高速鐵路接觸網(wǎng)避雷線高度設(shè)計(jì)方法研究

曹曉斌，田明明，李瑞芳，高 保

(1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川 成都 610031；2.廣東電網(wǎng)公司 惠州供電局，廣東 惠州 516001；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

接觸網(wǎng)是高速列車取電的唯一途徑，接觸網(wǎng)遭受雷擊后將導(dǎo)致列車供電中斷，嚴(yán)重情況下危害列車運(yùn)行安全。我國高速鐵路牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)大部分全線未設(shè)置避雷線，僅僅在關(guān)鍵部位設(shè)置避雷器來防止過電壓[1-2]。文獻(xiàn)[3-5]對我國高速鐵路雷電防護(hù)體系進(jìn)行分析和研究，并且提出參考電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)架設(shè)專用避雷線，或升高 PW線回流線兼做避雷線的防雷方案，可以有效提高接觸網(wǎng)雷電防護(hù)性能。文獻(xiàn)[6-7]也對高速鐵路接觸網(wǎng)雷擊跳閘率的計(jì)算方法進(jìn)行了分析和研究。

隨著我國高速鐵路的發(fā)展，接觸網(wǎng)防雷也逐漸引起了注意，一些地區(qū)為了降低雷擊跳閘率，在接觸網(wǎng)上增設(shè)了專用避雷線。避雷線高度關(guān)系到接觸網(wǎng)雷電防護(hù)性能，因此在接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)中避雷線架設(shè)高度也是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，有必要展開進(jìn)一步研究。 高速鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比輸電線路而言其導(dǎo)線結(jié)構(gòu)及排列方式更為復(fù)雜，特別是對于復(fù)雜站場，因此在計(jì)算避雷線的屏蔽范圍時(shí)工作量較大。 滾球法作為國際電工委員會(IEC)推薦接閃器保護(hù)范圍計(jì)算方法，具有計(jì)算過程簡單、計(jì)算工作量小、計(jì)算結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)。

本文結(jié)合高速鐵路接觸網(wǎng)自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)有的一些避雷線屏蔽計(jì)算方法，提出一種適合工程推廣應(yīng)用的避雷線高度設(shè)計(jì)方法。以單、復(fù)線鐵路接觸網(wǎng)為例，推導(dǎo)了避雷線高度的計(jì)算公式，并對接觸網(wǎng)耦合系數(shù)和雷擊跳閘率進(jìn)行分析；對滾球半徑的影響進(jìn)行分析，推薦選用適合不同地區(qū)的滾球半徑，為避雷線架設(shè)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 避雷線屏蔽性能計(jì)算方法

1.1 電氣幾何模型

20世紀(jì)60年代，文獻(xiàn)[8-14]建立了雷電屏蔽性能分析的電氣幾何模型(Electro-geometric Model, EGM)，廣泛應(yīng)用于防雷計(jì)算中。以接觸網(wǎng)EGM模型為例，圖1為復(fù)線鐵路情況下接觸網(wǎng)EGM模型，圖中R表示擊距，下標(biāo)g、F、T、b分別對應(yīng)大地、饋線、接觸線、避雷線的擊距。通過調(diào)整避雷線高度可以保證接觸網(wǎng)各導(dǎo)線被有效屏蔽，利用EGM模型可以有效分析圖中避雷線的屏蔽情況。

圖1 復(fù)線情況下接觸網(wǎng)EGM模型

1.2 滾球法

滾球法基于EGM模型并在其基礎(chǔ)上變化而來，它是IEC推薦的計(jì)算接閃器保護(hù)范圍的一種方法，我國相關(guān)規(guī)程中也把它作為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法[15-18]。滾球法的應(yīng)用如圖2所示，圖中灰色部分為被避雷線屏蔽部分。利用滾球法可以計(jì)算得到接閃器的防雷效果，計(jì)算過程簡單，應(yīng)用便捷。

圖2 滾球法應(yīng)用

根據(jù)滾球法的計(jì)算方法，如圖2所示，球體半徑為R，避雷線架設(shè)高度為hx，則其保護(hù)半徑bx為

( 1 )

1.3 滾球法與電氣幾何模型對比

滾球法在EGM模型基礎(chǔ)上演化而來，像鐵路這種周邊情況復(fù)雜，如鐵路兩邊分布有橋梁、山坡以及多條鐵路并行復(fù)線鐵路等復(fù)雜情況，可以有效推廣。EGM應(yīng)用過程中，首先要確定擊距、暴露寬度等參數(shù)，應(yīng)用過程復(fù)雜。滾球法的應(yīng)用過程是以某一確定半徑的球體，沿著布置有避雷線的鐵路接觸網(wǎng)兩端滾動，球體無法觸及的地方就是避雷線的保護(hù)范圍，其應(yīng)用過程如圖3所示。

圖3 復(fù)雜情況下滾球法應(yīng)用

2 滾球法計(jì)算避雷線設(shè)計(jì)高度

2.1 計(jì)算參數(shù)

通過上面介紹可知，滾球法不僅可以分析避雷線防雷效果，也可以用來計(jì)算避雷線最佳防護(hù)高度。高速鐵路主要以AT供電方式為主，因此以AT供電方式下單線和復(fù)線鐵路為例，通過滾球法分析避雷線的架設(shè)高度。圖4為高速鐵路接觸網(wǎng)單線情況下幾何參數(shù)示意圖，圖中接觸網(wǎng)導(dǎo)線包括T線、F線、PW線。復(fù)線鐵路計(jì)算中軌道中心間距按照常規(guī)設(shè)定為6 m。雷擊接觸網(wǎng)主要通過直擊F線以及T線對接觸網(wǎng)造成危害，因此需要選擇一個(gè)合適的高度架設(shè)避雷線，來分析避雷線的屏蔽效果。

圖4 接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位：m)

2.2 避雷線高度的計(jì)算

(1)單線鐵路避雷線高度計(jì)算

在單線接觸網(wǎng)情況下，當(dāng)球體(圖5中的O1、O2)只觸及到大地和被保護(hù)的導(dǎo)線(接觸線、饋線)時(shí)，經(jīng)過支柱中心線方向與球體的交點(diǎn)(圖5中的C、D)得到避雷線最低架設(shè)高度。當(dāng)需要同時(shí)保護(hù)接觸線T、饋線F時(shí)，計(jì)算中取兩個(gè)高度中較大值作為避雷線的最后架設(shè)高度，這樣饋線F和接觸線T均在避雷線的保護(hù)范圍內(nèi)。

圖5 單線鐵路接觸網(wǎng)避雷線高度計(jì)算

( 2 )

同理當(dāng)以保護(hù)饋線設(shè)計(jì)避雷線高度時(shí)可以得到

( 3 )

式中：R為滾球球體半徑；hF為饋線F線到地面的垂直高度；hT為接觸線T線到地面的垂直高度；b為接觸線水平支架的長度；a為饋線水平支架的長度。避雷線設(shè)計(jì)高度以h1、h2中較大值作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

(2)復(fù)線鐵路避雷線高度計(jì)算

復(fù)線情況滾球法的計(jì)算過程如圖6所示。利用滾球(圖6中O1、O2、O3)沿著被保護(hù)的導(dǎo)線滾動，確定避雷線的安裝高度(圖6中C1、C2)和保護(hù)范圍。通過分析發(fā)現(xiàn)，如果按照第一類滾球半徑30 m計(jì)算，此時(shí)接觸線已在保護(hù)范圍內(nèi)，因此復(fù)線接觸網(wǎng)只需考慮對饋線F線的保護(hù)。

圖6 復(fù)線鐵路接觸網(wǎng)避雷線高度計(jì)算

同理，通過計(jì)算可以得到復(fù)線情況下避雷線的設(shè)計(jì)高度為

( 4 )

2.3 避雷線高度與滾球半徑關(guān)系

通過前面分析得到了避雷線設(shè)計(jì)高度的計(jì)算方法，將滾球半徑和接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)帶入到計(jì)算公式中可以得到避雷線設(shè)計(jì)高度，避雷線高度與滾球半徑關(guān)系如圖7所示。

圖7 避雷線高度與滾球半徑的關(guān)系

單線鐵路需要考慮避雷線對饋線和接觸線的保護(hù)，避雷線高度選取二者中較大者作為最終的安裝高度(圖7中hF、hT)，而復(fù)線情況則僅需考慮對饋線的保護(hù)(圖7中hF)。從圖7可以看出，滾球半徑與避雷線的高度成反比。進(jìn)一步計(jì)算可以知道，當(dāng)R<37 m時(shí)，避雷線主要考慮對接觸線進(jìn)行保護(hù)， 當(dāng)R>37 m時(shí)，避雷線主要考慮對饋線進(jìn)行保護(hù)，R=37 m時(shí)，兩種方式計(jì)算結(jié)果相同。下面將進(jìn)一步分析避雷線高度與防雷性能關(guān)系，從而最終選取推薦合適的滾球半徑。

3 避雷線高度對接觸網(wǎng)雷電防護(hù)性能影響

3.1 避雷線高度對接觸網(wǎng)耦合性能的影響

在防雷計(jì)算過程中，耦合系數(shù)是一個(gè)重要參數(shù)，本節(jié)將討論避雷線高度對耦合系數(shù)影響及其計(jì)算方法。雷擊避雷線后雷電流分布如圖8所示，采用麥克斯韋方程組求解耦合系數(shù)。由于接觸網(wǎng)導(dǎo)線的排列方式不同于電力系統(tǒng)輸電線路各導(dǎo)線的排列方式，因此其導(dǎo)線耦合系數(shù)的計(jì)算不能直接采用電力系統(tǒng)耦合系數(shù)計(jì)算公式。公式中a，b，c，d分別對應(yīng)避雷線、饋線、接觸線、PW線。

圖8 雷擊避雷線電流分布

( 5 )

Uk、Ik(k=a，b，c，d)分別表示對應(yīng)導(dǎo)線的電壓及電流；Zkk、Zkn(k、n=a，b，c，d)分別表示對應(yīng)導(dǎo)線的自波阻抗和互波阻抗，其計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[19]。

由圖8可知，饋線和接觸線通過絕緣子與地絕緣，因此Ib=Ic=0。本文計(jì)算中不考慮支柱壓降，認(rèn)為Ua=Ud。計(jì)算得到饋線、接觸線耦合系數(shù)kb、kc為

( 6 )

( 7 )

分別帶入?yún)?shù)計(jì)算T線以及F線的耦合系數(shù)，隨著避雷線架設(shè)高度的變化其耦合系數(shù)的結(jié)果如圖9所示。

圖9 避雷線高度與耦合系數(shù)關(guān)系

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，饋線F耦合系數(shù)大于接觸線T的耦合系數(shù)。從圖8可以看出，饋線F距離上更接近避雷線，因此它們之間的耦合性能更好，與計(jì)算結(jié)果吻合。根據(jù)所給的參數(shù)得到饋線的耦合系數(shù)為0.45左右，接觸線的耦合系數(shù)為0.31左右，并且饋線和接觸線耦合系數(shù)均隨著避雷線高度的增加而逐漸減小，饋線耦合系數(shù)計(jì)算結(jié)果受避雷線高度的影響更明顯。

3.2 避雷線架設(shè)高度對雷擊跳閘率的影響

當(dāng)避雷線架設(shè)高度發(fā)生變化時(shí)，接觸網(wǎng)屏蔽性能各方面會受到影響，其雷擊跳閘率也會發(fā)生變化，本節(jié)計(jì)算雷擊跳閘率的變化。計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[4,6]中跳閘率計(jì)算方法。計(jì)算結(jié)果見表1、表2。

表1 單線鐵路雷擊跳閘率

表2 復(fù)線鐵路雷擊跳閘率

表1、表2計(jì)算了單、復(fù)線鐵路雷擊跳閘率隨避雷線高度變化情況，計(jì)算過程未考慮感應(yīng)雷擊跳閘率的影響。從計(jì)算結(jié)果可以看出，復(fù)線鐵路接觸線T線雷擊跳閘率為0，主要是因?yàn)閺?fù)線鐵路接觸線T線所對應(yīng)的繞擊區(qū)間被屏蔽，因此復(fù)線鐵路架設(shè)避雷線設(shè)計(jì)過程中無需考慮接觸線影響，此計(jì)算結(jié)果與滾球法分析相同。復(fù)線鐵路饋線繞擊跳閘率是單線鐵路饋線繞擊跳閘率的2倍。隨著避雷線高度增加，復(fù)線鐵路反擊跳閘率以及總跳閘率均大于單線鐵路。

從表1、表2可以看出，無論是在單線還是復(fù)線區(qū)段，隨著避雷線高度增加，繞擊跳閘率逐漸降低，反擊跳閘率逐漸增加。通過進(jìn)一步分析可知，隨著避雷線高度增加，避雷線引雷范圍越大，其反擊雷擊跳閘率逐漸增加，從而導(dǎo)致總雷擊跳閘率逐漸增加，因此在選擇避雷線高度時(shí)要考慮反擊雷擊跳閘率的影響。避雷線高度選擇要同時(shí)兼顧考慮反擊和繞擊跳閘率，要選擇一個(gè)最優(yōu)的高度，使總雷擊跳閘率最低。

3.3 滾球半徑的選擇

根據(jù)我國防雷相關(guān)規(guī)范將滾球半徑劃分為三類，R1=30 m，R2=45 m，R3=60 m。參考這三類滾球半徑應(yīng)用2.2節(jié)推導(dǎo)計(jì)算公式分別計(jì)算單、復(fù)線鐵路接觸網(wǎng)對應(yīng)的避雷線設(shè)計(jì)高度，其結(jié)果見表3。

表3 避雷線高度計(jì)算結(jié)果 m

根據(jù)設(shè)計(jì)高度并參考3.2節(jié)雷擊跳閘率計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用不同滾球半徑計(jì)算得到的結(jié)果相差較小，因此為了便于推廣，在避雷線高度設(shè)計(jì)過程中可以采用規(guī)程中推薦滾球半徑計(jì)算。一般情況下認(rèn)為雷暴活動越頻繁的地區(qū)，滾球半徑選取越嚴(yán)格，但是通過本文計(jì)算發(fā)現(xiàn)，采用第一類滾球半徑設(shè)計(jì)避雷線高度雷擊跳閘率反而偏高，這主要是由于反擊雷擊跳閘率升高的原因。因此，在雷暴活動不頻繁的地區(qū)，可以考慮適當(dāng)降低避雷線設(shè)計(jì)高度，采用第三類滾球半徑，可以節(jié)約成本；在雷電活動嚴(yán)重的地區(qū)，提升避雷線設(shè)計(jì)高度，建議采用第二類滾球半徑確定避雷線設(shè)計(jì)高度。

4 結(jié)論

結(jié)合高速鐵路接觸網(wǎng)自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)有的避雷線屏蔽計(jì)算方法，提出一種適合工程推廣應(yīng)用的避雷線高度設(shè)計(jì)方法，并得出以下結(jié)論：

(1)基于滾球法確定避雷線高度的設(shè)計(jì)方法，推導(dǎo)了單、復(fù)線鐵路接觸網(wǎng)避雷線高度設(shè)計(jì)的計(jì)算公式，計(jì)算過程簡單便捷，可以有效進(jìn)行推廣。

(2)確定了接觸網(wǎng)耦合系數(shù)的計(jì)算方法，并進(jìn)一步分析耦合系數(shù)和避雷線高度關(guān)系；同時(shí)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，繞擊跳閘率隨著避雷線高度增加而逐漸降低，反擊跳閘率則相反，而總跳閘率隨著避雷線高度增加逐漸降低，到一定程度后反而緩慢增加。

(3)避雷線高度設(shè)計(jì)推薦采用規(guī)程中三類滾球半徑設(shè)計(jì)，在雷暴日不高地區(qū)，推薦采用R3=60 m；而在雷暴日較嚴(yán)重地區(qū)，推薦采用R2=45 m。