准朔铁路接触网耐雷水平分析及加装避雷线方案研究

林 卫

(中国铁道科学研究院集团有限公司 研究生部， 北京 100081)

准朔铁路东起朔州平朔专用线店坪站南侧的店坪南站，经晋、陕两省，进入内蒙古自治区到达本线设计终点红进塔站，新建线路全长204 km。准朔铁路的修建，可以使大秦线经由平朔线直接延伸至内蒙古煤田腹地，为大秦线输送长期稳定的货源。作为一条新的"西煤东运"重载铁路在其全线开通后，如何保证其牵引供电系统运营安全是设计、施工、设备管理单位共同面对的问题。

接触网因雷击跳闸及因雷击引发的接触网故障近年来成为了供电管理部门面临的严峻问题。准朔铁路途经晋西北黄土高原及鄂尔多斯高原，所经地区雷电活动强烈，加之途经地区煤炭、矿产资源丰富，土壤电阻率较高，准朔线开通运营后受雷电影响势必严重。

结合准朔铁路供电系统设计及接触网施工，重点对准朔铁路接触网耐雷水平进行分析。同时就准朔线接触网加装避雷线提高其接触网防雷水平的方案进行分析研究。

1 准朔铁路既有接触网耐雷水平分析

接触网的耐雷水平可以通过分析引起接触网绝缘子闪络的雷电流和其发生的概率值(闪络率)两个指标来进行评判。雷电对于接触网线路的影响从雷击点概括起来可以分为以下3种情况：

(1)雷击接触网附近地面；

(2)雷击接触网支柱顶部；

(3)雷直击接触网导线。

下面就以上3种情况下，对可能引起接触网绝缘子闪络的雷电流值及其发生概率分别进行分析。

1.1 准朔铁路接触网结构及参数

准朔铁路设计为单线电气化铁路，牵引供电采用AT供电方式。接触线采用120 mm2铜银材质电车线，承力索采用95 mm2铜镁合金绞线。准朔线接触网结构及主要参数如图1所示。

图1 准朔线接触网结构及主要参数示意图

接触线平均高度为6.0 m，接触网的结构高度为1.4 m，承力索距地面平均垂直高度hc为8.2 m，距支柱水平距离为3.1 m。接触网杆之间的平均跨距为60 m。平腕臂绝缘采用型号为QBJ-25S/12的棒式瓷绝缘子，其爬电距离为1 400 mm，参照《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》取冲击闪络电压U50%为354 kV，接地端距地面高度hgsp为8.12 m。斜腕臂采用型号为QBJ-25/12的棒式瓷绝缘子，其爬电距离为1 400 mm，冲击闪络电压U50%为354 kV，斜腕臂棒式绝缘子接地端距地面高度为6.22 m。支柱接地点之间的距离为2 000 m，冲击电阻Rc为10 Ω。预应力钢筋混凝土支柱地面以上高度为9.2 m,其单位等值电感为0.84 μH/m[1]。

1.2 雷击接触网附近地面

当带电雷云靠近接触网时，会在接触网上感应出束缚电荷，即与雷云所带电荷极性相异的电荷。而当雷云主放电开始后，其所带电荷被迅速中和，此时接触网导线中的束缚电荷失去束缚被迅速释放，从而形成电压波向接触网两侧传播，即在接触网上产生了感应过电压。

在接触网导线上形成的感应过电压可以通过式(1)[2]求得：

(1)

式(1)中：I为雷电流，kA;

hc为承力索对地距离，m;

s为地面上的落雷点到接触网的垂直距离，m；

由式(1)可求得该情况下接触网的耐雷水平为

(2)

式(2)中U50%为平腕臂绝缘子的冲击闪络电压，由于接触网线路的引雷作用，当雷击点距离接触网较近时，雷电将直击接触网而不会落在地面上，参照文献[2]地面上的落雷点到接触网的垂直距离s取值为65 m。

由于准朔铁路处于雷电多发的山区高原地带，因此该地区的雷电流超过I的概率P参照文献[3]为

(3)

即

(4)

1.3 雷击接触网支柱顶部

如果雷电未落在接触网附近地面，而直接击中支柱顶部，此时接触网支柱成为了雷电流泄入大地的唯一通道，从而会在接触网上形成反击过电压。同时通过支柱泄入大地的雷电流感应出的变化磁场，会在接触网承力索上产生感应电压。所以当雷电直接击中接触网支柱顶部时，接触网绝缘子两端承受的过电压为上述产生的两个过电压之和：

(5)

其中冲击接地电阻；单位等值电感； 雷击接触网支柱时产生的反击过电压； 雷击支柱时承力索上产生的感应过电压；平腕臂绝缘子接地端距地面的高度；承力索距地面的高度。以上数据取值具体见第1.1节准朔铁路接触网结构及参数中内容。 为雷电冲击电压波形波头时间，按照DL/T620-1997标准取值为2.6 μs。

由式(5)可求得该情况下接触网的耐雷水平为：

(6)

1.4 雷直击接触网导线

当雷电直击接触网导线时，沿雷电通道流动的雷电压行波到达承力索被击点后，沿承力索向两侧以流动波的形式传播。依据文献[2]，雷电直击承力索靠近被击点的腕臂绝缘子上产生的过电压为：

(7)

其中Z为线路的波阻抗，取Z=250 Ω；Z0为雷道波阻抗，取Z0=300 Ω[2]。

由式(7)可求得该情况下接触网的耐雷水平为：

(8)

根据以上计算分析，准朔铁路接触网耐雷能力评估如表1所示。

表1 准朔铁路接触网耐雷能力分析结果

2 准朔铁路接触网加装避雷线方案分析

2.1 接触网加装避雷线作用及应用现状

关于接触网加装避雷线提高接触网耐雷能力的相关研究，在理论分析及实际应用中都得到了广泛验证。避雷线一方面能够对接触网线索起到屏蔽作用，减少雷电直接击中接触网设备的概率。同时由于避雷线与承力索存在耦合作用，可以减少腕臂绝缘子上的过电压。由于避雷线装设在接触网上方，顺线路架设，其保护范围成条形，可以作为接触网防雷的主要保护形[2]。

接触网装设避雷线方案大体可分为单独在接触网支柱柱顶架设避雷线，或将架空地线、PW线提升位置兼作避雷线这两种方案。2014年以来为提高大秦线接触网防雷能力，大同西供电段分批次对玉田北至遵化北、遵化北至迁西站间接触网实施了防雷改造。2017年继续对大同县至阳原间、迁西至迁安北间接触网进行了单独架设避雷线的防雷改造。增设架空避雷线以后，大秦线相关防雷改造区段雷击跳闸次数有了显著降低，防雷效果明显。

对于升高PW线兼作避雷线方案，该方案对雷直击接触网及PW线造成的雷击跳闸率影响不大，但对防止雷电直击正馈线有明显效果，同时由于PW线升高后，保护线与正馈线的耦合系数变大，造成感应雷引起的雷击跳闸率有所增[3]。

2.2 准朔铁路避雷线最优架设高度计算

为减少准朔铁路开通运营后雷击及雷击跳闸对接触网设备的影响，势必要提高接触网耐雷水平。不论是采取单独架设避雷线或是将架空地线、PW线提升位置兼作避雷线哪一种方案，避雷线架设高度将是直接影响防雷效果的重要参数。这里着重就准朔铁路单线区段避雷线最优架设高度进行分析计算，为后续可能的防雷补强工作提供借鉴。

避雷线保护范围的分析在学术工程领域已具备成熟的理论和充分的实践。避雷线保护范围与避雷线的架设高度存在直接关系。按照《建筑物防雷设计规范》要求，可以采取滚球法对避雷线的保护范围进行定量计算，该方法对于单独架设避雷线或是将架空地线、PW线提升位置充当避雷线方案均适用。利用滚球法可以确定避雷线最优架设高度，从而避免因避雷线架设高度不合理造成的工程投资加大或保护范围不足等问题。

参照文献[7]给出的计算方法，我们按照架设的避雷线可以同时保护接触线和正馈线考虑，利用滚球法从图2中我们可以分别得到避雷线架设的最低位置为C1、C2点。

图2 准朔铁路避雷线计算示意图

当避雷线装设在C1点时，按照几何原理可以求得此时避雷线架设高度为：

(9)

同理，当避雷线安装在C2点时，可以计算得到此时避雷线的架设高度为：

(10)

其中Rr为滚球半径，在这里我们将接触网视为第一类防雷建筑物，取Rr=30 m；a为承力索距支柱的水平距离；b为正馈线距支柱的水平距离；h1为正馈线距地面的距离；h2为承力索距地面的距离。

将具体数据分别代入式(9)、式(10)可得

9.50 (m)

11.62 (m)

因此可确定准朔铁路避雷线距离地面的最低架设高度：

h=max{hF,hT}=11.62 m

2.3 接触网架设避雷线前后耐雷水平比较

在准朔铁路开通运营后，如果按照上述计算的最优高度架设避雷线，一方面可以对接触网各类线索起到屏蔽作用，减少雷电直击接触网导线的概率；另一方面当雷电击中接触网支柱顶部时由于避雷线及其引下线的分流作用可以降低雷电流产生的反击过电压；同时由于避雷线与接触网导线的耦合作用，可以降低接触网上产生的感应过电压。所以合理的架设避雷线在很大程度上避免雷电直击接触网导线的同时，也可以大幅度提高接触网的耐雷水平。

参照文献[2]在架设避雷线情况下，雷击接触网附近地面时在接触网上形成的感应过电压为：

(11)

其中k为避雷线与接触网导线之间的耦合系数，取其值为0.2。

由式(11)可求得该情况下接触网的耐雷水平为：

在架设避雷线情况下，雷击接触网支柱顶部时，接触网绝缘子两端承受的过电压仍为感应过电压与反击过电压之和，考虑避雷线的分流作用及与导线之间的耦合关系，此时的过电压值：

(12)

其中β为避雷线的分流系数，取其值为0.9。

由式(12)可求得该情况下接触网的耐雷水平为：

(1-0.2)]=30.49 (kA)

对于雷电直击接触网导线的情况，加装避雷线可以减少雷电直击接触网导线的概率，但此情况下对于提高接触网耐雷水平并无作用，故此部分不做讨论。

表2 准朔铁路接触网架设避雷线前后耐雷能力水平对比

3 结束语

通过上述计算分析可见，无避雷线时接触网耐雷水平不高，在雷击接触网附近地面、雷击接触网支柱顶部或是雷直击接触网导线情况下，均有可能造成接触网绝缘子的闪络，而直击雷造成接触网绝缘子闪络的概率最大，约为90.04%。为减少接触网雷击造成的绝缘子闪络故障，我们一方面可以降低接触网支柱的冲击接地电阻，另一方面对受雷电活动影响严重区段的接触网绝缘子可以更换为冲击闪络电压更高的绝缘加强型绝缘子。

基于准朔线接触网的结构和参数，计算出了在准朔铁路单线区段避雷线距离地面的架设高度取11.62 m的建议值。在后续设备运营管理实践中具体采取单独架设避雷线或是将架空地线、PW线提升位置兼作避雷线何种方案应根据防雷需要及设备改造、维护成本综合考虑。