樊春雷，郭小霞，李漢卿

多導體牽引網(wǎng)雷擊跳閘率研究

樊春雷，郭小霞，李漢卿

牽引網(wǎng)所經(jīng)地區(qū)地形復雜，因此極易發(fā)生雷擊跳閘事故。本文借助規(guī)程法與擊距法分別對牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)進行了定量計算，結(jié)果表明：2種計算方法下牽引網(wǎng)總雷擊跳閘次數(shù)相當，但采用規(guī)程法不能反映每根導體跳閘次數(shù)；同時，研究發(fā)現(xiàn)牽引網(wǎng)雷擊跳閘主要由直擊雷引起，感應雷占的比重很小僅為0.64%；而采用規(guī)程法計算的牽引網(wǎng)感應雷跳閘占總跳閘20.26%；該研究結(jié)果將為今后高速鐵路牽引網(wǎng)雷電防護設計提供重要參考。

多導體；牽引網(wǎng)；感應雷；雷擊跳閘率

0 引言

牽引網(wǎng)作為鐵路牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，由于其特殊性，一旦防雷措施采取不當，可能直接影響電氣化鐵路運營進而危及人身安全。目前，發(fā)生雷擊牽引網(wǎng)跳閘事故逐漸增多[1]，因此，如何降低牽引網(wǎng)雷擊跳閘事故，保證其供電穩(wěn)定對鐵路運營極為重要。

目前，國內(nèi)雖然針對高速鐵路牽引網(wǎng)雷電防護進行了部分研究，但沒有統(tǒng)一的分析方法。因此，本文擬分別借助擊距法和規(guī)程法理論，通過搭建模型，系統(tǒng)對2種不同計算方法下牽引網(wǎng)雷擊跳閘特性進行對比分析和總結(jié)，從而明確2種計算方法下牽引網(wǎng)雷擊特點，這將對今后高速鐵路牽引網(wǎng)防雷設計及防護有著重要的參考價值。

1 多導體牽引網(wǎng)模型

1.1 規(guī)程法模型

規(guī)程法認為：線路等值受雷面積由線路的幾何結(jié)構尺寸決定，而與雷電流大小無關；因此，一旦線路結(jié)構尺寸給出，其遭受的雷擊面積也將確定。其等值受雷面積為線路最上層導線對地平均高度的4倍與線路長度的乘積。

1.2 擊距法模型

與規(guī)程法理論不同，擊距法認為：組成牽引網(wǎng)的各導體都存在一擊距，向下發(fā)展的雷電一旦到達某一導體對應的擊距范圍，將對其發(fā)生放電現(xiàn)象。同時，該理論認為擊距是雷電流幅值函數(shù)。不同雷電流幅值，導體遭受雷擊的范圍不同；根據(jù)幾何作圖法及線路結(jié)構尺寸，可作出牽引網(wǎng)各導體遭受雷擊的范圍。

本文研究的多導體牽引網(wǎng)結(jié)構布置具體見圖1。牽引網(wǎng)由3部分組成，分別為接觸網(wǎng)導線，承力索和加強線，且加強線位于支柱頂部，正饋線安裝在支柱外側(cè)。

圖1 高架段多導體牽引網(wǎng)擊距法模型示意圖

結(jié)合圖1可知，正饋線、加強線及接觸網(wǎng)導線遭受雷擊的范圍分別為弧線C3、C2和C1。隨著雷電流的增大，加強線對應弧線C2將逐漸增大，而接觸網(wǎng)導線對應弧線C1及正饋線對應弧線C3將逐漸減少，當加強線對應弧線C2與線路中心線交于B點時，說明接觸網(wǎng)將完全處于加強線保護范圍。此時，擊距對應雷電流為接觸網(wǎng)最大繞擊雷電流Im1。當雷電流繼續(xù)增大，正饋線對應弧線C3將進一步減少最終將完全被弧線C2包圍，此時，擊距對應雷電流為正饋線最大繞擊雷電流Im2，弧線C2與地面擊距交點對應的水平距離稱為牽引網(wǎng)遭受直擊雷與感應雷的臨界距離0s。即處于臨界距離外且雷電流幅值達到線路絕緣擊穿條件時為感應雷引起，否則為直擊雷引起。

綜上結(jié)合本文給出的牽引網(wǎng)結(jié)構布置形式可知，正饋線發(fā)生雷擊絕緣閃絡對應的雷電流范圍為Im1≤I≤Im2。加強線遭受雷擊絕緣閃絡對應的雷電流范圍為Im1≤I≤100 kA。

2 2種計算方法下牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)

2.1 規(guī)程法計算牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)

2.1.1 直擊雷雷擊跳閘次數(shù)

牽引網(wǎng)遭受直擊雷的方式有2種：雷擊牽引網(wǎng)和雷擊支柱。因此，每100 km牽引網(wǎng)遭受直擊雷雷擊跳閘次數(shù)為雷擊牽引網(wǎng)與雷擊支柱的跳閘次數(shù)之和，即：

式中，α為擊桿率，本文取1/6；Ng為地面落雷密度，本文采用國際大電網(wǎng)會議推薦的公式計算；d為兩外側(cè)導線之間水平距離，m；hd為最高處導線對地平均高度，m；Pj為雷擊牽引網(wǎng)耐雷水平對應的雷電流出現(xiàn)的概率；Pz為雷擊支柱時牽引網(wǎng)耐雷水平對應的雷電流出現(xiàn)的概率。

由文獻[1]可得雷擊牽引網(wǎng)時耐雷水平仿真結(jié)果為Ic= 3.85 kA，對應雷擊導線時雷電流出現(xiàn)概率為90.4%；同理雷擊支柱時牽引網(wǎng)耐雷水平為30 kA，對應雷擊支柱時雷電流出現(xiàn)概率為45.6%。

2.1.2 感應雷雷擊跳閘次數(shù)

根據(jù)規(guī)程法知線路遭受雷擊的等值線路寬度為線路最上層導線對地平均高度的4倍，即每側(cè)導線遭受直擊雷的等值線路寬度為2倍最上層導線對地平均高度，除此之外區(qū)域為遭受感應雷范圍。

首先，建立以垂直線路方向為χ軸，垂直地面方向為y軸，平行線路方向為z軸，坐標原點為距牽引網(wǎng)正饋線外側(cè)2hd所在地面處投影為原點的直角坐標系。牽引網(wǎng)遭受感應雷的雷擊范圍見圖2。

圖2 感應雷雷擊分析示意圖

每一小區(qū)間遭受雷擊的落雷次數(shù)為

此時，對于在（χi, χi+1）內(nèi)落雷時，牽引網(wǎng)的耐雷水平為

式中，d為外側(cè)導線與最高處導線間水平距離，m。

當雷電流幅值大于該值時，線路絕緣會發(fā)生閃絡，其概率為

由式（2）和式（3）得出：雷擊該小區(qū)間時的年雷擊跳閘次數(shù)為

計入圖2中所有感應落雷區(qū)，100 km長度復線牽引網(wǎng)總的年感應雷雷擊跳閘次數(shù)為

2.2 擊距法計算牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)

2.2.1 直擊雷雷擊跳閘次數(shù)

據(jù)暴露距離的物理概念，牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)nj計算如下：

式中，d為外側(cè)導線與最高處導線間水平距離，m；L為線路長度，km；DZ為導線的暴露距離，m；f(I)為雷電流的概率密度。

雷擊多導體牽引網(wǎng)不同導體的雷擊范圍見圖3，其計算過程如下：

首先，建立以地面平行直線為X軸，垂直于地面方向為Y軸，坐標原點為加強線所在位置的直角坐標系。分別設加強線對應弧線與正饋線對應弧線交點A點坐標為A(χa, ya)，正饋線對應弧線與地面擊距交點B（χb, yb），正饋線安裝位置C (χc, yc)。

此時，A點的坐標為

因此，正饋線遭受雷擊范圍：DZ= χb? χa

加強線遭受雷擊范圍：DZ= χa

代入式（4）可分別計算出雷擊加強線和雷擊正饋線的雷擊跳閘次數(shù)。

2.2.2 感應雷雷擊跳閘次數(shù)

單位長線路在雷電流為I時感應雷雷擊跳閘率為

則，100 km長度復線牽引網(wǎng)總的年感應雷雷擊跳閘次數(shù)為

圖3 多導體牽引網(wǎng)模型示意圖

3 計算實例

以文獻[1]中牽引網(wǎng)結(jié)構布置參數(shù)為例，借助本文推導計算公式分別對多導體牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)進行計算。計算結(jié)果見表1。

由表1計算結(jié)果可知：2種計算方法得出的牽引網(wǎng)總雷擊跳閘次數(shù)相當；同時，研究發(fā)現(xiàn)采用規(guī)程法計算牽引網(wǎng)直擊雷跳閘次數(shù)不能全面反映架空多導線每根導線上發(fā)生的雷擊跳閘次數(shù)，采用擊距法計算的雷擊加強線的跳閘次數(shù)為23.63次；正饋線發(fā)生雷擊跳閘次數(shù)為1.31次。最后研究發(fā)現(xiàn)：在發(fā)生的總雷擊跳閘次數(shù)中，2種計算方法中感應雷所占的比重不同，采用規(guī)程法計算的牽引網(wǎng)感應雷雷擊跳閘次數(shù)占總跳閘次數(shù)的20.26%，相反采用擊距法計算的結(jié)果表明發(fā)生感應雷雷擊跳閘次數(shù)很小，僅為0.64%，可見牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)主要由直擊雷引起。由于擊距法可以將雷電流與線路實際參數(shù)相結(jié)合，因此，其計算結(jié)果可很好地為今后制定雷電防護措施提供重要依據(jù)。

表1 多導體牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)計算結(jié)果表

最后，本文對非高架段牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)進行了仿真計算，由表2可知：2種計算方法得出的牽引網(wǎng)總雷擊跳閘次數(shù)中規(guī)程法計算結(jié)果稍偏小，與擊距法相比偏小約15.87%；同時，研究發(fā)現(xiàn)與橋梁高度為11.6m時相比采用規(guī)程法與擊距法計算的牽引網(wǎng)總跳閘次數(shù)分別降低了44.75%、26.93%，其中采用擊距法計算的雷擊加強線的次數(shù)降低為18.17次，降低了約23.11%；發(fā)生正饋線雷擊跳閘次數(shù)僅為0.17次，降低了約87.02%；而發(fā)生感應雷雷擊跳閘次數(shù)為0次，降低了100%。而采用規(guī)程法計算的牽引網(wǎng)直擊雷跳閘次數(shù)降低為11.10次，降低了約50.16%；感應雷雷擊跳閘次數(shù)基本不變。

表2 非高架段牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)計算結(jié)果表

4 結(jié)論

計算結(jié)論如下：

（1）高架橋段線路長度為100 km且沿線最大雷電流幅值在100 kA以下時，兩種計算方法得出的牽引網(wǎng)總雷擊跳閘次數(shù)相當，但采用規(guī)程法計算牽引網(wǎng)直擊雷跳閘次數(shù)不能全面反映架空多導線每根導線上發(fā)生的雷擊跳閘次數(shù)；同時研究得出在高速鐵路牽引網(wǎng)系統(tǒng)中牽引網(wǎng)雷擊跳閘次數(shù)主要由直擊雷引起，感應雷占的比重很小，僅為0.64%。而采用傳統(tǒng)規(guī)程法計算的牽引網(wǎng)感應雷雷擊跳閘次數(shù)占總跳閘次數(shù)的20.26%，該結(jié)論對今后實施防雷措施具有重要作用。

（2）牽引網(wǎng)遭受雷擊跳閘次數(shù)受橋梁高度影響很大，橋梁高度為0 m，線路長度為100 km且沿線最大雷電流幅值在100 kA以下時，采用規(guī)程法與擊距法計算的牽引網(wǎng)總跳閘次數(shù)分別降低了44.75%、26.93%；同時研究發(fā)現(xiàn)采用擊距法計算的感應雷雷擊跳閘次數(shù)為0次，牽引網(wǎng)跳閘完全由直擊雷引起，而規(guī)程法計算的感應雷雷擊跳閘次數(shù)基本不變，約占總跳閘次數(shù)的28.06%。

[1] 樊春雷，郭小霞，李漢卿．高速鐵路暫態(tài)模型搭建與仿真分析[J]．電氣化鐵道，2011，（5）：9-11．

[2] 邊凱，陳維江，等．高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)雷電防護[J]．中國電機工程學報，2013，33（10）：191-200.

[3] 李曉嵐．擊距系數(shù)及基于電氣幾何模型的輸電線路繞擊跳閘率計算的研究[D]．2005．

[4] 宋桂昭，張小青，等．客運專線牽引網(wǎng)雷擊率的計算[J]．電瓷避雷器，2013，（5）：79-83.

[5] 孫彰林，樊春雷．基于擊距法的高速鐵路牽引網(wǎng)防雷特性研究[J]．鐵道工程學報，2012，（9）：79-83.

The tripping failures of traction network in area with complex terrain are prone to occur under lightning strikes. With support of regulation method and striking distance method, quantitative calculations of times of tripping of traction network under lightning strikes are illustrated respectively in the paper, and the results show that the times of tripping of traction network under lightning strikes calculated with the two calculation methods are equivalent, however, times of tripping for each conductor are unable to be reflected with the regulation method; meanwhile, the research shows that the direct lightning strikes cause frequently tripping of traction network, with less proportion of inductive lightning strikes of 0.64%; but the times of tripping of traction network calculated by regulation method is 20.26%; and the research results will provide very important reference for design of traction network lightning protection of high speed railways in the future.

Multi-conductor; traction network; inductive lightning; lightning strike tripping rate

U228

A

1007-936X(2015)02-0004-04

2014-11-04

樊春雷.中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司，工程師，電話：022-58583819；郭小霞.中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司，工程師；李漢卿.中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司，教授級高級工程師。