接触网雷害防护措施及效果分析

徐 祯

接触网雷害防护措施及效果分析

徐 祯

分析了地面接触网和高架桥接触网无防护及设置避雷线的闪络情况，并对避雷线设置在不同高度处的防雷效果进行了统计分析，提出了接触网雷害防护措施宜采用避雷线+带间隙避雷器的方案。

接触网；闪络；防护措施

0 引言

雷电过电压对牵引供电系统造成的影响体现在接触网短路跳闸故障。当接触网绝缘子遭受过电压闪络后，因雷电流在绝缘子周围电离空气产生等离子层，从而导致接触网发生直流短路引起牵引变电所直流馈线断路器跳闸，这时绝缘子因烧损可能发生永久性短路或非永久性损伤。其后果体现在2个方面：一是若绝缘子非永久性损伤，则牵引变电所可重合闸后恢复供电，造成的影响后果较小；二是若绝缘子永久性损坏，则牵引变电所重合闸不成功，对供电系统的影响很大。雷电流虽然很大，但持续时间很短，在几百微秒之间，其能量不足以烧坏绝缘子。绝缘子因雷电击穿后流经绝缘子的电流幅值为1×104～10×104A，持续时间为20～100 ms，该电流能量很大，可彻底烧坏绝缘子而导致永久性短路故障。根据统计，因雷电过电压引起的牵引变电所直流断路器跳闸故障中约有70%可实现重合闸，30%为绝缘子永久性损坏短路故障。

1 接触网无防护及设置避雷线的闪络分析

防雷措施有避雷线、避雷器、放电间隙等，采用何种措施应依据投资额与取得的防护效果综合评价。完全实现接触网不跳闸及绝缘子不被烧损的工程代价极高且无必要，因此应分析接触网各种防护措施对应的雷害水平程度，达到运营单位可以接受的水平。

下文首先分析接触网无任何避雷线、架空地线，且接触网不安装任何避雷器等设施情况下，对应不同雷暴日的接触网闪络次数，以此为基础，再分析接触网在加避雷线、避雷器等设施后不同雷暴日对应的接触网闪络次数，分析各种防雷设施施加前后的闪络次数并判定其防雷效果。

1.1 接触网无任何防护措施时闪络情况分析

图1为地面接触网几何断面图，图2为其无任何防护措施情况下的闪络次数曲线图。

图1 地面接触网几何断面图

图2 地面接触网无任何防护措施情况下的闪络次数曲线图

图3为高架桥接触网几何断面图，图4为其无任何防护措施情况下的闪络次数曲线图。

图3 高架桥接触网几何断面图

图4 高架桥接触网无任何防护措施情况下的闪络次数曲线图

1.2 接触网设避雷线时闪络情况分析

接触网因承力索在导线上方，承力索对导线起到全屏蔽作用，因此计算接触网遭受直击雷次数只按承力索考虑。避雷线可利用既有接触网架空地线进行设置，为节省投资没必要单独设置避雷线。避雷线设置高度应高于承力索，并使避雷线与承力索距离满足两导线间电气安全距离要求，避雷线的设置有2种方式：

（1）方式一：避雷线设于接触网支柱垂直上方，其高度满足上下行两避雷线对承力索起屏蔽作用，其高度追求在对承力索起屏蔽作用情况下的最低高度以节省投资。图5为避雷线在柱顶上方时的接触网示意图。

图5 支柱上方垂直放置架空地线示意图

（2）方式二：避雷线在柱顶向接触网侧内倾置于一定高度，以使避雷线相对承力索达到一定保护角要求，图6为避雷线内倾时接触网示意图。

图6 支柱内倾放置架空线示意图

由于上下行同时存在避雷线，上下行避雷线同时起到对上下行接触网的保护作用。避雷线在支柱垂直上方设置还是内倾设置应以计算的接触网闪络次数进行判定。

1.2.1 避雷线设置在支柱垂直上方

当避雷线在支柱上方，且高于承力索0.1 m，并与承力索水平距离为3 m时，各种雷暴日的接触网跳闸次数曲线图见图7。

图7 避雷线在支柱垂直上方时，接触网跳闸次数曲线图

1.2.2 避雷线在支柱上方且向内倾斜

当避雷线在支柱上方且向线路侧内倾斜时，各种雷暴日的接触网跳闸次数曲线图见图8。

1.2.3 2种方案效果对比

对比分析地面接触网避雷线设置在不同位置的防护效果（图7 a和图8 a）、高架桥上接触网避雷线设置在不同位置的防护效果（图7 b和图8 b），可以看出2种方案效果基本相同。

图8 避雷线在支柱上方且向内倾斜时，接触网跳闸次数曲线图

2 避雷线设置高度的防雷效果分析

图7、图8为接触网上设置避雷线最低高度（只比承力索高0.1 m）时的防护效果情况。通过计算表明当避雷线高度比承力索高度稍增加时，防护效果要增加。当高度继续增加时，引雷效果增加，防护效果反而要降低。因此，接触网设置避雷线时，存在一个最佳高度问题，具体情况见表1和表2。

表1 接触网在地面上，绝缘子总闪络次数（次/100 km×年）统计表

表2 接触网在高架桥上，绝缘子总闪络次数（次/100 km×年）统计表

通过表1可以看出：当接触网在地面时，避雷线高度高于承力索为0.4 m时效果最好（未考虑避雷线最高温时的驰度）。通过表2可以看出，当接触网在高架桥时，避雷线高度高于承力索0.9 m时效果最好。但总的看来避雷线高度变化对防护效果的影响并不大，实际工程设计中避雷线高度在0.4～1.0 m范围内均可行。

3 接触网设置避雷器时防护效果分析

带串联间隙金属氧化物避雷器相比保护间隙，其动作后能抑制系统工频续流起弧，牵引变电所不会因雷击故障而跳闸，可降低接触网雷击跳闸率，防雷保护效果更理想，因此，架空接触网雷电防护所用避雷器应优先选择带串联间隙金属氧化物避雷器。

当每个接触网支柱均安装带间隙避雷器时，通过模拟仿真研究，在直击雷作用下，最严苛情况，当雷电流100 kA时，流过避雷器本体冲击电流为71 kA，因此，对于100 kA以上的直击雷，当无避雷线屏蔽承力索时，接触网遭受直击雷时流过避雷器的电流可能导致避雷器损坏。

金属氧化物避雷器的安装方案也直接决定其所能起到的防护效果。在电力系统供电线路上所采用的金属氧化物避雷器与绝缘子并联安装，其优势在于直接限制作用在绝缘子上的过电压从而达到对绝缘子的可靠保护。而当前在城市轨道交通架空接触网所采用的1.5 kV直流金属氧化物避雷器并没有与绝缘子并联安装，其一端与架空接触网带电导线相连，另一端通过电缆直接与大地相连，实际并不能限制绝缘子两端的电压。因此，架空接触网绝缘子并联安装串联间隙金属氧化物避雷器是一种比较可靠的雷电过电压防护措施。

因此，在当雷暴日较大的环境条件下，若每个接触网支柱绝缘子并联1支带间隙避雷器，可有效防止绝缘子被击穿，且可有效避免接触网短路引起的跳闸。

4 接触网设避雷线及避雷器防护效果分析

图9、图10给出了不同位置处的接触网在已设避雷线，并每间隔1个支柱绝缘子安装1个避雷器的情况下，防雷效果计算分析曲线。

图9 地面接触网防雷效果分析图

图10 高架桥上接触网防雷效果分析图

通过对比图7 a、图9，图7 b、图10的数据表明，全线在设有避雷线但无避雷器和有避雷线间隔1个支柱安装避雷器，在各种雷暴日情况下的防雷效果不明显，接触网跳闸次数只减少了16%左右，避雷器每个支柱均安装和间隔支柱安装的防护效益差距巨大，因此雷暴日较大情况下，还应以每个支柱绝缘子并联1个带间隙避雷器为好。

5 结论

通过上述对接触网无任何防护措施、只设避雷线方案、只设避雷器方案的防护效果分析看出：

（1）只设避雷线方案可有效降低接触网遭受直击雷的次数，并有效降低牵引变电所的跳闸次数（地面15%，高架桥30%），但当雷暴日数增大时，牵引变电所跳闸次数较高，且由于存在电位反击后接触网绝缘子大量烧损的可能性，事故还会发生。

（2）若不考虑架空地线抬高后的避雷效果，在雷暴日较大时，地面及高架桥接触网考虑全部采用安装接触网绝缘子带间隙避雷器，可避免接触网跳闸。但由于受成本和重量限制，避雷器的通流容量不宜做的太大，因此在90～100 kA以上雷电直击接触网时，有可能造成避雷器因通流容量不够而爆炸损坏。

因此，考虑综合，建议采用以下综合防护措施：避雷线+带间隙避雷器方案。将架空地线抬高至最佳高度，且在雷暴日达到一定级别时，考虑在接触网绝缘子上并联间隙避雷器，这种情况下，由于避雷线已将上下行接触网全屏蔽，接触网不可能再遭受直击雷，带间隙避雷器只承受避雷线遭受雷击后的反击雷电流，这部分雷电流只有总电流大小的20%左右，即使按最大雷电流300 kA考虑，避雷器的通流容量也足够。对于感应雷，通过计算表明，避雷器通流电流小于2 kA，因此避雷器容量不成问题。

The flashover on overhead contact systems either above the ground or above the viaduct not setting with protection or setting with lightning wire is analyzed, the statistics and analysis are made on effectiveness of lightning protection with the lightning wires set in different heights, and the appropriate scheme is put forward for overhead contact system lightning protection by means of lightning wire equipped with gap arrestor.

OCS; flashover; protection measure

U226.8+3

B

1007-936X(2014)04-0013-05

2014-06-23

徐 祯.朔黄铁路发展有限责任公司机辆分公司安全质量监察室，助理工程师，电话：18031780011。