索上的波动方向是相同的。 若要考虑工作电压对绝缘子闪络的影响， 则可

14、在模型电 路上叠加交流分量。(2) 、 由于没有考虑牵引网的工作运行则钢轨上不存在牵引回流，所以不能将钢轨视为一条导线； 而又由于在雷击牵引网时对钢轨的影响较小【7】 ，所以在对雷击牵引网建模时将钢轨忽略。(3) 、在雷击牵引网建模时不涉及除牵引网以外的其它牵引供电系统的设备以及牵引供电系统的综合接地系统。并采用集中接地方式， 将保护线视为架空地线或耦合地线， 、 (4) 设定每隔2km左右设置一处接地。(5) 、承力索与接触线在空间位置与波阻抗上存在差别，所以将其视为两根独立的导线， 但是两者电位相同， 中间又有吊弦相连，所以将其看为并联的拓扑结构。2 雷击牵引网悬挂系统由于馈线的高度较其它

15、导线较高， 易遭受雷击， 所以将着重对其进行分析。当雷电流幅值为 lkA 时，在雷击点处馈线、接触线、保护线上的绝缘子均未发生闪络， 各支柱上绝缘子端电压变化比较平缓，但由于雷击点距左侧距接地点较近，所以左侧保护线上绝缘子的端电压下降的要快些。如图 3 22 所示，图中横坐标为支柱编号、纵坐标为电压幅值( 以下折线图均以此设定) ；当雷电流幅值为 2kA 时， 保护线上的绝缘子发牛闪络， 而馈线与接触线的绝缘均未发生闪络。 由于保护线在雷击点处的绝缘子发牛闪络使得馈线与接触线的绝缘子端电压降低， 如图 3 23 所示。雷击安装有避雷器的牵引网分析由于避雷器防护效果与很多因素有关 所以本文将忽略

16、一些因素着重对限制雷击过电压的方面进行研究。目前在 AT供电方式下安置在牵引网支柱上的避雷器一般有两组， 一组是防护承力索的，另一组是防护馈线的，图 4-I 为武广线上的避雷器安置图。本文在仿真模型中也采用相同设置方式，如附录二所示。雷击邻近两避雷器之间由于支柱相对于悬挂导线较为突起， 更易为了考察所以首先对雷击支柱的情况进行分析。遭受雷击侵害，避雷器设置数量与防雷效果的关系， 本文对未装有避雷器的牵引网与每隔一公里、二公里、三公里安装有避雷器的牵引网。通过观测距雷击点600m内，每隔50m处接触线与馈线上的绝缘于端电压峰值， 来评估避雷器的防护效果。 为了准确评估避雷器的防雷效果， 本文将对

17、保护线、 冲击接地电阻等因素的影响进行忽略。考虑到较为严重的情况，本文选用幅值为 60kA 的标准雷电流，在此幅值下足以引起雷击点处的绝缘子发生闪络。(l) 、在雷击点附近馈线上绝缘子端电压要高于接触线上绝缘子的端电压。 这主要是由于馈线的绝缘水平要高于接触线的， 所以能承受较高过电压才发生闪络。(2)、不论采用哪种设置避雷器的方式，在距雷击点200m内绝缘子端电压的变化幅度基本一致， 造成雷击点附近的绝缘子的闪络情况也基本相同。 这主要是由于雷击点与避雷器之间具有一定距离，而过电压传播需要一定的时间才能使得避雷器发生动作。(3) 、对于设置有避雷器的支柱，其接触线与馈线上绝缘子的端电压迅速下

18、降。 这是由于避雷器的分流作用使得导线上的过电压迅速下降，降低了导线上绝缘予的端电压。2 雷击带有避雷器的支柱避雷器在对雷击悬挂导线上的防护效果仅限于自身安装有避雷器的牵引网支柱， 而对邻近支柱的防护效果较小， 因此对带有避雷器的牵引网进行耐雷水平的评估上还应考虑雷击点邻近支柱表明了避雷综合雷击支柱与雷击悬挂导线的分析结果， 的耐雷。 器在防护雷击过电压上具较大的局限性， 防护范围仅限于安装有避雷器的支柱而对邻近支柱几乎没有防护效果， 所以安装避雷器只能算是牵引网防雷保护的补充手段， 而其防护效果在很大程度上还要取决于支柱的冲击接地电阻、避雷器的通流容量等因素，因此有关避雷器防护效果的研究有待

19、深入研究。2. 改善牵引网耐雷水平的措施(1) 、降低接地电阻在前文模型中对于冲击接地电阻模块的参数设定为低频低幅值电阻R为lOf2 , 土壤电阻率p为400. mi而在现实电气化铁道中，所穿越的地理环境十分复杂，土壤电阻率各不相同，为便于探讨有关冲击接地电阻对牵引网耐雷水平的影响， 本文模拟雷击支柱顶部时， 不同阻值的接地电阻尺' 对牵引网耐雷水平的影响。本文采用标准雷电流波形对无架设避雷器的牵引网进行冲击， 接地电阻的变化范围在10 50f2 之间。图 4 1l 为有保护线时雷击支柱顶部，接地电阻与牵引网耐雷水平的关系。(2) 、加强线路的绝缘性加强牵引网线路的绝缘性是提高牵引网耐雷水平又一项措施， 在模型中所设定的接触线绝缘子是按照国标中以盹冲击放电电压为 270kV 的绝缘子所设定的， 若采用加强型绝缘子即以冲击放电电压为 310kV 的绝缘子来更换原有绝缘子，则会提高牵引网的耐雷水平，对此本文进行模拟仿真，将原来接触线上绝缘子的参数更改为加强型绝缘子的参数， 通过考察来说雷击支柱与雷击接触线两种情况下牵引网耐雷水平的变化，明加强牵引网线路的绝缘性对提高牵引网耐雷水平的作用。表4 3 为改变接触线绝缘子参数前后牵引网耐雷水平的变化。结论(1) 通过分别对牵引网悬挂导线、牵引网支柱、绝缘子