接觸網線路避雷器不同安裝方式的防雷效果

張雪原

0 引言

隨著高速鐵路的發展，列車速度提高，密度加大，雷擊接觸網跳閘會使整個鐵路運輸系統增大調節難度，這就迫切要求采取措施降低雷擊跳閘次數，提高供電可靠性。

安裝線路避雷器是降低線路雷擊跳閘次數的措施之一。接觸網的額定電壓為25 kV，其絕緣等級與電力系統中配電網相當，但由于牽引供電網的特殊性，對接觸網防雷還需要進行更為精確的理論分析。

本文利用國內線路絕緣子和雷電概率分布的基礎數據，建立牽引網的雷擊跳閘概率模型，分析線路避雷器與雷擊跳閘概率的關系。

1 雷擊時支柱頂部電壓

1.1 雷擊導線的情況

當雷擊接觸網導線時，如果絕緣子在雷電過電壓下被擊穿，雷電流一部分沿支柱泄入大地，另一部分沿接觸網繼續向前傳播，如果在接觸網上繼續傳播的電流足夠大，還會引起后面的支柱絕緣子閃絡，為了分析這種多根支柱絕緣子同時閃絡的情況，應首先確定支柱的分流系數。

雷擊接觸網時，雷電流向2個方向傳播，可以認為這2個方向上雷電流的分布是對稱的，只對其中的一個方向支柱的分流情況進行分析即可。設：接觸網一個方向上傳播的雷電流是ic，為斜角波頭，ic=at，波頭長度為τ，每檔接觸網的等值電感為Lc，支柱的等值電感為Lp，支柱的接地電阻為Rg，雷電流分流系數為βc。則βc的計算電路如圖 1所示。

圖1 支柱分流系數計算電路圖

可以推導出，當雷電流最大時支柱的分流系數

設雷電流的幅值為IL，則在接觸網上向一邊傳播的雷電流幅值為IL/2，第1根支柱頂部（從距離雷擊點最近的支柱開始由近到遠對支柱編號）的電壓，第2根支柱頂部的電壓，依次類推，如果第n根支柱的絕緣子閃絡，則第n根支柱頂部的電壓

由于支柱結構和接地體的不同，每根支柱的分流系數會有所差異，但差異并不大，以上支柱頂部的電壓計算中，分流系數取同一值即可滿足工程分析的精度。

1.2 雷擊支柱的情況

當雷擊支柱時，如果支柱絕緣子發生閃絡，雷電流一部分沿支柱流散到土壤中，另外一部分電流沿接觸網向兩邊傳播，此時支柱的分流系數與雷擊接觸網的分流系數不同。根據第1.1節的計算方法，可以推導出雷擊支柱時支柱的分流系數

當絕緣子閃絡后，遭受雷擊支柱頂部（雷擊支柱編號為 1，由近到遠對支柱依次編號）的電壓，第 2根支柱頂部的電，依次類推，如果第n根支柱的絕緣子閃絡，則第n根支柱頂部的電壓壓

當雷擊導線時，第1根支柱絕緣子是否閃絡取決于雷電流的幅值，第2根支柱的絕緣子是否閃絡取決于第1根支柱絕緣子閃絡后其頂部的殘壓，如果第 1根支柱頂部殘壓超過接觸網絕緣子的閃絡電壓，則第2根支柱的絕緣子發生閃絡，反之第2根支柱絕緣子不閃絡；同樣，第n根支柱絕緣子的閃絡情況取決于第（n- 1）根支柱頂部殘壓的情況。

2 線路避雷器對雷擊跳閘概率的影響

為了降低接觸網的雷擊跳閘概率，可以在支柱上裝設避雷器。裝避雷器的支柱基礎進行接地處理，使其接地電阻降低到 10 Ω以下；而其余的支柱不做該接地處理，其接地電阻平均取 30 Ω。在裝有線路避雷器的接觸網中，如果發生雷擊，雷電流通過避雷器沿支柱向大地流散，沒有電弧產生。但是，避雷器本身有沖擊殘壓，與支柱的絕緣子直接擊穿相比，沖擊殘壓可能使臨近支柱頂部的電位升高，也可能使臨近支柱頂部的電位降低，這取決于是雷擊導線還是雷擊支柱，為了使問題簡化，忽略沖擊殘壓的影響，可認為放電時避雷器上的電壓降為零。

如果每根支柱都安裝避雷器，在遭遇雷擊時，可以認為不會引起絕緣子閃絡，從技術上講，這是一種理想狀態。但工程上為了節約資金，希望盡可能少裝設避雷器而達到盡可能好的防雷效果。不同安裝情況的防雷效果會不一樣，下面對不同的安裝方式進行討論。

先討論每隔1根支柱安裝避雷器的情況。

如圖 2所示，圖中黑點表示安裝避雷器的支柱，白點表示沒有安裝避雷器的支柱。雷擊分3種情況：雷擊導線（A點位置）、雷擊未安裝避雷器的支柱（B點位置）、雷擊安裝避雷器的支柱（C點位置）。

圖2 每隔1根支柱安裝避雷器的雷擊位置示意圖

（1）第1種情況：雷擊導線。

當雷擊導線時，如圖2中A所示的位置，從雷擊點處最近的支柱開始編號，雷擊點左邊的支柱，從右向左依次為-1，-2，-3，-4等，雷擊點右邊的支柱，從左向右依次為1，2，3，4等。第n根支柱絕緣子的閃絡概率由式（5）計算。

式（5）中βn為第n根支柱的分流系數，支柱接地電阻不同，分流系數也不同。

計算得到：P-4= 6.025 5×10-12，P-2= 0.164 8，P1= 0.910 5，P3= 0.008 1。左邊編號為-4的支柱絕緣子閃絡的概率很小，對跳閘概率的影響可以忽略不計，只考慮3根支柱絕緣子閃絡的情況。設在3根支柱中只有 1根支柱絕緣子閃絡的概率為PL1(1)，同時有 2根支柱絕緣子閃絡的概率為PL1(2)，同時有 3根支柱絕緣子閃絡的概率為PL1(3)。則PL1(1) = 0.738 7，PL1(2) = 0.156 7，PL1(3) = 0.008 1。設雷擊的跳閘概率為PL1A，則

（2）第2種情況：雷擊未安裝避雷器的支柱。

當雷擊未安裝避雷器的支柱時，如圖 2中 B所示的位置，從雷擊支柱開始編號，由式（5）可以計算出：P1= 0.797 1，P-3=P3= 0.007 1。設在3根支柱中只有 1根支柱絕緣子閃絡的概率為PP1(1)，同時有 3根支柱絕緣子閃絡的概率為PP1(3)。則有PP1(1) = 0.790 0，PP1(3) = 0.007 1。設雷擊的跳閘概率為PL1B，則

（3）第3種情況：雷擊安裝避雷器的支柱。

當雷擊安裝避雷器的支柱時，如圖2中C所示的位置。同樣從雷擊支柱開始編號，由式（5）可以計算出：P-2=P2= 0.164 8，P-4=P4= 6.025 5×10-12。編號為-4和4的支柱的絕緣子閃絡概率很小，可以忽略不計，這樣，只有2根支柱同時閃絡的情況。設2根支柱同時閃絡的概率為PR1(2)，則有PR1(2) = 0.164 8，設雷擊的跳閘概率為PL1C，則

在該安裝方式下，從A點到C點中，2個檔距、1根安裝避雷器的支柱和1根沒有安裝避雷器的支柱遭受雷擊的跳閘情況即可反映總的線路遭受雷擊的跳閘情況。由于擊桿率為 0.5，所以，在一次雷擊中，每根支柱遭受雷擊的概率為0.25，每檔導線遭受雷擊的概率也為0.25，設總的雷擊跳閘概率為PT(1)，則

同樣，可以計算出間隔多根支柱安裝避雷器的雷擊跳閘概率，計算結果列于表1。

經計算，如果接觸網上沒有安裝線路避雷器，則雷擊跳閘概率為0.539 1。

表1 避雷器的安裝方式與雷擊跳閘概率關系表

在支柱上安裝線路避雷器可以降低雷擊跳閘概率，該概率隨避雷器數量的增多而降低。除了每根支柱安裝避雷器的方式外，其他的安裝方式都不能避免雷擊產生的跳閘。其原因有2個：一是由于接觸網的絕緣比較薄弱，在雷電流作用下會造成支柱的連續閃絡，二是雷擊點具有隨機性，雷擊并不總是落在安裝避雷器的支柱或附近的導線上，而未安裝避雷器的支柱或附近的導線也可能遭到雷擊。

除直擊雷過電壓外，感應雷過電壓也能引起支柱絕緣子閃絡，線路避雷器對該過電壓也能進行防護。由于感應雷的過電壓幅值較小，引起支柱絕緣子連續閃絡的情況較少。但由于雷擊點的隨機性，雷電流在接觸網上產生的感應電壓峰值的最初位置也是隨機的，而該最初位置與線路避雷器的距離決定了沒有安裝避雷器支柱的絕緣子閃絡的概率。

3 結論

在直擊雷作用下，不考慮支柱絕緣子連續閃絡的情況時雷擊跳閘概率為 0.255 2，考慮支柱絕緣子連續閃絡時雷擊跳閘概率為 0.539 1，后者是前者的2.112倍，兩者相差很大。這說明，電氣化鐵道中的接觸網外絕緣水平比較低，容易在雷電過電壓下發生支柱絕緣子連續閃絡是一個顯著的特點，在分析接觸網耐雷水平和各種防護措施的效果時忽略該特點都會帶來很大的誤差。

在接觸網上安裝線路避雷器能降低雷擊跳閘概率，隨著線路避雷器數量的增加而雷擊跳閘率減少。但除了每根支柱安裝避雷器的方式外，其他的安裝方式都不能使雷擊跳閘次數降為零，在每隔1根支柱安裝1個避雷器的方式下，直擊雷下的跳閘概率為 0.216 7，這說明線路避雷器并不適合廣闊區間的分散式防雷方式，而是在雷擊比較密集的地點采取密集的安裝方式才能取得很好的防雷效果。

[1]于增.接觸網防雷技術研究[J].鐵道工程學報, 2002(1):89-94.

[2]Ken Uehara GO.Investigation of lightning damages on distribution lines[J].IEEE Transactions on Power Application and Systmes, 1968, 87(4): 1018-1025.

[3]Philip P.Barker, Ramon T.Mancao, David J.Kvaltine EA.Characteristics of lightning surges measured at metal oxide distribution arresters[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1993, 8(3): 301-310.

[4]McDaniel J.Line arrester application field study[A].Transmission and Distribution Conference and Exposition[C],2001:1025-1029.

[5]Short T.A., Ammon R.H.Monitoring results of the effectiveness of the surge arrester spacing on distribution line pretection[J].IEEE Trans.Power Delivery, 1999,(14):1142-1150.

[6]McDerrott T.E., Short T.A., Anderson J.G..Lightning protection of distribution Line[J].IEEE Trans.Power Delivery.1994,(9):138-152.

[7]Zoro R, Zoro R, Mefiardhi R, et al.Observation on improved 20 kV's overhead distribution lines against lightning[A].Properties and Applications of Dielectric Materials, 2006.8th International Conference on[C],2006:979-983.

[8]Sadovic S., Joulie R., Tartier S., etal.Use of line surge arresters for the improvement of the lightning performance of 63 kV and 90 kV shielded and unshielded transmission lines[J].IEEE Trans.Power Delivery, 1997, 12(3):1232-1240.

[9]Luiz Cera Zanetta Jr..Evaluation of line surge arrester failure rate for multipulse lightning stresses[J].IEEE Trans.Power Delivery, 2003, 18(3):796-801.

[10]Tarchini J.A., Gimenez W.Line surge arrester selection to improve lightning performance of transmission lines n[C].Power Tech Conference Proceedings, IEEE Bologna,2003,2(6):23-26.

[11]Wahab Y.A., Abidin Z.Z., Sadovic S.Line surge arrester application on the quadruple circuit transmission line n[C].Power Tech Conference Proceedings, IEEE Bologna,2003,3(6): 23-26.