基于雷電先導法的高架橋雷擊特性研究

吳顯志，李瑞芳，陳　奎，韓　虎，金　亮

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基于雷電先導法的高架橋雷擊特性研究

吳顯志1，李瑞芳2，陳奎2，韓虎2，金亮2

（1.廣州地鐵集團有限公司，廣東省 廣州市 510010；2.西南交通大學電氣工程學院，四川省 成都市 610031）

近幾年來，我國的高鐵事業不斷發展，由雷擊接觸網所造成的故障不斷增加，而接觸網一旦發生故障就將直接影響高速列車安全、穩定的運行。本文主要分析雷電先導發展過程中，雷電流下行先導發展對線路表面感應電場的產生的影響，在先導發展模型現有研究的基礎上，使用模擬電荷法計算雷電下行先導向下發展時接觸網線路表面電場強度的變化，研究雷電流幅值、接觸網導線等條件對接觸網上行先導產生的影響。研究結果表明：隨著雷電流幅值的變化，一級定位點高度不斷的增大。存在高架橋時，隨著雷電流幅值的增大，一級定位點高度增加的更明顯。

雷電；高速鐵路；接觸網；下行先導；高架橋

1　引言

隨著我國經濟建設的快速發展，運輸供需矛盾日益嚴重，而高速鐵路以其運營速度快、輸送能力強、節能環保等優勢，在我國得到快速發展。我國高速鐵路分布范圍很廣，所通過地區地貌、氣候、地質條件差別很大，很容易遭受雷擊［1～2］。高鐵牽引供電系是高速鐵路的電力源泉，是電力機車與機電系統正常運行的動力保證。高速鐵路牽引供電系統一旦發生故障，將導致列車失電、設備損壞，引起運輸中斷等，使線路失去運營能力，造成重大的經濟損失，更嚴重將造成行車事故以及人員傷亡［3～4］。

目前世界上研究者對于雷電的研究主要集中在兩個方面：一是對雷暴日，落雷密度，雷電流幅值、波形及其分布統計，正負極性雷比例統計等的研究。另一方面主要是研究雷電放電物理過程，包括雷云的形成，云中電荷的分布，云間放電和對地放電機理等。通過對于雷電形成以及發展的物理過程的研究，有利于預測雷擊發生時的雷擊點位置，準確計算避雷線和避雷針的保護范圍，減少雷擊對線路造成的傷害［5］。

典型的用于分析雷電發展的方法主要有規程法、電氣幾何模型和先導發展模型，先導發展模型充分考慮了雷電發展過程中，導線周圍空間電場的變化情況，更符合雷電發展的物理機理［6］。因此通過使用先導發展模型分析高架橋接觸網的上行先導發展，有利于其防雷設施的設計，提高線路運行的安全性。

本文利用雷電先導理論建立了雷電先導法的高架橋雷擊模型，計算雷電下行先導向下發展時接觸網線路表面電場強度的變化，研究雷電流幅值、接觸網導線等條件對接觸網上行先導產生的影響。相關研究結果能為高速鐵路高架橋防雷提供借鑒。

2　雷電先導發展模型

線路上行先導起始判據通常使用線路周圍某一種物理參數，如感應電位、感應場強、電暈尺寸等，用來判斷線路是否能夠滿足產生上行先導起始的條件［7］。

本文中，上行先導起始判據采用Peek判據。在導線表面上行先導起始之前，認為雷電下行先導是豎直向下發展，當導線表面產生上行先導之后，下行先導開始往場強最大的方向發展，而導線的上行先導始終是朝著下行先導頭部的方向發展。并且假設上行先導通道內部電荷也是均勻分布的，電荷密度與下行先導通道電荷密度相同。

下行先導與上行先導頭部之間或者下行先導與沒有發生上行先導的地面目的物表面之間的平均電場強度超過臨界擊穿場強時，判定發生擊穿［8］。一般情況下，學者們認為當雷電下行先導與線路結構中導線、避雷線、桿塔等之間的臨界擊穿電壓為500kV/m，而與大地之間的臨界擊穿電壓要更大，達到750kV/m時才能夠完成擊穿。雷電下行先導與上行先導之間的電場強度取決于各自頭部的點位以及兩者的空間位置。下行先導頭部電位通過計算下行通道中電荷在頭部的分布得到。

筆者采用將模擬電荷法與先導發展模型相結合，進行電場計算的基礎上，模擬雷電先導發展的物理過程。接觸網雷電先導發展模型如圖1。

圖1　接觸網雷電先導發展模型

3　基于模擬電荷法的空間場強計算

本文使用模擬電荷法計算雷電下行通道對接觸網線路表面感應電場。模擬電荷法是用于靜電場數值計算的主要方法之一，可以看作是鏡像法的推廣，該方法依據是靜電場的唯一性定理，將導體表面連續分布的自由電荷用導體內部離散分布的一組電荷進行代替［9］。

對于雷電先導發展模型，為了便于分析，作以下幾個假設：上行先導頭部電位為導線電位；只考慮雷電通道內電荷對線路空間電場的影響；不考慮同時擊中兩個目的物的情況。同時將雷電下行先導通道電荷分別用一段線電荷和頭部的點電荷進行代替，用于模型計算。

4　上行先導發展過程中的影響因素研究

4.1接觸網模型

計算所用接觸網模型如圖2，接觸網系統選用LGJ120/70的避雷線，JTM95/93.27承力索。為了方便計算，下面只計算左側線路所產生的上行先導，同時，由于承力索空間位置處于接觸線上方，并且兩者存在電氣連接，因此假設承力索一定先于接觸線產生上行先導，所以只考慮計算避雷線與承力索上行先導。

4.2雷電流幅值對一級定位點的影響

選擇雷電流側面距離10m，無高架橋接觸網，雷電流在接觸網的左側，計算當雷電流幅值從5～50kA變化時導線表面感應場強，利用Peek判據計算得避雷線和承力索的臨界場強，進而得到一級定位點高度與雷電流幅值的關系圖3所示。

圖2　接觸網計算參數模型

圖3　一級定位點高度與雷電流幅值關系圖

從圖3中一級定位點高度和雷電流幅值的關系圖可以發現，兩者之間呈斜率減少的曲線上升變化。一級定位點高度代表著接觸網線路上行先導起始的難易程度，高度越高，越容易產生上行先導。在雷電流幅值較小時，一級定位點高度隨著雷電流幅值的增大增加的更快，而隨著雷電流幅值的增大，一級定位點高度增加的速率會有所降低。可以得到的結論：當雷電流幅值增大時，對于同一接觸網線路而言，一級定位點高度也將增大，接觸網線路會在更高的位置產生上行先導，也就意味著線路更加容易被擊穿。

4.3避雷線半徑對一級定位點高度的影響

計算時采用無高架橋接觸網線路結構，固定雷電流幅值為I=30kA，雷電流側面距離10m，分別計算當接觸網避雷線采用LGJ-185/25、LGJ-240/30、LGJ-300/50、LGJ-400/35鋼絞線時的一級定位點高度。四種避雷線的臨界場強均為2.8798× 103kV/m。計算發現當所采用的避雷線半徑增大時，一級定位點高度也在增大，并且可以推測得到線路半徑對一級定位點高度的影響比較大。

導線半徑主要是影響到了線路感應場強的大小，由于Peek判據臨界電暈半徑的關系，導線半徑較小時，不會影響到臨界場強的大小，而是只影響感應場強的大小。通過感應場強計算過程可以知道，導線半徑對于感應電壓以及感應電荷量等參數的計算都有影響，所以導線半徑最終可以影響一級定位點的高度。

4.4高架橋高度對一級定位點高度的影響

雷電流側面距離固定為10m，在線路左側，接觸網線路無高架橋的情況在之前已經完成計算，現在計算10m高架橋、16m高架橋接觸網線路的一級定位點高度。

高架橋高度與一級定位點高度關系如圖4所示。通過計算結果可以知道，當接觸網線路存在高架橋結構時，會極大的提高線路一級定位點高度，線路上行先導起始變得更加容易。同時，對于同一線路來說，當存在高架橋時，隨著雷電流幅值的增大，一級定位點高度增加的更明顯。

圖4　一級定位點高度與高架橋關系圖

5　結論

本文分析了雷電下行先導向下發展時接觸網線路表面電場強度的變化，研究雷電流幅值、接觸網導線等條件對接觸網上行先導產生的影響，得出結論如下：

（1）當雷電流幅值增大時，對于同一接觸網線路而言，一級定位點高度也將增大，接觸網線路會在更高的位置產生上行先導。

（2）導線半徑對于感應電壓以及感應電荷量等參數的計算都有影響。所采用的導線半徑增大時，一級定位點高度也在增大。

（3）接觸網高架橋的存在主要影響到的是接觸網線路導線的高度。隨著高架橋高度的增高，線路更容易產生上行先導。

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吳顯志（1982-），男，高級工程師，研究方向為軌道交通領域過電壓研究。李瑞芳（1980-），女，博士，講師，研究方向為高電壓與絕緣技術。陳 奎（1989-），男，碩士研究生，研究方向為超高壓輸電線路過電壓與接地技術。

P427.32

A

2095-2066（2016）16-0173-02

2016-5-22