本研究為國家自然科學基金(51507145)項目，全文發表在2018年4月刊《鐵道標準設計》。

作者：

西南交通大學電氣工程學院：曹曉斌、田明明、李瑞芳；

中鐵二院工程集團有限責任公司：高保。

摘要

在接地困難的路基段接觸網支柱大多采用自然接地，支柱接地電阻較大，雷擊避雷線后容易遭受反擊。分析間隔接地改造和部分絕緣改造對接觸網雷電防護性能的影響，并利用PSCAD/EMTDC 仿真分析兩種接地改造方案的雷電防護性能，從而確定合理的避雷線接地改造方案。

研究結果表明:采用間隔接地改造時，接地改造后支柱耐雷水平有較大提高，未改造支柱耐雷水平幾乎不受影響，并且接地改造間距小于200 m 時雷擊跳閘率有較好改善，大于200 m 以后雷擊跳閘率基本沒有改善;采用部分絕緣架設時，導線絕緣子由最初的反擊過電壓閃絡演變成感應過電壓閃絡，無論避雷線絕緣肩架的絕緣等級高低，都無法提高接觸網的耐雷水平和雷擊跳閘率，因此不建議采用避雷線絕緣架設模式。

我國高速鐵路接觸網分布范圍廣，所經過地區的地理、氣候條件差別較大，很容易遭受雷擊。接觸網一旦遭受雷擊將會引起設備損壞、列車失電，導致運輸中斷，甚至造成行車事故威脅人身安全［1］。接觸網中回流線雖然有一定的防雷作用，但回流線安裝高度比承力索低，其架設高度沒有達到有效的直擊雷的防護高度，因此回流線僅能起到電力部門采取的架設耦合地線的防雷作用，不能有效的防止直擊雷。

隨著雷擊事故的頻繁發生，接觸網防雷逐漸引起了人們的注意。我國近幾年在接觸網防雷領域也展開了充分的研究，一些相關的文獻針對接觸網單獨架設避雷線展開了充分的研究。文獻［2］在分析了我國高速鐵路雷電防護體系的基礎上，指出我國雷電防護體系的缺陷，提出有效的接觸網防雷方案。同時為了防止直擊雷，提出架設避雷線和升高PW 線或回流線兼做避雷線的接觸網防雷方案，經過分析發現架設避雷線可以有效提高接觸網耐雷水平，降低雷擊跳閘率［3-7］。文獻［8-9］應用電氣幾何模型分析了高速鐵路接觸網防雷性能，同時建立了牽引網三維雷擊電氣幾何模型，推導了高速鐵路牽引網直擊雷擊跳閘率的計算公式。經過國內專家多方面討論，已近初步形成了架設避雷線的可行性，但是關于避雷線的架設方式目前還沒有相關的研究。目前大多數接觸網支柱一般利用支柱本身金屬部分進行自然接地，支柱接地部分很少設置單獨的接地體。對于一些沿線經過山區、高原凍土地區接地困難的路基段鐵路，其土壤電阻率可達到3 000 Ω·m以上，利用自然接地時其接地電阻一般較大，可達到幾十歐姆甚至上百歐姆，并且隨著時間的推移接地電阻不斷增高。接觸網架設避雷線后，雷電防護性能與避雷線的接地方式以及支柱的接地電阻密切相關，當接地電阻較大時接觸網容易遭受反擊。如果針對每一支柱進行接地改造，降低支柱的接地電阻，這樣工程投資費用勢必會很高。針對此種情況，分析間隔接地改造方案對接觸網雷電防護性能的影響，在此基礎上進一步分析部分絕緣改造方案是否可行，本文的研究對以后的接觸網防雷接地設計與施工有著重要的意義。

采用PSCAD/EMTDC 仿真分析接觸網避雷線在不同的接地改造方案下，接觸網反擊耐雷水平以及雷擊跳閘率的變化，最終確定合理的接地改造方案，為我國接觸網防雷改造提供有效的指導。

1 避雷線接地改造方案

1. 1 避雷線間隔接地改造方式

接觸網支柱主要通過自然接地方式進行接地，對于接地困難的路基段支柱接地電阻較大，架設避雷線接觸網后非常容易遭受反擊。當接觸網支柱的形式、尺寸，絕緣子的形式和數量確定后，影響接觸網反擊耐雷水平的主要因素則是支柱的接地電阻值，因此降低支柱接地電阻是防止反擊的主要措施。降低支柱接地電阻的主要措施是對支柱接地進行改造，增加接地極數量。但是接觸網支柱分布較密集，如果對每一支柱進行接地改造，實施起來較為困難，并且工程投資費用較高，這種方案不太現實。因此提出采用間隔接地改造方式，在保證接觸網雷電防護性能的基礎上，一定程度上可以降低接觸網遭受反擊的概率，同時可以有效降低工程投資和施工難度。接地改造間距對接觸網整體的雷電防護性能影響較大，因此將重點討論接地改造間距對整體雷電防護性能的影響。

1. 2 避雷線部分絕緣改造方式

當雷擊支柱時有80%以上的雷電流通過支柱分流，支柱接地電阻較大時，很容易造成地電位反擊。采用間隔接地改造時，未進行接地改造的支柱其接地電阻仍然較大，雷擊支柱時仍然有可能遭受反擊。在接觸網防雷時可以考慮將雷電流趕到和限定在降阻的支柱上泄放，提出采用部分絕緣架設方式。通過絕緣架設方式，雷電流不能通過接地電阻較大的支柱進行分流，只能通過相鄰的接地改造后的支柱進行分流，從而有效避免接觸網遭受反擊，同時也可以避免對接地極進行改造，從而降低工程費用。

2 避雷線間隔接地方式研究

2. 1 計算條件

我國高速鐵路牽引供電系統一般采用AT 供電方式，在正常情況下，通過牽引變電所向接觸網供電，供電臂長一般在30～50 km。AT 供電方式具有供電距離長，電磁干擾小等優點［13］。

2. 2 不同間距接地改造對耐雷水平影響分析

避雷線采用間隔接地改造時，接地改造間距的大小直接影響接觸網整體的雷電防護性能，因此本節重點討論接地改造間距大小對接觸網耐雷水平的影響。當自然接地電阻不同時，接觸網改造前后耐雷水平不相同。

通過研究分析發現，接觸網支柱接地改造越密集，其整體耐雷水平提高的越高，但同時相應的接地改造費用也會相應的增加。因此在實際接觸網防雷改造中，因根據當地的雷暴天氣、地形地貌等條件選擇合理的接地改造方案。

2. 3 不同間距接地改造對雷擊跳閘率影響

在雷電活動強度以及電阻率不同的地區，采用不同間距進行接地改造時，接觸網整體的雷擊跳閘率并不相同。因此本節重點討論在不同雷暴日和自然接地電阻條件下，采用不同間距進行改造時，分析接觸網雷擊跳閘率的變化。

3 避雷線部分絕緣架設方式研究

3. 1 避雷線部分絕緣架設對耐雷水平影響

避雷線采用部分絕緣改造方式時，選取接觸網接地改造間距為100 m 時的情況進行分析，即，避雷線在未進行接地改造的支柱上采用絕緣安裝，接地改造后的支柱上采用非絕緣安裝。接地改造后支柱接地電阻值仍然為10 Ω，未改造支柱接地電阻在30 ～ 110 Ω 范圍變化。

3. 2 避雷線采用部分絕緣架設閃絡原因分析

為了進一步分析避雷線絕緣肩架以及導線絕緣子整個擊穿過程，給出了避雷線絕緣肩架在3 種不同絕緣水平下導線臨界閃絡時的波形。

4 結論

本文研究了AT 供電方式下避雷線間隔接地方式和部分絕緣改造方式的雷電防護性能，主要結論如下。

(1)采用不同間距進行間隔接地改造時，發現雖然改造后的支柱耐雷水平有較大的提高，但未改造支柱其耐雷水平幾乎不受影響;當線路支柱接地改造間隔小于200 m 時，總體雷擊跳閘率有較大改善，但間距大于200 m 后，雷擊跳閘率基本沒有改善。

(2)當避雷線采用部分絕緣改造時，由于避雷線絕緣肩架先閃絡，導致支柱耐雷水平與非絕緣架設時相同;若進一步提高避雷線絕緣肩架的絕緣水平，由于避雷線雷電流在導線上產生的感應過電壓將導致導線絕緣子閃絡，其耐雷水平反而低于避雷線非絕緣架設。

(3)避雷線絕緣肩架絕緣等級高低，對線路的耐雷水平和雷擊跳閘率無影響，不建議采用避雷線絕緣架設模式;間隔進行支柱接地改造雖然能部分提高支柱耐雷水平，但對整體雷擊跳閘率有一定的效果，并且能有效降低工程投資，宜根據具體情況選擇。

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本文發表在《鐵道標準設計》2018.4，全文收錄在即將發布的《中國防雷資訊匯編》，敬請關注。