1、3：電氣化鐵道牽引網(wǎng)的防雷保護(hù)11:研究背景與動(dòng)機(jī)近年來(lái)我國(guó)高速、重載電氣化鐵路取得了迅猛發(fā)展，成渝、鄭西等客運(yùn)專線相繼完工，至2012年我國(guó)將建成客運(yùn)專線42條，總里程達(dá)到13萬(wàn)公里，屆時(shí)全國(guó)高速鐵路將形成“四縱四橫”的格局。牽引網(wǎng)作為電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)中的重要組成部分，其工作狀況直接關(guān)系到電氣化鐵路的安全與穩(wěn)定。我國(guó)電氣化鐵道分布廣闊，途徑地區(qū)的氣象條件差異較大，而且牽引網(wǎng)又是裸露于自然環(huán)境中沒(méi)有備份，易受到自然環(huán)境特別是雷電的影響，所以需要采用必要的大氣過(guò)電壓防護(hù)措施。如果缺少防護(hù)措施或措施不當(dāng)則可能引起絕緣子閃絡(luò)、造成線路的燒損、跳閘、直接影響電氣化鐵路的運(yùn)營(yíng)；同時(shí)雷擊產(chǎn)生的過(guò)電壓

2、將通過(guò)牽引網(wǎng)侵入到牽引變電所，從而引起所內(nèi)電氣設(shè)備的損壞，造成更大事故的發(fā)生，所以關(guān)于牽引網(wǎng)防雷保護(hù)的研究是我們亟待要解決的課題之一。目前關(guān)于牽引網(wǎng)的防雷措施主要有：安裝避雷器、配備自動(dòng)重合閘、架設(shè)避雷線、線路分段、重點(diǎn)防護(hù)等措施，其中以安裝避雷器最為常用；但是對(duì)于避雷器的設(shè)置數(shù)量與各項(xiàng)防護(hù)措施的防護(hù)效果并沒(méi)有進(jìn)行深入的研究分析，并且對(duì)于ATW電方式下懸掛導(dǎo)線的雷擊分析也較為缺乏。因此針對(duì)些問(wèn)題，通過(guò)模擬雷擊牽引網(wǎng)的方式來(lái)對(duì)避雷器的防護(hù)效果與A餓電方式下懸掛導(dǎo)線的耐雷水平展開(kāi)分析。12研究現(xiàn)狀與實(shí)現(xiàn)途徑121研究現(xiàn)狀由于牽引網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)中的一部分，而針對(duì)這一部分開(kāi)展研究往往受多方面因素的影

3、響，加之得當(dāng)?shù)姆览状胧┯峙c當(dāng)?shù)氐牡乩砻婷病庀蟓h(huán)境有關(guān)，所以關(guān)于牽引網(wǎng)的防雷研究工作是一項(xiàng)復(fù)雜工程。目前國(guó)內(nèi)外工程人員與研究學(xué)者根據(jù)本國(guó)情況衡量各種因素，建立了適用于本國(guó)國(guó)情的牽引網(wǎng)防雷規(guī)范和研究方法。根據(jù)我國(guó)鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范TBl000998中的規(guī)定，針對(duì)牽引網(wǎng)的大氣過(guò)電壓保護(hù)原則有：“(1)吸流變壓器的原邊應(yīng)設(shè)避雷裝置。(2)重雷區(qū)及超重雷區(qū)，下列重點(diǎn)位置應(yīng)設(shè)避雷裝置：分相和站場(chǎng)端部的絕緣錨段關(guān)節(jié)：長(zhǎng)度2000mft以上隧道的兩端；供電線或A嚷連接到接觸網(wǎng)上的接線處”。但這一規(guī)范只是針對(duì)牽引網(wǎng)設(shè)計(jì)人員做出的基本要求，而面對(duì)具體工程實(shí)踐上我國(guó)研究學(xué)者又提出了各自的見(jiàn)解，提出了以平均雷

4、暴日60天為界限，低于界限的地區(qū)可以維持現(xiàn)有防雷措施，而高于界限的地區(qū)主要通過(guò)建設(shè)避雷線、降低接地電阻、加大空氣間隙，以及增設(shè)避雷器的措施。文獻(xiàn)4】介紹了城市軌道交通中架空接觸線主要以防護(hù)感應(yīng)過(guò)電壓為主，提出了全線架設(shè)避雷線與設(shè)置線載避雷器防護(hù)原則。文獻(xiàn)5】則針對(duì)津?yàn)I城軌在接觸網(wǎng)防雷保護(hù)的設(shè)計(jì)中提出了改善絕緣配合的建議與通過(guò)設(shè)置地軌電位均衡器來(lái)限制過(guò)電壓的方式。目前在歐洲電氣化鐵道中，主要采用避雷器作為限制雷電過(guò)電壓裝胃；但同時(shí)也認(rèn)為避雷器的保護(hù)能力有限，一般設(shè)置于有頻繁雷電的區(qū)域；而日本的電氣化鐵道則是根據(jù)雷擊頻率度及線路重要程度，將國(guó)土的防雷等級(jí)劃分為AB、C區(qū)域并規(guī)定相應(yīng)的防雷措施：A級(jí)

5、區(qū)的雷害嚴(yán)重且線路重要，需全線架設(shè)避雷線并在牽引變電所出口、接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)、電纜接頭等處設(shè)黃避雷器；B級(jí)區(qū)雷害比較嚴(yán)重且線路重要，只是在部分區(qū)段架設(shè)避雷線，避雷器的設(shè)置點(diǎn)與A級(jí)相同；C級(jí)區(qū)一般在牽引變電所出口、接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)、電纜接頭或連接處設(shè)置避雷器。文獻(xiàn)7提出了一種基于有限差分的分析方法并以瑞士電氣化鐵路作為研究對(duì)象，分析了有損大地對(duì)雷擊牽引網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)【8】則是通過(guò)電磁暫態(tài)程序?qū)Φ罔F牽引供電系統(tǒng)中避雷器安置點(diǎn)的選擇與抑制接觸線上的雷擊過(guò)電壓效果進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)9利用電磁暫態(tài)程序仿真了香港電氣化鐵路直流牽引供電系統(tǒng)遭受雷擊的暫態(tài)過(guò)程，表明了雷擊架空接觸線時(shí)，沿線鋪設(shè)的供電電纜的耐雷水

6、平相對(duì)薄弱。1 22研究實(shí)現(xiàn)途徑在對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，本文主要從雷擊牽引網(wǎng)的暫態(tài)分析與牽引網(wǎng)懸掛導(dǎo)線的雷電屏蔽性能，兩個(gè)角度出發(fā)開(kāi)展有關(guān)牽引網(wǎng)防雷保護(hù)的研究。首先，通過(guò)電磁暫態(tài)程序來(lái)模擬雷擊牽引網(wǎng)的暫態(tài)過(guò)程，由于牽引網(wǎng)與高壓輸電線路都是供電線路，具有一定的相似性，因此本文借鑒利用電磁暫態(tài)程序?qū)Ω邏狠旊娋€路進(jìn)行雷擊仿真的分析方式，通過(guò)結(jié)合我國(guó)電氣化鐵道牽引網(wǎng)的自身特點(diǎn)來(lái)對(duì)雷擊牽引網(wǎng)的暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真分析；其次，通過(guò)電氣幾何模型法來(lái)對(duì)牽引網(wǎng)懸掛導(dǎo)線的雷電屏蔽性能進(jìn)行初步探索，討論各懸掛導(dǎo)線間的屏蔽效果。1.3 雷電與雷擊過(guò)電壓分析1.3.1 雷的形成與發(fā)展雷(Lightning)是帶電云層的

7、放電現(xiàn)象，而關(guān)于雷云的形成至今還沒(méi)有令人滿意的解釋，一般較為普遍的說(shuō)法【舊】是說(shuō)在空氣的上方有潮冷空氣，而下方是暖濕空氣時(shí)，暖濕空氣受其密度較低則會(huì)上升，遇到上方的潮冷空氣就會(huì)形成冰晶。冰晶在氣流中碰撞、分裂導(dǎo)致較輕的部分帶負(fù)電荷并形成雷云；而較重的部分帶正電荷并凝聚成水滴下降，或懸浮在空氣中形成局部帶正電的云區(qū)。整塊雷云可以存在若干個(gè)電荷中心，負(fù)電荷位于雷云的下部，離地大約500至10000m隨著雷云的發(fā)展和運(yùn)動(dòng)，雷云中的電荷得到不斷的積累，其所建立的電場(chǎng)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，一旦其超過(guò)大氣游離放電的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)發(fā)生云間或?qū)Υ蟮氐幕鸹ǚ烹姡瑥亩纬砷W電。一般雷電的放電過(guò)程可以分成四的階段，下

8、面以下行負(fù)閃電進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明：(1) 、先導(dǎo)放電云層中的負(fù)電荷逐漸積聚，同時(shí)在附近地面上感應(yīng)出正電荷。當(dāng)雷雨云與大地之間局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)大氣游離臨界場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，就開(kāi)始有局部放電通道自雷云邊緣向大地發(fā)展。(2) 、迎面先導(dǎo)由于先導(dǎo)通道的形成使得雷云中的負(fù)電荷向地面延伸，而地上的感應(yīng)電荷也逐漸增強(qiáng)，由于局部電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，地面的突起處出現(xiàn)J下電荷的先導(dǎo)放電伸向天空。(3) 、等離子體通道當(dāng)先導(dǎo)通道與迎面先導(dǎo)相遇時(shí)，就在通道端部產(chǎn)生高密度的等離子區(qū)，此區(qū)域自下而上迅速傳播，形成等離子體通道。(4) 、主放電過(guò)程在高導(dǎo)電率的等離子通道中，雷云中的負(fù)電荷與大地中的J下電荷迅速中和，形成主放電過(guò)程。上述雷電放電

9、過(guò)程屬于云對(duì)地放電，另外還有云中放電、云對(duì)云放電、云對(duì)空氣放電三種形式。由于運(yùn)對(duì)地放電所帶來(lái)的危害最為嚴(yán)重，因此這種放電形式成為研究的重點(diǎn)。通過(guò)對(duì)雷電的觀測(cè)表明，先導(dǎo)并不是一次貫通全部空間，而是間歇性的脈沖發(fā)展過(guò)程，稱為分級(jí)先導(dǎo)。每次間歇時(shí)間大約為幾十微秒，一次閃電往往包含多次先導(dǎo)一主放電過(guò)程。其中第一次放電的電流幅值最高，而第二次及以后的放電電流其幅值都比較低，但由于增加了雷電放電的總持續(xù)時(shí)間，因此會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)不利影響。1.4 牽引網(wǎng)的供電方式與結(jié)構(gòu)牽引供電系統(tǒng)是在電氣化鐵道中為電力機(jī)車或動(dòng)車組提供電能的系統(tǒng)設(shè)施，主要是由外部電源、牽引變電所、牽引網(wǎng)和電力機(jī)車等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2-

10、6所示，其各自功能本文就不展開(kāi)介紹了，而主要對(duì)牽引網(wǎng)進(jìn)行著重介紹。外部電源牽引網(wǎng)是由饋電線、接觸線、承力索、鋼軌、回流線等組成，這些部分共同組成牽引供電回路。接觸線(Catenary)對(duì)地標(biāo)稱電壓25kV懸掛在鐵道中心線上方，并與軌道的頂部保持6mfc右的恒定高度，是電力機(jī)車或動(dòng)車組在運(yùn)動(dòng)中獲取電流的專用單相供電線路。饋電線(Feeder)是從牽引變電所27.5kV母線連接到接觸網(wǎng)的專用導(dǎo)線，而在ATft電方式下，正饋線一直伴隨接觸網(wǎng)延伸到整個(gè)供電臂。回流線(ReturnWire)是將軌道和地中的牽引回流引入牽引變電所接地極的連接導(dǎo)線，在帶有回流線的直供方式中，設(shè)置一條與鋼軌并聯(lián)的架空回流線，

11、每隔一定距離用吸上線將鋼軌與架空回流線相連接；而在ATK電方式中，回流線采用鋼纜將鋼軌與AT所內(nèi)的自耦變壓器的中間抽頭相連接。目前國(guó)內(nèi)高速鐵路應(yīng)用最為廣泛的供電方式是帶有回流線的直ATW電方式在人飲電方式下?tīng)恳W(wǎng)的結(jié)構(gòu)一般分為單線、復(fù)線和全并聯(lián)三種方式：?jiǎn)尉€方式是指單一行區(qū)只有饋線、接觸線、保護(hù)線、鋼軌；復(fù)線方式是將上下行區(qū)段上全部導(dǎo)線與鋼軌在供電臂末端相連，而全并聯(lián)方式則是將上下行ATW電系統(tǒng)在牽引變電所、AT、分區(qū)所通過(guò)橫連接線全部相連接。對(duì)于ATW電方式的優(yōu)點(diǎn)主要有：1.正饋線與接觸網(wǎng)架設(shè)在同一支柱上，相對(duì)距離較小，兩者的電流大小相等方向相反，對(duì)臨近通信線路的電磁干擾大為減少。2接觸網(wǎng)、

12、正饋線中的電流均為牽引電流一般，與其它供電方式相比，線路上的電壓絳、可以減少一半，所以人飲電方式的供電臂長(zhǎng)度比其他供電方式增加一倍，達(dá)到50kmi60km%3.由于A餓電方式減少了接觸網(wǎng)的電流,也就減少了電弧燒傷接觸網(wǎng)和受電弓滑板等問(wèn)題，所以ATK電方式適宜與高速鐵路和重載鐵路的大負(fù)載電流運(yùn)行。雙線方式下的牽引網(wǎng)會(huì)在田野側(cè)、正饋線的下方并聯(lián)一條保護(hù)線(PW線)，在正常運(yùn)行情況下，保護(hù)線(PW)中不流過(guò)牽引電流，PW線的主要作用是避免接觸網(wǎng)支柱的接地部分直接與軌道相連，以減小對(duì)軌道電路的干擾。由于PWI與鋼軌并聯(lián)，能夠減少牽引網(wǎng)阻抗，這也為故障電流提供便利通道。為了降低軌道對(duì)地電位，在自耦變壓器

13、之間的中部增設(shè)一條輔助連接線(CPWH),它將保護(hù)線鋼軌相連接，從而實(shí)現(xiàn)鋼軌電位的降低。需要進(jìn)行以下幾點(diǎn)假設(shè)與簡(jiǎn)化：(1) 、在雷擊牽引網(wǎng)時(shí)，牽引網(wǎng)上的工作電壓予以忽略并不考慮牽引網(wǎng)的工作狀況，這樣雷電波在饋線或承力索上的波動(dòng)方向是相同的。若要考慮工作電壓對(duì)絕緣子閃絡(luò)的影響，則可在模型電路上疊加交流分量。(2) 、由于沒(méi)有考慮牽引網(wǎng)的工作運(yùn)行則鋼軌上不存在牽引回流，所以不能將鋼軌視為一條導(dǎo)線；而又由于在雷擊牽引網(wǎng)時(shí)對(duì)鋼軌的影響較小【7】，所以在對(duì)雷擊牽引網(wǎng)建模時(shí)將鋼軌忽略。(3) 、在雷擊牽引網(wǎng)建模時(shí)不涉及除牽引網(wǎng)以外的其它牽引供電系統(tǒng)的設(shè)備以及牽引供電系統(tǒng)的綜合接地系統(tǒng)。(4) 、將保護(hù)線視

14、為架空地線或耦合地線，并采用集中接地方式，設(shè)定每隔2km£右設(shè)置一處接地。(5) 、承力索與接觸線在空間位置與波阻抗上存在差別，所以將其視為兩根獨(dú)立的導(dǎo)線，但是兩者電位相同，中間又有吊弦相連，所以將其看為并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2雷擊牽引網(wǎng)懸掛系統(tǒng)由于饋線的高度較其它導(dǎo)線較高，易遭受雷擊，所以將著重對(duì)其進(jìn)行分析。當(dāng)雷電流幅值為lkA時(shí)，在雷擊點(diǎn)處饋線、接觸線、保護(hù)線上的絕緣子均未發(fā)生閃絡(luò)，各支柱上絕緣子端電壓變化比較平緩，但由于雷擊點(diǎn)距左側(cè)距接地點(diǎn)較近，所以左側(cè)保護(hù)線上絕緣子的端電壓下降的要快些。如圖322所示，圖中橫坐標(biāo)為支柱編號(hào)、縱坐標(biāo)為電壓幅值(以下折線圖均以此設(shè)定)；當(dāng)雷電流幅值為2

15、kA時(shí)，保護(hù)線上的絕緣子發(fā)牛閃絡(luò)，而饋線與接觸線的絕緣均未發(fā)生閃絡(luò)。由于保護(hù)線在雷擊點(diǎn)處的絕緣子發(fā)牛閃絡(luò)使得饋線與接觸線的絕緣子端電壓降低，如圖323所示。雷擊安裝有避雷器的牽引網(wǎng)分析由于避雷器防護(hù)效果與很多因素有關(guān)所以本文將忽略一些因素著重對(duì)限制雷擊過(guò)電壓的方面進(jìn)行研究。目前在A餓電方式下安置在牽引網(wǎng)支柱上的避雷器一般有兩組，一組是防護(hù)承力索的，另一組是防護(hù)饋線的，圖4-I為武廣線上的避雷器安置圖。本文在仿真模型中也采用相同設(shè)置方式，如附錄二所示。雷擊鄰近兩避雷器之間由于支柱相對(duì)于懸掛導(dǎo)線較為突起，更易遭受雷擊侵害，所以首先對(duì)雷擊支柱的情況進(jìn)行分析。為了考察避雷器設(shè)置數(shù)量與防雷效果的關(guān)系，本

16、文對(duì)未裝有避雷器的牽引網(wǎng)與每隔一公里、二公里、三公里安裝有避雷器的牽引網(wǎng)。通過(guò)觀測(cè)距雷擊點(diǎn)600mrt,每隔50做接觸線與饋線上的絕緣于端電壓峰值，來(lái)評(píng)估避雷器的防護(hù)效果。為了準(zhǔn)確評(píng)估避雷器的防雷效果，本文將對(duì)保護(hù)線、沖擊接地電阻等因素的影響進(jìn)行忽略。考慮到較為嚴(yán)重的情況，本文選用幅值為60kA的標(biāo)準(zhǔn)雷電流，在此幅值下足以引起雷擊點(diǎn)處的絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。(l)、在雷擊點(diǎn)附近饋線上絕緣子端電壓要高于接觸線上絕緣子的端電壓。這主要是由于饋線的絕緣水平要高于接觸線的，所以能承受較高過(guò)電壓才發(fā)生閃絡(luò)。(2)、不論采用哪種設(shè)置避雷器的方式，在距雷擊點(diǎn)200mrt絕緣子端電壓的變化幅度基本一致，造成雷擊點(diǎn)附

17、近的絕緣子的閃絡(luò)情況也基本相同。這主要是由于雷擊點(diǎn)與避雷器之間具有一定距離，而過(guò)電壓傳播需要一定的時(shí)間才能使得避雷器發(fā)生動(dòng)作。(3)、對(duì)于設(shè)置有避雷器的支柱，其接觸線與饋線上絕緣子的端電壓迅速下降。這是由于避雷器的分流作用使得導(dǎo)線上的過(guò)電壓迅速下降，降低了導(dǎo)線上絕緣予的端電壓。2雷擊帶有避雷器的支柱避雷器在對(duì)雷擊懸掛導(dǎo)線上的防護(hù)效果僅限于自身安裝有避雷器的牽引網(wǎng)支柱，而對(duì)鄰近支柱的防護(hù)效果較小，因此對(duì)帶有避雷器的牽引網(wǎng)進(jìn)行耐雷水平的評(píng)估上還應(yīng)考慮雷擊點(diǎn)鄰近支柱的耐雷。綜合雷擊支柱與雷擊懸掛導(dǎo)線的分析結(jié)果，表明了避雷器在防護(hù)雷擊過(guò)電壓上具較大的局限性，防護(hù)范圍僅限于安裝有避雷器的支柱而對(duì)鄰近支柱

18、幾乎沒(méi)有防護(hù)效果，所以安裝避雷器只能算是牽引網(wǎng)防雷保護(hù)的補(bǔ)充手段，而其防護(hù)效果在很大程度上還要取決于支柱的沖擊接地電阻、避雷器的通流容量等因素，因此有關(guān)避雷器防護(hù)效果的研究有待深入研究。2. 改善牽引網(wǎng)耐雷水平的措施(1) 、降低接地電阻在前文模型中對(duì)于沖擊接地電阻模塊的參數(shù)設(shè)定為低頻低幅值電阻時(shí)lOf2,土壤電阻率p為400.m；而在現(xiàn)實(shí)電氣化鐵道中，所穿越的地理環(huán)境十分復(fù)雜，土壤電阻率各不相同，為便于探討有關(guān)沖擊接地電阻對(duì)牽引網(wǎng)耐雷水平的影響，本文模擬雷擊支柱頂部時(shí)，不同阻值的接地電阻尺對(duì)牽引網(wǎng)耐雷水平的影響。本文采用標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形對(duì)無(wú)架設(shè)避雷器的牽引網(wǎng)進(jìn)行沖擊，接地電阻的變化范圍在105

19、0f2之間。圖41l為有保護(hù)線時(shí)雷擊支柱頂部，接地電阻與牽引網(wǎng)耐雷水平的關(guān)系。(2) 、加強(qiáng)線路的絕緣性加強(qiáng)牽引網(wǎng)線路的絕緣性是提高牽引網(wǎng)耐雷水平又一項(xiàng)措施，在模型中所設(shè)定的接觸線絕緣子是按照國(guó)標(biāo)中以盹沖擊放電電壓為270kV的絕緣子所設(shè)定的，若采用加強(qiáng)型絕緣子即以沖擊放電電壓為310kV的絕緣子來(lái)更換原有絕緣子，則會(huì)提高牽引網(wǎng)的耐雷水平，對(duì)此本文進(jìn)行模擬仿真，將原來(lái)接觸線上絕緣子的參數(shù)更改為加強(qiáng)型絕緣子的參數(shù)，通過(guò)考察雷擊支柱與雷擊接觸線兩種情況下?tīng)恳W(wǎng)耐雷水平的變化，來(lái)說(shuō)明加強(qiáng)牽引網(wǎng)線路的絕緣性對(duì)提高牽引網(wǎng)耐雷水平的作用。表4 3為改變接觸線絕緣子參數(shù)前后牽引網(wǎng)耐雷水平的變化。結(jié)論(1) 通過(guò)分別對(duì)牽引網(wǎng)懸掛導(dǎo)線、牽引網(wǎng)支柱、絕緣子、沖擊接地電阻、避雷器等