电气化铁路接触网雷击过电压研究*

程宏波　刘 嘉　黎医博　官 琪　伦 利　王 勋

（1.华东交通大学电气与电子工程学院，330013，南昌；2.济南铁路局供电处，250001，济南∥第一作者，副教授）

电气化铁路接触网雷击过电压研究*

程宏波1刘 嘉1黎医博1官 琪2伦 利1王 勋1

（1.华东交通大学电气与电子工程学院，330013，南昌；2.济南铁路局供电处，250001，济南∥第一作者，副教授）

摘 要在运用电气几何模型对接触网捕雷面进行分析的基础上，考虑地阻抗对导线参数及场线耦合的影响，利用修正的电报方程对雷击时接触网上的电压、电流分布进行求解。建立了绝缘子闪络模型，对雷击过电压下绝缘子闪络进行仿真，分析了支柱通过钢轨接地、支柱上架设避雷器等方式对接触网雷击过电压的影响。仿真结果表明，地阻抗会对接触网雷击过电压的幅值及波形产生一定的影响，应根据设备实际的绝缘配合水平来配置避雷器。

关键词电气化铁路；接触网；雷击；过电压；电报方程；仿真分析

*江西省自然科学基金项目（20143ACB21019，20142BAB216027）；南昌市科技支撑项目（2014HZZC012）；华东交通大学校立课题（14DQ07）

First-author＇s address School of Electrical and Electronic Engineering，East China Jiaotong University，330013，Nanchang，China

由于接触网露天架设，且高铁线路大多架设于高架桥上，使得接触网更易遭受雷击的影响，据统计，电气化铁路牵引供电系统的绝大多数故障都和牵引供电系统遭受雷击损坏有关［1］。

目前人们对雷击的研究多集中于电力系统过电压的研究和仿真上［2-4］。接触网与电力输电线的不同点在于：接触网结构特殊、线路布置不对称、离地高度不一，使得接触网中雷电行波的传输特性和电力输电线有所不同；接触网中各导线电压等级不同，采用的绝缘子类型不一，各绝缘子的闪络电压不同；电气化铁路的钢轨作为一特殊的接地体，参与牵引供电的回流，回流线或保护线每隔一定距离通过信号扼流圈中点与钢轨连接一次。这些不同使得接触网呈现出某些独特的特性，有必要对其进行进一步的研究。文献［5-6］对于接触网遭受雷击时过电压的计算方法进行了理论研究。文献［7-8］对接触网因雷击而导致的雷击跳闸率进行了研究文献［9］则对直流牵引供电系统遭受雷击时在电缆中产生的过电压进行了分析及仿真。

本文分析了电气化铁路接触网结构的特点以及地导体对雷击接触网时场线耦合的影响，对接触网雷击过电压引起绝缘子闪络进行仿真分析，分析了架设避雷器、支柱通过钢轨接地等措施对接触网雷击过电压的影响。

1　电气化铁路接触网的结构及其电气几何模型

作为一种特殊形式的供电线路，接触网要承受机车受电弓的高速冲击，工作条件恶劣，为保证电力机车的良好受流，接触网相比一般的输电线路结构更为复杂。由于双线接触网的分析方法和单线类似，只是导线更多，为方便起见，本文以单线接触网为例进行分析。

图1为京沪高铁某段线路（上下行）其中一条接触网的结构布置示意图。图中，R为钢轨；R1上部代表承力索，下部为接触线（由于电气化铁路接触线和承力索每隔几米通过吊弦连接，且每隔一段距离通过电连接并联，因而可等效为一根导线）；R2为保护线，它通过线夹直接和支柱相连；R3为AT供电（2×27.5 k V）的负馈线；R4为加强导线。可以看出，电气化铁路接触网的结构不对称，机械结构复杂。

图1　接触网结构布置示意图

电气几何模型（Electrical Geometry Model）是一种常用的分析计算模型，它将雷电的放电特性与线路的结构尺寸联系起来，认为击距的大小与先导头部的电位有关，因而与先导通道的电荷密度有关，而后者决定了雷电流的幅值，因而击距是雷电流幅值的函数。即：

式中：

rs——雷击距；

I—雷电流；

k，P——常数，k的范围在6～10之间，P的范围在0.6～0.8之间［10］。

本文采用E.R.Whitehead的公式，取k= 6.72，P=0.8，则rs=6.72I0.8，由此可得图1所示接触网在不同雷击电流作用时的雷击距示意图，如图2所示。

2　雷击接触网行波传输模型

图2　不同雷电流情况下接触网的捕雷面示意图

雷击后，线路上电压、电流的分布规律多采用传输线方程进行求解。当前对传输线方程的求解将大地视作理想地平面，忽略了地损耗对导线参数和磁场耦合的影响［11］。由于雷电波含有较高的高频成分，导线的趋肤效应以及电磁场和地之间的耦合作用更为明显，文献［12-13］对考虑大地损耗情况下多导体传输线的特性进行分析，得到修正后的电报方程：

其中

式中：

V（χ，t），I（χ，t）——分别为雷电波在接触网上传播时某一观测点的瞬间电压和电流，χ为观测点与雷击点之间的距离，t为雷电波从雷击点传播到观测点的时间；

L——单位长度电感；

G——单位长度电导；

C——单位长度对地电容；

A，B——常数；

ζ（t）——瞬时地阻抗；

r——导体半径；

μ——导体的介电常数；

σ——导体的磁导率。

式（2）第一个积分反映导体内阻抗和电流的卷积，ζ（t）反映了地参数对系统高频损耗的影响，A、B反映了导体趋肤效应的影响。

对于接地阻抗，电力系统中较多地利用Carson理论进行计算。Seymlen根据传输的行波频率和地阻抗的临界频率之间的关系，将地阻抗进行了划分和归类，指出了不同频率段的适用范围。设地的导电率为σg，介电常数为εg，则临界频率，若电磁波的频率为ω，则［14-15］：

（1）若ω＜0.1ωc，此时为低频段，大地可视为导体，可利用Carson理论进行等效，普通的电力传输多属于此类；

（2）若0.1ωc＜ω＜2ωc，此时为高频段，大地呈现导电和绝缘的过渡状态，雷击时行波的传输多属于此类；

（3）若ω＞2ωc，为超高频段，大地对其呈绝缘状态，电磁脉冲信号多属于此类。

考虑大地的电导率和介电常数对过电压的影响，对图1中加强导线R4遭受雷击时接触网各线路的感应电压进行研究。考虑完纯大地（情况1）和地电阻对场线耦合的影响（情况2），得到两种情况下各线路感应电压的波形（见图3）。仿真采用1.2∕50μs标准雷电流波形，接触线自阻抗Zc= 0.119 2＋j 0.752 2Ω∕km，负馈线自阻抗Zf= 0.203 6＋j 0.884 7 Ω∕km，保护线Zpw= 0.302 1＋j 0.782 7Ω∕km，加强线自阻抗Zr= 0.275 6＋j 0.761 4Ω∕km，雷电流取1.2∕50μs、幅值50 k A的双指数波形，地电导率为0.000 4 S∕m，相对介电常数为10。

由图3可以看到，考虑地阻抗对场线耦合影响时，各线路雷击过电压的幅值都有所增加，且离地越近的线路受到的影响越大；线路感应电压波形受到地阻抗的影响也发生了变化，离地近的线路感应电压的起始极性变为负，与将地视为理想地时不同。

图3　接触网导线上电压波形

表1所列为两种情况下各导线上感应电压正负峰值的大小，可以看到，在地阻抗对导线参数及场线耦合的影响下，R1上的感应电压峰值都增大，R2、R3上感应电压的正向峰值有少量的减小，但负峰值增加明显。

表1　理想地和非理想地情况下接触网线路感应电压峰值k V

3　绝缘子的闪络与支柱接地

接触网中的带电导体都通过绝缘子固定在支柱上，图4所示为电气化铁路接触网支柱及其绝缘子布置示意图。绝缘子类型及其闪络电压见表2。

正常工作时，绝缘子呈高阻状态，对地绝缘；当接触网遭受雷击，线路上产生的过电压超过绝缘子的闪络电压时，绝缘子将发生沿面闪络，由绝缘状态转变为通过电弧闪络接地。发生闪络时电弧电阻为［16-17］：

图4　接触网绝缘子布置示意图

表2　接触网绝缘子类型及冲击耐压水平

式中：

K——常数，一般取0.045；

d——电弧的长度，可近似取为绝缘子的长度。

计算时，将各线路上的电压与表2中绝缘子的闪络电压进行比较，当线路电压高过闪络电压后，认为产生绝缘子的沿面放电，此时电阻变为Rarc，直至电弧电流过零后电弧熄灭为止。

图5所示为考虑绝缘子闪络时各线路上的雷电过电压波形。可以看到，绝缘子闪络对雷击电压的波形有较大影响。由于接触网中各线路之间的距离较为接近，感应电压的影响较为明显，若不采用避雷器进行防护，接触网的绝缘子易发生闪络，因而必须采用避雷器进行防护。从图5b）中可以看到，对支柱和钢轨进行连接，由于钢轨的分流作用，可降低放电时线路上的电压幅值，因而对线路雷电防护有利。

在邻近雷击点支柱上安装避雷器时接触网各线路的电压波形如图6所示。可以看到，避雷器可较快降低线路上的电压，避免绝缘子的闪络，对电气化铁路的接触网线路可起到较好的防护效果。

4　结语

对电气化铁路接触网进行电气几何模型分析可知，架设于支柱上方的导线较易受到雷击的影响，因而在支柱上部架设的加强导线应成为电气化铁路接触网防雷的重点。

对于频率较高的雷电流，在进行过电压分析时，需考虑高频时地阻抗对导线参数及场线耦合的影响。其使得线路的过电压幅值增大，部分线路电压的初始极性会发生改变，且对近地导体的影响更为明显。

图5　绝缘子闪络时导线电压

图6　加装避雷器后导线电压波形

接触网遭受雷击时产生的过电压较易使绝缘子发生沿面闪络，因而需采用避雷器对接触网进行防护。支柱和钢轨的连接可减小绝缘子闪络时线路上的电位值，因而有利于线路的雷电防护。

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Research on Lightning Over-voltage of Electrified Railway Catenary

Cheng Hongbo，Liu Jia，Li Yibo，Guan Qi，Lun Li，Wang Xun

AbstractBased on a study of the catenary exposure surface with electrical geometry model，and putting the impact of ground impedance on conductor parameter and field line coupling into consideration，the distribution of voltage and current induced by lightning is solved by using the modified telegraph equation.A model of insulator flashover is established and simulated，the impact of lightning on pile∕rail ground connection and the arrester erection are studied. Simulation results show that the ground impedance could impact the amplitude and waveform of voltage induced by lightning，so the arrester should be properly allocated according to the real isolation conditions.

Key wordselectrified railway；catenary；lightning；overvoltage；telegraph equation；simulation analysis

中图分类号U 226.8＋3

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.009

收稿日期：（2014-05-20）