（西北民族大学 730124）
摘要：采用高架桥铺设线路是中国高速铁路建设的特点之一。牵引供电接触网没有采取防雷措施，雷电跳闸率很高。因此降低接触网的雷击故障发生的概率，是中国高速铁路安全可靠运行亟待解决的问题。本文首先利用矢量匹配法和网络综合理论说明了直击雷过电压的计算模型，然后阐述接触网直击雷击跳闸率的计算方法，最后再提出了接触网的防雷措施及其改进方法。只在F线的绝缘子上安装避雷器，而在T线上不安装避雷器的方案防护性能更好，并且具有很高的经济性。
关键词：高速铁路；接触网；直击雷；防护
引言
近十年来，中国高速铁路急速发展。经过多年的努力，我国高速铁路里程超过2万公里。在我国雷电活动十分活跃的中东部地区，高速铁路线的密度十分高，因而线路相当地集中。沪宁间高铁的发车间隔只有3至5分钟左右，沪宁、沪杭、宁杭之间的高速铁路也早已公交化运营，出行十分方便快捷。对大多数人来说，高速铁路是中短距离出行的主要方式。可以说，在中东部地区，人们对高铁的依赖程度非常高。从已经建成的超过2万公里的线路中不难发现，采用高架桥铺设线路是中国高速铁路建设的特点之一。高速列车一般通过架设在高架桥上的牵引供电接触网而获得电能。数据显示，牵引供电接触网导线的对地高度接近或大于110kV输电线路的对地高度，但是其绝缘水平与35kV配电线路的绝缘水平相当，且未采取防雷措施。因而接触网发生雷击故障的概率较高。可以料想，若发生雷击故障，则将会导致行驶中的高速列车供电中断，对旅客的人身安全产生威胁，甚至会对整片区域的安全运输产生严重的影响。所以，如何降低接触网的雷击故障概率，是中国高速铁路安全可靠运行亟待解决的问题。
本文首先研究直击雷过电压的计算模型，然后阐述接触网直击雷击跳闸率的计算方法，最后再提出了接触网的防雷措施及其改进方法。
正文
1.直击雷过电压计算模型
高架桥上的接触网由对称的上、下行线路组成。接触网支柱之间有一定的间隔，每一支柱上都设有T线和F线两条馈电导线，PW线起保护回流作用。其中，承力索和悬挂在下方的接触线构成了T线。通常，PW线与T线的承力索同高。
高架桥的桥墩和箱梁结构比较复杂，接地导体的等值阻抗的求解不容易直接算出。下面将采用矢量匹配法对导纳频率响应进行计算。然后将频率响应函数等值成电路，形成冲击接地阻抗等值模型。
矢量匹配法
假设ƒ（s）的有理函数逼近可以写成如下形式：
若假设的初始极点`αn与ƒ（s）的极点`zn相同，那么σfit（s）=1，如此，将前一次计算求得的`zn作为下一次计算的初始极点反复迭代，则`zn将不断向真实值逼近，即αn越来越接近真实值，这样便可以完成对αn的求解。之后，再将αn、si、ƒ（si）带入（1）式，可以得到一个超定线性方程组，用最小二乘法对其求解，可以算出cn、e、d向量，这样就能够得到具有导纳特性的有理函数逼近。
网络综合理论
上文中用矢量匹配法所获得的ƒ（s）可以用等值电路进行表示，如图2所示。图中，电容C0=e对应ƒ（s）中的一次项，而电阻R0=1/d对应于ƒ（s）中的常数项，在RrLr串联电路中，Rr=−αn/cn，Lr=1/ cn，这对应于ƒ（s）中的实数极点项。ƒ（s）中的共轭复数极点项则用混合支路来表示，其中的参数可通过对比共轭复数极点项与此支路的函数而列出方程，然后解出。
2.接触网直击雷击跳闸率的计算方法
雷击跳闸率的计算方法一般有两种，一种是电气几何模型法，另一种是先导发展模型法。一般认为，对于小尺度的目标物，更适合用电气几何法进行雷电屏蔽性能分析，而对于空间尺度较大的目标物，先导发展模型会更合适。因为高速铁路接触网的空间尺度小于220kV的输电线路，且在这一空间范围内电气几何法的应用比较成熟，所以本文将介绍电气几何模型法。
将大地作为参考面，采用电气几何法来分析接触网雷电屏蔽性能，大地和导线间的雷电击距可以用IEEE导则[3]所推荐的公式计算：
假设雷暴日为40d，上式中：地闪密度Ng=2.78次/（km2∙a）[5]；雷电流幅值概率分布函数P（I），满足P（I>I0）=10−I0/88；η为建弧率，对于接触网T线来说η=0.73，而F线η=0.95；ΔI=1 kA；耐雷水平Imin可以通过上文建立的模型计算，单位kA；D（I）为雷电的吸引宽度，单位为m，可以先用（6）式计算得到的大地和导线击距，之后绘制几何图形分析得出。
3.直击雷防护方法
架设避雷线
避雷线的保护作用：当雷云的先导通道开始向下伸展时，地面上的物体几乎不影响它的发展方向，但当先导通道达到某一离地高度时，空间电场会受到地面上一些高耸导电体的影响而发生畸变。在这些导电体的顶部会聚积大量的异号电荷而形成局部强场区，它们很有可能会向上发展形成迎面先导。因为架设的避雷线一般都会比被保护的对象要高，它们会最先也会最快形成迎面先导，这样就会影响下行先导的发展方向，使雷电击向避雷线，并使雷电流顺利泄入地下，从而使避雷线周围的较低物体受到保护，免遭雷击。
通常，架空地线PW线安装得比馈线F要低一些。若将PW线安装在F线的上面，那么它既可以保持其原有的功能，而且还可以起到避雷线的作用。调整PW线对F线的保护角α，也会对F线的绕击跳闸率有明显地影响。因此将架空地线PW线作为避雷线使用可以有效地降低接触网的造价成本，并且能够大大降低直击雷跳闸率。
安装避雷器
一般来说，避雷器在结构上分为两种：带串联间隙和无间隙。前者是由避雷器本体和外串联间隙构成。与无间隙避雷器相比，带串联间隙避雷器的电阻片几乎不会发生老化，可以不用维修，并且避雷器本体损坏后，系统发生永久短路故障的概率极低，所以带串联间隙避雷器更适合应用于接触网的防雷措施中。对于接触网来说，避雷器一般安装在绝缘子两端。在接触网的T线和F线的每个绝缘子上都安装避雷器可以得到最好的防护效果，但是这样做势必会增加投资成本，经济效益低，因此需要寻找一种更加经济的方案。若只在F线的绝缘子上安装避雷器，而在T线上不安装避雷器，可以减少安装一半的避雷器。如此便可大大降低成本，并且有较好的防护效果。采用该方案后直击雷的跳闸率会大大降低，一般会降低50%左右，在某些情况下，甚至会下降90%，并且它的防护效果比抬高PW线的方案要好。
4.总结
在人们对高速铁路依赖程度如此之高的今天，保证牵引供电接触网的安全稳定运行是非常重要的。利用矢量匹配法和网络综合理论能够阐述直击雷过电压的计算模型，根据IEEE导则可以得出接触网直击雷击跳闸率的计算方法，可以为防雷措施提供依据。将架空地线PW线作为避雷线使用可以有效地降低接触网的造价成本，并且能够大大降低直击雷跳闸率。只在F线的绝缘子上安装避雷器，而在T线上不安装避雷器的方案比抬高PW线的方案要好，并且具有良好的经济性。
参考文献：
[1]Gustavsen B，Semlyen A．Simulation of transmission line transients using vector fitting and modal decomposition[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，1998，13（2）：605-614．
[2]边凯，陈维江等，高速铁路牵引供电接触网雷电防护 中国电机工程学报，2013
3]Committee T A D，IEEE Std 1243-1997 Guide for Improving the lightning performance of transmission lines[S].New York：The Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc.，1997.
[4]陈维江．500kV 直流系统换流站的过电压保护及耐雷可靠性研究[D]．北京：中国电力科学研究院，1985．
[5]电力工业部绝缘配合标准化技术委员会.DL/T620-1997 交流电气装置过的电压保护和绝缘配合[S]．北京：中国电力出版社，1997．
论文作者:唐昱煊
论文发表刊物:《电力设备》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/18
标签：避雷器论文; 避雷线论文; 直击论文; 过电压论文; 雷电论文; 高速铁路论文; 模型论文; 《电力设备》2017年第8期论文;