高速鐵路高架橋接觸網(wǎng)系統(tǒng)引雷特性研究

我國高速鐵路建設(shè)中多采用高架橋，導(dǎo)致接觸網(wǎng)導(dǎo)線對地高度增加，引雷范圍增大，因此針對我國高速鐵路接觸網(wǎng)引雷特性研究十分必要。 本項目基于分形理論，建立了符合我國高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)實況的雷擊分形模型，實現(xiàn)了接觸網(wǎng)系統(tǒng)雷擊路徑的分形模擬。研究了高速鐵路雷電上行先導(dǎo)的起始條件隨雷電流幅值、高架橋高度等相關(guān)因素的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)高架橋高度為30米，雷電流幅值為190 kA的極限條件情況下，AF線最大表面場強才能達到上行先導(dǎo)起始的臨界條件，因此可認為接觸網(wǎng)系統(tǒng)在雷電先導(dǎo)躍變前不會產(chǎn)生上行先導(dǎo)。 研究了高速鐵路接觸網(wǎng)各導(dǎo)線的雷擊率及高架橋接觸網(wǎng)系統(tǒng)的引雷范圍。發(fā)現(xiàn)AF線均能有效屏蔽T線和PW線，左右AF線的雷擊率以高架橋剖面的中心線為中心呈對稱分布，當(dāng)下行先導(dǎo)水平位置偏離高架橋剖面中心線70m時，該側(cè)的AF線雷擊率達到最大值。AF線和T線工作電壓幾乎不影響引雷范圍。給出了不同雷電流幅值下高架橋的引雷范圍，如 45kA時，隨著高架橋高度從5米增加到30米時，引雷范圍從304增加到436米。 對比研究了平地落雷分布規(guī)律及高架橋?qū)β淅追植加绊?，發(fā)現(xiàn)當(dāng)先導(dǎo)位置不變時，平地的地面落雷分布以先導(dǎo)水平為中心呈正態(tài)分布，當(dāng)高速鐵路高架橋修建后，受高架橋引雷的影響，近地面落雷分布分為完全屏蔽區(qū)、部分屏蔽區(qū)、危險區(qū)以及正常區(qū)；給出了高架橋高度及雷電流幅值對地面落雷分布影響規(guī)律；提出了高架橋接觸網(wǎng)系統(tǒng)附近地面落雷分布估計方法。 建立了雷擊高架橋接觸網(wǎng)系統(tǒng)的三維電場仿真模型，研究了高架橋內(nèi)部鋼筋對接觸網(wǎng)系統(tǒng)雷擊特性的影響，發(fā)現(xiàn)高架橋的鋼筋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會削弱各導(dǎo)線周圍的電場，降低接觸網(wǎng)系統(tǒng)的雷擊率。提出了高架橋接觸網(wǎng)系統(tǒng)電容串聯(lián)分壓等效模型，闡明了高架橋結(jié)構(gòu)鋼筋造成導(dǎo)線感應(yīng)電壓下降，雷擊率減少的機理。 本項目的研究對我國高速鐵路雷電防護奠定了良好的理論基礎(chǔ)，也對普速鐵路、城市軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)雷電防護具有重要的參考價值。 2100433B

雷擊是影響高速鐵路安全運營的主要因素之一，高速鐵路引雷特性的研究對鐵路防雷措施的提出具有重要指導(dǎo)意義。高速鐵路由于大面積采用高架橋結(jié)構(gòu)，使得牽引網(wǎng)對地高度增加，引雷范圍增大，比普速鐵路遭受雷擊概率大得多。高速鐵路對安全性的要求又高于普速鐵路，因此，專門針對高速鐵路高架橋接觸網(wǎng)系統(tǒng)進行引雷特性研究十分必要。. 本項目擬通過優(yōu)化模擬電荷法研究雷電先導(dǎo)作用下的高架橋電荷分布；研究隨著下行先導(dǎo)發(fā)展，高架橋及接觸網(wǎng)周圍感應(yīng)電荷的動態(tài)變化，進而研究雷電通道任一點的場強動態(tài)變化。結(jié)合所計算的動態(tài)場強，計算該空間任一點處先導(dǎo)往臨近點的發(fā)展概率，模擬先導(dǎo)通道的分形發(fā)展過程；研究雷電流幅值、雷電先導(dǎo)位置、高架橋參數(shù)等變化時雷擊路徑的變化，給出高架橋接觸網(wǎng)系統(tǒng)引雷范圍和落雷密度隨相關(guān)因素的變化規(guī)律。

國內(nèi)高速鐵路投入運行后接觸網(wǎng)經(jīng)受住了各種考驗，供電基本安全可靠，但也暴露出一些問題，特別是雷擊引起的接觸網(wǎng)設(shè)備故障問題非常突出。據(jù)統(tǒng)計，2010—2011年全路因雷擊造成牽引供電系統(tǒng)故障52起，2012年1～7月造成牽引供電系統(tǒng)故障30起；京滬、武廣高鐵開通接觸網(wǎng)遭雷擊530起，接觸網(wǎng)設(shè)備時有損壞，影響了高速鐵路運輸秩序及牽引供電安全。

落雷雷電過電壓及雷電放電分析

雷電過電壓是雷云放電引起架空電力線路的過電壓，可分為直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓2種。直擊雷過電壓是由于雷電放電，強大的雷電流直接流經(jīng)被擊物產(chǎn)生的過電壓，其特點是放電電壓高、放電電流大、放電過程時間短、閃電電流波形波頭陡度大；感應(yīng)雷過電壓是雷擊線路附近大地，由于電磁感應(yīng)在導(dǎo)線上產(chǎn)生的過電壓，其特點是雷電感應(yīng)電壓幅值與雷云對地放電時的電流、線路間相對位置、土壤電阻率、線路長度和高度、設(shè)備接地裝置的電阻等諸多因素有關(guān)。與直擊雷過電壓相比，感應(yīng)雷過電壓的波形較平緩，波長較長。由于雷電現(xiàn)象極為頻繁，產(chǎn)生的雷電過電壓可達數(shù)千千伏，足以使電氣設(shè)備絕緣發(fā)生閃絡(luò)和損壞。

作用于高速鐵路架空接觸網(wǎng)的雷電過電壓絕大部分（約90%）是由帶負電的雷云對地放電引起的，稱為負下行雷。負下行雷包括若干次重復(fù)的放電過程，每次放電可分為先導(dǎo)放電、主放電和余輝放電3個階段。

（1）雷電先導(dǎo)放電階段

因雷云帶有大量電荷，由于靜電感應(yīng)作用，大地感應(yīng)出與雷云相反的電荷，雷云與地面形成一個已充電的電容器，雷云中的電荷分布是不均勻的，當(dāng)雷云中的某個電荷密集中心的電場強度達到空氣擊穿場強時，空氣便開始電離，形成指向大地的一段電離的微弱導(dǎo)電通道，稱為先導(dǎo)放電。開始產(chǎn)生的先導(dǎo)放電是跳躍式向前發(fā)展，平均速度105～106m/s，中心溫度可達3×104K，縱向電位梯度約為100～500kV/m，電暈半徑約為0.6～6m，先導(dǎo)放電常常表現(xiàn)為分枝狀，這是由于放電是沿著空氣電離最強、最容易導(dǎo)電的路徑發(fā)展的。這些分枝狀的先導(dǎo)放電通常只有一條放電分支達到大地，先導(dǎo)放電階段的雷電流很小，約為100A。

（2）雷電主放電階段

當(dāng)先導(dǎo)放電到達大地，或與大地較突出的部分迎面會合以后，就進入主放電階段。主放電過程是逆著負先導(dǎo)的通道由下向上發(fā)展的。在主放電中，雷云與大地之間所聚集的大量電荷，通過先導(dǎo)放電所開辟的狹小電離通道發(fā)生猛烈的電荷中和，放出巨大的光和熱，通道溫度可達15000℃～20000℃，使空氣急劇膨脹震動，發(fā)生霹靂轟鳴，這就是雷電伴隨強烈的閃電和震耳的雷鳴。在主放電階段，雷擊點有巨大的電流流過，大多數(shù)雷電流峰值可達數(shù)十乃至數(shù)百千安，主放電的時間極短，為50～100μs，主放電電流的波頭時間為0.5～10μs，平均時間約為2.5μs。

（3）雷電余輝放電階段

當(dāng)主放電階段結(jié)束后，雷云中的剩余電荷將繼續(xù)沿主放電通道下移，使通道連續(xù)維持著一定余輝，稱為余輝放電階段。余輝放電電流僅數(shù)百安，但持續(xù)的時間可達0.03～0.05s。

雷云中可能存在多個電荷中心，當(dāng)?shù)谝粋€電荷中心完成上述放電過程后，可能引起其它電荷中心向第一個中心放電，并沿著第一次放電通路發(fā)展，因此，雷云放電往往具有重復(fù)性。每次放電間隔時間約為0.6ms～0.8s，即多次重復(fù)放電。據(jù)統(tǒng)計，55%的落雷包含2次以上，重復(fù)3～5次的占25%，平均重復(fù)3次，最高記錄42次。

綜上所述，直擊雷、感應(yīng)雷對接觸網(wǎng)設(shè)備都有影響，雷擊的主放電過程對接觸網(wǎng)設(shè)備破壞極大，余輝放電次之，而先導(dǎo)放電基本上對接觸網(wǎng)設(shè)備的安全運行沒有影響。

落雷高速鐵路接觸網(wǎng)落雷分析

雷電放電受氣象條件、地形和地質(zhì)等許多自然因素影響，帶有很大的隨機性，主要的雷電參數(shù)有雷暴日及雷暴小時、地面落雷密度、主放電通道波阻抗、雷電流極性、雷電流幅值、雷電流等值波形、雷電流陡度等。其中，雷暴日、地面落雷密度是防雷保護設(shè)計最重要的依據(jù)。

（1）雷暴日

表征一個地區(qū)雷電活動的頻繁程度通常以該地區(qū)的雷暴日（T_d）來表示。雷暴日是指該地區(qū)平均一年內(nèi)有雷電放電的平均天數(shù)，單位為d/a。國內(nèi)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（以下簡稱DL/T620-1997標(biāo)準(zhǔn)）中平均年雷暴日數(shù)不超過15d的地區(qū)劃為少雷區(qū)，如西北地區(qū)；平均年雷暴日數(shù)超過15d但不超過40d的地區(qū)劃為中雷區(qū)，如長江流域；平均年雷暴日數(shù)超過40d但不超過90d的地區(qū)劃為多雷區(qū)，如華南大部分地區(qū)；平均年雷暴日數(shù)超過90d的地區(qū)及根據(jù)運行經(jīng)驗雷害特別嚴重的地區(qū)劃為雷電活動特殊強烈區(qū)，如海南島和雷州半島。

（2）地面落雷密度

雷云對地放電的頻繁程度以地面落雷密度（g）來表示，g是指每一雷暴日每平方公里地面遭受雷擊的次數(shù)。DL/T620-1997標(biāo)準(zhǔn)中給出的地面落雷密度和雷暴日的經(jīng)驗關(guān)系式g=0.023T_d^0.3，由此判斷，一年中雷暴日越多的地區(qū)地面落雷密度越大，中雷區(qū)T_d=40，則γ=0.07；重雷區(qū)T_d=90，則γ=0.09。

（3）高速鐵路接觸網(wǎng)的落雷次數(shù)

由于高速鐵路接觸網(wǎng)普遍架設(shè)在空曠田野的橋梁上，一般為該區(qū)域的最高點，存在引雷作用，其吸引范圍與導(dǎo)線高度等因素有關(guān)，每100km線路每年遭受雷擊的次數(shù)N為

式中，b為邊相導(dǎo)線間的距離，m；h為導(dǎo)線的平均高度，m。

由此可對接觸網(wǎng)的落雷進行分析，中雷區(qū)T_d=40，γ=0.07，接觸網(wǎng)的落雷次數(shù)為N=0.28(b 4h)，高速鐵路接觸網(wǎng)的高度在16～36m，兩線間距約14m。按接觸網(wǎng)平均高度26m計算，中雷區(qū)落雷次數(shù)為33次/100km·a。重雷區(qū)Td=90，γ=0.09，接觸網(wǎng)的落雷次數(shù)為N=0.81(b 4h)，重雷區(qū)落雷次數(shù)為95次/100km·a。

一般220kV電力線路，b=11.6m，h=27.25m，則中雷區(qū)、重雷區(qū)落雷次數(shù)分別為33.8次/100km·a和97.7次/100km·a?？梢姡瑖鴥?nèi)高速鐵路接觸網(wǎng)與220kV電力線路的落雷次數(shù)基本相當(dāng)。

落雷雷電對高速鐵路接觸網(wǎng)的影響

（1）直擊雷

直擊雷放電電壓高、放電電流大，當(dāng)雷電擊中導(dǎo)線后，在導(dǎo)線上產(chǎn)生很高的過電壓，會引起絕緣子閃絡(luò)和設(shè)備損壞。例如，2012年7月4日14時12分，直擊雷擊中京滬高鐵王莊—匡莊區(qū)間2482#支柱加強線支持絕緣子，造成瓷絕緣子破損2片，故障停電11min。架設(shè)避雷線可有效地減少雷直擊接觸網(wǎng)的概率。

（2）感應(yīng)雷

雷云對地放電時，落雷處距架空接觸網(wǎng)的垂直距離S>65m時，無避雷線的架空導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)雷過電壓最大值可按下式估算：

式中，U_i為雷擊大地時感應(yīng)雷過電壓，kV；I為雷電流幅值，kA；h_c為導(dǎo)線平均高度，m；S為雷擊點與線路的垂直距離，m。

感應(yīng)雷過電壓與雷電流幅值I成正比，與導(dǎo)線懸掛平均高度h_c成正比，h_c越高則導(dǎo)線對地電容越小，感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電壓就越高；感應(yīng)雷過電壓與雷擊點到線路的距離S成反比，S越大，感應(yīng)雷過電壓越小。由于雷擊地面時，被擊點的自然接地電阻較大，最大雷電流幅值一般不會超過100kA，按100kA進行估算，感應(yīng)雷過電壓的幅值為300～400kV，可引起35kV及以下電壓等級電力線路的絕緣子閃絡(luò)，而對110kV及以上電壓等級的電力線路，則不會引起閃絡(luò)。例如，2012年7月12日17時35分，感應(yīng)雷造成武廣高鐵赤壁北至岳陽東區(qū)間上下行接觸網(wǎng)停電，938#、940#支柱上正饋線絕緣子閃絡(luò)，故障停電24min。

落雷高速鐵路接觸網(wǎng)防雷技術(shù)

（1）現(xiàn)有的接觸網(wǎng)防雷措施

現(xiàn)有的鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范規(guī)定，根據(jù)雷電日及運營經(jīng)驗，按下列原則對接觸網(wǎng)進行大氣過電壓保護：“高雷區(qū)及強雷區(qū)，下列重點位置應(yīng)設(shè)避雷器：①分相和站場端部絕緣錨段關(guān)節(jié)；②長度2000m及以上隧道的兩端；③較長的供電線或AF線連接到接觸網(wǎng)上的接線處。強雷區(qū)應(yīng)架設(shè)獨立的避雷線?！币罁?jù)設(shè)計規(guī)范，接觸網(wǎng)可采取的防雷措施如下：

①接觸網(wǎng)柱頂架設(shè)避雷線，避雷線對承力索、正饋線的保護角不宜大于20°，避雷線宜每200～300m設(shè)獨立接地極。

②支柱接地與高速鐵路綜合接地系統(tǒng)的貫通地線相連，當(dāng)鐵路未設(shè)綜合接地系統(tǒng)時，支柱通過保護線或回流線、架空地線等實現(xiàn)安全接地。

③在牽引變電所出口、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)、高壓電纜頭等處采用氧化鋅避雷器。

（2）接觸網(wǎng)防雷技術(shù)發(fā)展思路

①構(gòu)建區(qū)域化設(shè)防網(wǎng)絡(luò)

參考國內(nèi)電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)和雷電監(jiān)測網(wǎng)的雷電日、地閃密度及雷電流幅值等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，找出各省區(qū)鐵路沿線雷電活動特性，便于接觸網(wǎng)采取針對性的防雷措施和差異化設(shè)計。鐵路供電部門還可進一步研究利用雷電監(jiān)測網(wǎng)的雷電臨近預(yù)警功能進行預(yù)防工作，利用雷電定位功能進行接觸網(wǎng)雷電故障點的快速標(biāo)定，便于組織搶修工作。

②提高接觸網(wǎng)雷電設(shè)防精度

根據(jù)雷電監(jiān)測網(wǎng)統(tǒng)計的雷電活動數(shù)據(jù)計算鐵路沿線接觸網(wǎng)遭受雷擊的頻度及跳閘率，并結(jié)合地形地貌（如平原/山谷、荒漠/樹木等）及接觸網(wǎng)架設(shè)特征（路基/高架）等確定雷電設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及防雷措施。

③采取針對性的接觸網(wǎng)防雷措施

對于鐵路穿越雷電活動密集地區(qū)，或接觸網(wǎng)遭受直擊雷較多的路段，如平原/荒漠地區(qū)或高架橋區(qū)段，采取以局部架設(shè)避雷線為主的防雷措施。

對于鐵路選線臨近雷電活動密集地區(qū)，或山谷里、樹木覆蓋率高及臨近城市高層建筑等情況，接觸網(wǎng)采取以預(yù)防感應(yīng)過電壓、反擊雷電過電壓為主的防雷措施。

（3）高速鐵路接觸網(wǎng)防雷存在的問題

①避雷線設(shè)置

在橋隧相連的山區(qū)高速鐵路，獨立避雷線設(shè)置有難度，由于高速鐵路接觸網(wǎng)普遍采用AT供電方式，可以考慮提升保護線（PW）或正饋線（AF）高度兼作避雷線的方案。

當(dāng)利用保護線兼作避雷線時，應(yīng)做獨立的接地極，且鐵路沿線吸上線設(shè)置點、建筑物內(nèi)的電氣、電子設(shè)備或變、配電所35kV及以下設(shè)備與貫通地線的地下連接點，應(yīng)與該獨立接地點保持15m以上的地中距離。

當(dāng)利用正饋線兼作避雷線時，在牽引變電所正饋線上網(wǎng)點應(yīng)單獨設(shè)置隔離開關(guān)，保證具備正饋線單獨退出運行或故障切除的功能。

②避雷器設(shè)置

國內(nèi)接觸網(wǎng)普遍采用無間隙氧化鋅避雷器，額定電壓42kV，標(biāo)稱放電電流5kA，該氧化鋅避雷器在高速鐵路運行中存在如下問題：

由于交直交傳動動車組的高次諧波電流引起牽引供電系統(tǒng)諧振，高幅值、高頻率電壓造成多條高鐵接觸網(wǎng)避雷器閥片發(fā)熱、爆炸。

在直擊雷的主放電階段，由于雷電流峰值可達數(shù)十乃至數(shù)百千安，主放電的時間約為50～100μs，而接觸網(wǎng)用氧化鋅避雷器的標(biāo)稱放電電流5kA、放電時間20μs的技術(shù)條件較低，在高速鐵路運行中，存在雷電后避雷器放電計數(shù)但絕緣子仍閃絡(luò)擊穿的現(xiàn)象。

所以，合理的避雷器設(shè)置不是簡單的增加數(shù)量和密度，而是應(yīng)進一步提高避雷器耐受過電壓、過電流能力。

落雷研究結(jié)論

根據(jù)雷電過電壓及雷電放電過程分析，可以看出雷擊的主放電過程對接觸網(wǎng)設(shè)備破壞極大。高速鐵路接觸網(wǎng)與電力系統(tǒng)220kV架空線路的落雷次數(shù)相當(dāng)，由于接觸網(wǎng)的絕緣等級較低，因此直擊雷、感應(yīng)雷均會破壞接觸網(wǎng)絕緣性能，造成安全隱患。在現(xiàn)有接觸網(wǎng)防雷措施的基礎(chǔ)上，應(yīng)注意采用或發(fā)展以下防雷技術(shù)：

（1）參考國內(nèi)電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)，構(gòu)建高速鐵路區(qū)域化接觸網(wǎng)雷電設(shè)防網(wǎng)絡(luò)。

（2）利用雷電監(jiān)測網(wǎng)統(tǒng)計的雷電活動數(shù)據(jù)，提高接觸網(wǎng)雷電設(shè)防精度。

（3）判別鐵路沿線直擊雷、感應(yīng)雷的影響因素，采取針對性的接觸網(wǎng)防雷措施。

（4）靈活采取獨立避雷線或利用保護線、正饋線兼作避雷線的技術(shù)方案，并適當(dāng)提高氧化鋅避雷器的技術(shù)參數(shù)。

因電氣化鐵路接觸網(wǎng)沿鐵路線露天架設(shè),使其成為易受雷擊傷害的設(shè)備。我國高速鐵路多位于田野、郊區(qū),高架橋梁多,其接觸網(wǎng)更易受到雷擊的侵害。接觸網(wǎng)遭受雷電壓后,一般表現(xiàn)為跳閘、重合閘、合閘成功。此時,接觸網(wǎng)一般都能正常運用。由于難以確定雷擊是否造成了接觸網(wǎng)斷線、塌網(wǎng)等災(zāi)害,在高速鐵路運營中,一般需首列動車組限速運行,以避免高速運行動車組引起大面積接觸網(wǎng)損壞情況的發(fā)生。本文總結(jié)了我國高鐵接觸網(wǎng)防雷設(shè)計及運營中雷擊情況,對加強高速鐵路接觸網(wǎng)防雷措施進行探討。2100433B

針對我國電氣化高速鐵路中存在接觸線不平順狀態(tài)評價困難的關(guān)鍵問題，結(jié)合軌道交通電氣化與自動化關(guān)鍵技術(shù)、現(xiàn)代信號處理的理論知識和計算機仿真建模技術(shù)，通過系統(tǒng)研究影響電氣化高速鐵路接觸線不平順的因素，劃分接觸線不平順狀態(tài)，利用大量的電氣化高速鐵路接觸網(wǎng)實測數(shù)據(jù)和仿真模型，借鑒軌道譜經(jīng)驗，嘗試構(gòu)建電氣化高速鐵路接觸網(wǎng)線譜，并進行工程實測數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的相互驗證。進一步研究電氣化高速鐵路接觸網(wǎng)線譜與接觸線不平順的關(guān)系，以及接觸線不平順狀態(tài)對弓網(wǎng)受流質(zhì)量的影響，為評估接觸線的不平順狀態(tài)和弓網(wǎng)關(guān)系提供一條有效的新思路，也為今后我國電氣化高速鐵路接觸網(wǎng)的安全運行和有效評價提供重要的技術(shù)支持。