高速铁路高架桥接触网系统引雷特性研究

我国高速铁路建设中多采用高架桥，导致接触网导线对地高度增加，引雷范围增大，因此针对我国高速铁路接触网引雷特性研究十分必要。 本项目基于分形理论，建立了符合我国高铁接触网系统实况的雷击分形模型，实现了接触网系统雷击路径的分形模拟。研究了高速铁路雷电上行先导的起始条件随雷电流幅值、高架桥高度等相关因素的变化规律，发现只有当高架桥高度为30米，雷电流幅值为190 kA的极限条件情况下，AF线最大表面场强才能达到上行先导起始的临界条件，因此可认为接触网系统在雷电先导跃变前不会产生上行先导。 研究了高速铁路接触网各导线的雷击率及高架桥接触网系统的引雷范围。发现AF线均能有效屏蔽T线和PW线，左右AF线的雷击率以高架桥剖面的中心线为中心呈对称分布，当下行先导水平位置偏离高架桥剖面中心线70m时，该侧的AF线雷击率达到最大值。AF线和T线工作电压几乎不影响引雷范围。给出了不同雷电流幅值下高架桥的引雷范围，如 45kA时，随着高架桥高度从5米增加到30米时，引雷范围从304增加到436米。 对比研究了平地落雷分布规律及高架桥对落雷分布影响，发现当先导位置不变时，平地的地面落雷分布以先导水平为中心呈正态分布，当高速铁路高架桥修建后，受高架桥引雷的影响，近地面落雷分布分为完全屏蔽区、部分屏蔽区、危险区以及正常区；给出了高架桥高度及雷电流幅值对地面落雷分布影响规律；提出了高架桥接触网系统附近地面落雷分布估计方法。 建立了雷击高架桥接触网系统的三维电场仿真模型，研究了高架桥内部钢筋对接触网系统雷击特性的影响，发现高架桥的钢筋网状结构会削弱各导线周围的电场，降低接触网系统的雷击率。提出了高架桥接触网系统电容串联分压等效模型，阐明了高架桥结构钢筋造成导线感应电压下降，雷击率减少的机理。 本项目的研究对我国高速铁路雷电防护奠定了良好的理论基础，也对普速铁路、城市轨道交通接触网系统雷电防护具有重要的参考价值。 2100433B

雷击是影响高速铁路安全运营的主要因素之一，高速铁路引雷特性的研究对铁路防雷措施的提出具有重要指导意义。高速铁路由于大面积采用高架桥结构，使得牵引网对地高度增加，引雷范围增大，比普速铁路遭受雷击概率大得多。高速铁路对安全性的要求又高于普速铁路，因此，专门针对高速铁路高架桥接触网系统进行引雷特性研究十分必要。. 本项目拟通过优化模拟电荷法研究雷电先导作用下的高架桥电荷分布；研究随着下行先导发展，高架桥及接触网周围感应电荷的动态变化，进而研究雷电通道任一点的场强动态变化。结合所计算的动态场强，计算该空间任一点处先导往临近点的发展概率，模拟先导通道的分形发展过程；研究雷电流幅值、雷电先导位置、高架桥参数等变化时雷击路径的变化，给出高架桥接触网系统引雷范围和落雷密度随相关因素的变化规律。

国内高速铁路投入运行后接触网经受住了各种考验，供电基本安全可靠，但也暴露出一些问题，特别是雷击引起的接触网设备故障问题非常突出。据统计，2010—2011年全路因雷击造成牵引供电系统故障52起，2012年1～7月造成牵引供电系统故障30起；京沪、武广高铁开通接触网遭雷击530起，接触网设备时有损坏，影响了高速铁路运输秩序及牵引供电安全。

落雷雷电过电压及雷电放电分析

雷电过电压是雷云放电引起架空电力线路的过电压，可分为直击雷过电压和感应雷过电压2种。直击雷过电压是由于雷电放电，强大的雷电流直接流经被击物产生的过电压，其特点是放电电压高、放电电流大、放电过程时间短、闪电电流波形波头陡度大；感应雷过电压是雷击线路附近大地，由于电磁感应在导线上产生的过电压，其特点是雷电感应电压幅值与雷云对地放电时的电流、线路间相对位置、土壤电阻率、线路长度和高度、设备接地装置的电阻等诸多因素有关。与直击雷过电压相比，感应雷过电压的波形较平缓，波长较长。由于雷电现象极为频繁，产生的雷电过电压可达数千千伏，足以使电气设备绝缘发生闪络和损坏。

作用于高速铁路架空接触网的雷电过电压绝大部分（约90%）是由带负电的雷云对地放电引起的，称为负下行雷。负下行雷包括若干次重复的放电过程，每次放电可分为先导放电、主放电和余辉放电3个阶段。

（1）雷电先导放电阶段

因雷云带有大量电荷，由于静电感应作用，大地感应出与雷云相反的电荷，雷云与地面形成一个已充电的电容器，雷云中的电荷分布是不均匀的，当雷云中的某个电荷密集中心的电场强度达到空气击穿场强时，空气便开始电离，形成指向大地的一段电离的微弱导电通道，称为先导放电。开始产生的先导放电是跳跃式向前发展，平均速度105～106m/s，中心温度可达3×104K，纵向电位梯度约为100～500kV/m，电晕半径约为0.6～6m，先导放电常常表现为分枝状，这是由于放电是沿着空气电离最强、最容易导电的路径发展的。这些分枝状的先导放电通常只有一条放电分支达到大地，先导放电阶段的雷电流很小，约为100A。

（2）雷电主放电阶段

当先导放电到达大地，或与大地较突出的部分迎面会合以后，就进入主放电阶段。主放电过程是逆着负先导的通道由下向上发展的。在主放电中，雷云与大地之间所聚集的大量电荷，通过先导放电所开辟的狭小电离通道发生猛烈的电荷中和，放出巨大的光和热，通道温度可达15000℃～20000℃，使空气急剧膨胀震动，发生霹雳轰鸣，这就是雷电伴随强烈的闪电和震耳的雷鸣。在主放电阶段，雷击点有巨大的电流流过，大多数雷电流峰值可达数十乃至数百千安，主放电的时间极短，为50～100μs，主放电电流的波头时间为0.5～10μs，平均时间约为2.5μs。

（3）雷电余辉放电阶段

当主放电阶段结束后，雷云中的剩余电荷将继续沿主放电通道下移，使通道连续维持着一定余辉，称为余辉放电阶段。余辉放电电流仅数百安，但持续的时间可达0.03～0.05s。

雷云中可能存在多个电荷中心，当第一个电荷中心完成上述放电过程后，可能引起其它电荷中心向第一个中心放电，并沿着第一次放电通路发展，因此，雷云放电往往具有重复性。每次放电间隔时间约为0.6ms～0.8s，即多次重复放电。据统计，55%的落雷包含2次以上，重复3～5次的占25%，平均重复3次，最高记录42次。

综上所述，直击雷、感应雷对接触网设备都有影响，雷击的主放电过程对接触网设备破坏极大，余辉放电次之，而先导放电基本上对接触网设备的安全运行没有影响。

落雷高速铁路接触网落雷分析

雷电放电受气象条件、地形和地质等许多自然因素影响，带有很大的随机性，主要的雷电参数有雷暴日及雷暴小时、地面落雷密度、主放电通道波阻抗、雷电流极性、雷电流幅值、雷电流等值波形、雷电流陡度等。其中，雷暴日、地面落雷密度是防雷保护设计最重要的依据。

（1）雷暴日

表征一个地区雷电活动的频繁程度通常以该地区的雷暴日（T_d）来表示。雷暴日是指该地区平均一年内有雷电放电的平均天数，单位为d/a。国内电力行业标准DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（以下简称DL/T620-1997标准）中平均年雷暴日数不超过15d的地区划为少雷区，如西北地区；平均年雷暴日数超过15d但不超过40d的地区划为中雷区，如长江流域；平均年雷暴日数超过40d但不超过90d的地区划为多雷区，如华南大部分地区；平均年雷暴日数超过90d的地区及根据运行经验雷害特别严重的地区划为雷电活动特殊强烈区，如海南岛和雷州半岛。

（2）地面落雷密度

雷云对地放电的频繁程度以地面落雷密度（g）来表示，g是指每一雷暴日每平方公里地面遭受雷击的次数。DL/T620-1997标准中给出的地面落雷密度和雷暴日的经验关系式g=0.023T_d^0.3，由此判断，一年中雷暴日越多的地区地面落雷密度越大，中雷区T_d=40，则γ=0.07；重雷区T_d=90，则γ=0.09。

（3）高速铁路接触网的落雷次数

由于高速铁路接触网普遍架设在空旷田野的桥梁上，一般为该区域的最高点，存在引雷作用，其吸引范围与导线高度等因素有关，每100km线路每年遭受雷击的次数N为

式中，b为边相导线间的距离，m；h为导线的平均高度，m。

由此可对接触网的落雷进行分析，中雷区T_d=40，γ=0.07，接触网的落雷次数为N=0.28(b 4h)，高速铁路接触网的高度在16～36m，两线间距约14m。按接触网平均高度26m计算，中雷区落雷次数为33次/100km·a。重雷区Td=90，γ=0.09，接触网的落雷次数为N=0.81(b 4h)，重雷区落雷次数为95次/100km·a。

一般220kV电力线路，b=11.6m，h=27.25m，则中雷区、重雷区落雷次数分别为33.8次/100km·a和97.7次/100km·a。可见，国内高速铁路接触网与220kV电力线路的落雷次数基本相当。

落雷雷电对高速铁路接触网的影响

（1）直击雷

直击雷放电电压高、放电电流大，当雷电击中导线后，在导线上产生很高的过电压，会引起绝缘子闪络和设备损坏。例如，2012年7月4日14时12分，直击雷击中京沪高铁王庄—匡庄区间2482#支柱加强线支持绝缘子，造成瓷绝缘子破损2片，故障停电11min。架设避雷线可有效地减少雷直击接触网的概率。

（2）感应雷

雷云对地放电时，落雷处距架空接触网的垂直距离S>65m时，无避雷线的架空导线上产生的感应雷过电压最大值可按下式估算：

式中，U_i为雷击大地时感应雷过电压，kV；I为雷电流幅值，kA；h_c为导线平均高度，m；S为雷击点与线路的垂直距离，m。

感应雷过电压与雷电流幅值I成正比，与导线悬挂平均高度h_c成正比，h_c越高则导线对地电容越小，感应电荷产生的电压就越高；感应雷过电压与雷击点到线路的距离S成反比，S越大，感应雷过电压越小。由于雷击地面时，被击点的自然接地电阻较大，最大雷电流幅值一般不会超过100kA，按100kA进行估算，感应雷过电压的幅值为300～400kV，可引起35kV及以下电压等级电力线路的绝缘子闪络，而对110kV及以上电压等级的电力线路，则不会引起闪络。例如，2012年7月12日17时35分，感应雷造成武广高铁赤壁北至岳阳东区间上下行接触网停电，938#、940#支柱上正馈线绝缘子闪络，故障停电24min。

落雷高速铁路接触网防雷技术

（1）现有的接触网防雷措施

现有的铁路电力牵引供电设计规范规定，根据雷电日及运营经验，按下列原则对接触网进行大气过电压保护：“高雷区及强雷区，下列重点位置应设避雷器：①分相和站场端部绝缘锚段关节；②长度2000m及以上隧道的两端；③较长的供电线或AF线连接到接触网上的接线处。强雷区应架设独立的避雷线。”依据设计规范，接触网可采取的防雷措施如下：

①接触网柱顶架设避雷线，避雷线对承力索、正馈线的保护角不宜大于20°，避雷线宜每200～300m设独立接地极。

②支柱接地与高速铁路综合接地系统的贯通地线相连，当铁路未设综合接地系统时，支柱通过保护线或回流线、架空地线等实现安全接地。

③在牵引变电所出口、接触网隔离开关、高压电缆头等处采用氧化锌避雷器。

（2）接触网防雷技术发展思路

①构建区域化设防网络

参考国内电网雷电定位系统和雷电监测网的雷电日、地闪密度及雷电流幅值等统计数据，找出各省区铁路沿线雷电活动特性，便于接触网采取针对性的防雷措施和差异化设计。铁路供电部门还可进一步研究利用雷电监测网的雷电临近预警功能进行预防工作，利用雷电定位功能进行接触网雷电故障点的快速标定，便于组织抢修工作。

②提高接触网雷电设防精度

根据雷电监测网统计的雷电活动数据计算铁路沿线接触网遭受雷击的频度及跳闸率，并结合地形地貌（如平原/山谷、荒漠/树木等）及接触网架设特征（路基/高架）等确定雷电设防标准及防雷措施。

③采取针对性的接触网防雷措施

对于铁路穿越雷电活动密集地区，或接触网遭受直击雷较多的路段，如平原/荒漠地区或高架桥区段，采取以局部架设避雷线为主的防雷措施。

对于铁路选线临近雷电活动密集地区，或山谷里、树木覆盖率高及临近城市高层建筑等情况，接触网采取以预防感应过电压、反击雷电过电压为主的防雷措施。

（3）高速铁路接触网防雷存在的问题

①避雷线设置

在桥隧相连的山区高速铁路，独立避雷线设置有难度，由于高速铁路接触网普遍采用AT供电方式，可以考虑提升保护线（PW）或正馈线（AF）高度兼作避雷线的方案。

当利用保护线兼作避雷线时，应做独立的接地极，且铁路沿线吸上线设置点、建筑物内的电气、电子设备或变、配电所35kV及以下设备与贯通地线的地下连接点，应与该独立接地点保持15m以上的地中距离。

当利用正馈线兼作避雷线时，在牵引变电所正馈线上网点应单独设置隔离开关，保证具备正馈线单独退出运行或故障切除的功能。

②避雷器设置

国内接触网普遍采用无间隙氧化锌避雷器，额定电压42kV，标称放电电流5kA，该氧化锌避雷器在高速铁路运行中存在如下问题：

由于交直交传动动车组的高次谐波电流引起牵引供电系统谐振，高幅值、高频率电压造成多条高铁接触网避雷器阀片发热、爆炸。

在直击雷的主放电阶段，由于雷电流峰值可达数十乃至数百千安，主放电的时间约为50～100μs，而接触网用氧化锌避雷器的标称放电电流5kA、放电时间20μs的技术条件较低，在高速铁路运行中，存在雷电后避雷器放电计数但绝缘子仍闪络击穿的现象。

所以，合理的避雷器设置不是简单的增加数量和密度，而是应进一步提高避雷器耐受过电压、过电流能力。

落雷研究结论

根据雷电过电压及雷电放电过程分析，可以看出雷击的主放电过程对接触网设备破坏极大。高速铁路接触网与电力系统220kV架空线路的落雷次数相当，由于接触网的绝缘等级较低，因此直击雷、感应雷均会破坏接触网绝缘性能，造成安全隐患。在现有接触网防雷措施的基础上，应注意采用或发展以下防雷技术：

（1）参考国内电网雷电定位系统，构建高速铁路区域化接触网雷电设防网络。

（2）利用雷电监测网统计的雷电活动数据，提高接触网雷电设防精度。

（3）判别铁路沿线直击雷、感应雷的影响因素，采取针对性的接触网防雷措施。

（4）灵活采取独立避雷线或利用保护线、正馈线兼作避雷线的技术方案，并适当提高氧化锌避雷器的技术参数。

因电气化铁路接触网沿铁路线露天架设,使其成为易受雷击伤害的设备。我国高速铁路多位于田野、郊区,高架桥梁多,其接触网更易受到雷击的侵害。接触网遭受雷电压后,一般表现为跳闸、重合闸、合闸成功。此时,接触网一般都能正常运用。由于难以确定雷击是否造成了接触网断线、塌网等灾害,在高速铁路运营中,一般需首列动车组限速运行,以避免高速运行动车组引起大面积接触网损坏情况的发生。本文总结了我国高铁接触网防雷设计及运营中雷击情况,对加强高速铁路接触网防雷措施进行探讨。2100433B

针对我国电气化高速铁路中存在接触线不平顺状态评价困难的关键问题，结合轨道交通电气化与自动化关键技术、现代信号处理的理论知识和计算机仿真建模技术，通过系统研究影响电气化高速铁路接触线不平顺的因素，划分接触线不平顺状态，利用大量的电气化高速铁路接触网实测数据和仿真模型，借鉴轨道谱经验，尝试构建电气化高速铁路接触网线谱，并进行工程实测数据和仿真数据的相互验证。进一步研究电气化高速铁路接触网线谱与接触线不平顺的关系，以及接触线不平顺状态对弓网受流质量的影响，为评估接触线的不平顺状态和弓网关系提供一条有效的新思路，也为今后我国电气化高速铁路接触网的安全运行和有效评价提供重要的技术支持。