本研究为国家自然科学基金(51507145)项目，全文发表在2018年4月刊《铁道标准设计》。

作者：

西南交通大学电气工程学院：曹晓斌、田明明、李瑞芳；

中铁二院工程集团有限责任公司：高保。

摘要

在接地困难的路基段接触网支柱大多采用自然接地，支柱接地电阻较大，雷击避雷线后容易遭受反击。分析间隔接地改造和部分绝缘改造对接触网雷电防护性能的影响，并利用PSCAD/EMTDC 仿真分析两种接地改造方案的雷电防护性能，从而确定合理的避雷线接地改造方案。

研究结果表明:采用间隔接地改造时，接地改造后支柱耐雷水平有较大提高，未改造支柱耐雷水平几乎不受影响，并且接地改造间距小于200 m 时雷击跳闸率有较好改善，大于200 m 以后雷击跳闸率基本没有改善;采用部分绝缘架设时，导线绝缘子由最初的反击过电压闪络演变成感应过电压闪络，无论避雷线绝缘肩架的绝缘等级高低，都无法提高接触网的耐雷水平和雷击跳闸率，因此不建议采用避雷线绝缘架设模式。

我国高速铁路接触网分布范围广，所经过地区的地理、气候条件差别较大，很容易遭受雷击。接触网一旦遭受雷击将会引起设备损坏、列车失电，导致运输中断，甚至造成行车事故威胁人身安全［1］。接触网中回流线虽然有一定的防雷作用，但回流线安装高度比承力索低，其架设高度没有达到有效的直击雷的防护高度，因此回流线仅能起到电力部门采取的架设耦合地线的防雷作用，不能有效的防止直击雷。

随着雷击事故的频繁发生，接触网防雷逐渐引起了人们的注意。我国近几年在接触网防雷领域也展开了充分的研究，一些相关的文献针对接触网单独架设避雷线展开了充分的研究。文献［2］在分析了我国高速铁路雷电防护体系的基础上，指出我国雷电防护体系的缺陷，提出有效的接触网防雷方案。同时为了防止直击雷，提出架设避雷线和升高PW 线或回流线兼做避雷线的接触网防雷方案，经过分析发现架设避雷线可以有效提高接触网耐雷水平，降低雷击跳闸率［3-7］。文献［8-9］应用电气几何模型分析了高速铁路接触网防雷性能，同时建立了牵引网三维雷击电气几何模型，推导了高速铁路牵引网直击雷击跳闸率的计算公式。经过国内专家多方面讨论，已近初步形成了架设避雷线的可行性，但是关于避雷线的架设方式目前还没有相关的研究。目前大多数接触网支柱一般利用支柱本身金属部分进行自然接地，支柱接地部分很少设置单独的接地体。对于一些沿线经过山区、高原冻土地区接地困难的路基段铁路，其土壤电阻率可达到3 000 Ω·m以上，利用自然接地时其接地电阻一般较大，可达到几十欧姆甚至上百欧姆，并且随着时间的推移接地电阻不断增高。接触网架设避雷线后，雷电防护性能与避雷线的接地方式以及支柱的接地电阻密切相关，当接地电阻较大时接触网容易遭受反击。如果针对每一支柱进行接地改造，降低支柱的接地电阻，这样工程投资费用势必会很高。针对此种情况，分析间隔接地改造方案对接触网雷电防护性能的影响，在此基础上进一步分析部分绝缘改造方案是否可行，本文的研究对以后的接触网防雷接地设计与施工有着重要的意义。

采用PSCAD/EMTDC 仿真分析接触网避雷线在不同的接地改造方案下，接触网反击耐雷水平以及雷击跳闸率的变化，最终确定合理的接地改造方案，为我国接触网防雷改造提供有效的指导。

1 避雷线接地改造方案

1. 1 避雷线间隔接地改造方式

接触网支柱主要通过自然接地方式进行接地，对于接地困难的路基段支柱接地电阻较大，架设避雷线接触网后非常容易遭受反击。当接触网支柱的形式、尺寸，绝缘子的形式和数量确定后，影响接触网反击耐雷水平的主要因素则是支柱的接地电阻值，因此降低支柱接地电阻是防止反击的主要措施。降低支柱接地电阻的主要措施是对支柱接地进行改造，增加接地极数量。但是接触网支柱分布较密集，如果对每一支柱进行接地改造，实施起来较为困难，并且工程投资费用较高，这种方案不太现实。因此提出采用间隔接地改造方式，在保证接触网雷电防护性能的基础上，一定程度上可以降低接触网遭受反击的概率，同时可以有效降低工程投资和施工难度。接地改造间距对接触网整体的雷电防护性能影响较大，因此将重点讨论接地改造间距对整体雷电防护性能的影响。

1. 2 避雷线部分绝缘改造方式

当雷击支柱时有80%以上的雷电流通过支柱分流，支柱接地电阻较大时，很容易造成地电位反击。采用间隔接地改造时，未进行接地改造的支柱其接地电阻仍然较大，雷击支柱时仍然有可能遭受反击。在接触网防雷时可以考虑将雷电流赶到和限定在降阻的支柱上泄放，提出采用部分绝缘架设方式。通过绝缘架设方式，雷电流不能通过接地电阻较大的支柱进行分流，只能通过相邻的接地改造后的支柱进行分流，从而有效避免接触网遭受反击，同时也可以避免对接地极进行改造，从而降低工程费用。

2 避雷线间隔接地方式研究

2. 1 计算条件

我国高速铁路牵引供电系统一般采用AT 供电方式，在正常情况下，通过牵引变电所向接触网供电，供电臂长一般在30～50 km。AT 供电方式具有供电距离长，电磁干扰小等优点［13］。

2. 2 不同间距接地改造对耐雷水平影响分析

避雷线采用间隔接地改造时，接地改造间距的大小直接影响接触网整体的雷电防护性能，因此本节重点讨论接地改造间距大小对接触网耐雷水平的影响。当自然接地电阻不同时，接触网改造前后耐雷水平不相同。

通过研究分析发现，接触网支柱接地改造越密集，其整体耐雷水平提高的越高，但同时相应的接地改造费用也会相应的增加。因此在实际接触网防雷改造中，因根据当地的雷暴天气、地形地貌等条件选择合理的接地改造方案。

2. 3 不同间距接地改造对雷击跳闸率影响

在雷电活动强度以及电阻率不同的地区，采用不同间距进行接地改造时，接触网整体的雷击跳闸率并不相同。因此本节重点讨论在不同雷暴日和自然接地电阻条件下，采用不同间距进行改造时，分析接触网雷击跳闸率的变化。

3 避雷线部分绝缘架设方式研究

3. 1 避雷线部分绝缘架设对耐雷水平影响

避雷线采用部分绝缘改造方式时，选取接触网接地改造间距为100 m 时的情况进行分析，即，避雷线在未进行接地改造的支柱上采用绝缘安装，接地改造后的支柱上采用非绝缘安装。接地改造后支柱接地电阻值仍然为10 Ω，未改造支柱接地电阻在30 ～ 110 Ω 范围变化。

3. 2 避雷线采用部分绝缘架设闪络原因分析

为了进一步分析避雷线绝缘肩架以及导线绝缘子整个击穿过程，给出了避雷线绝缘肩架在3 种不同绝缘水平下导线临界闪络时的波形。

4 结论

本文研究了AT 供电方式下避雷线间隔接地方式和部分绝缘改造方式的雷电防护性能，主要结论如下。

(1)采用不同间距进行间隔接地改造时，发现虽然改造后的支柱耐雷水平有较大的提高，但未改造支柱其耐雷水平几乎不受影响;当线路支柱接地改造间隔小于200 m 时，总体雷击跳闸率有较大改善，但间距大于200 m 后，雷击跳闸率基本没有改善。

(2)当避雷线采用部分绝缘改造时，由于避雷线绝缘肩架先闪络，导致支柱耐雷水平与非绝缘架设时相同;若进一步提高避雷线绝缘肩架的绝缘水平，由于避雷线雷电流在导线上产生的感应过电压将导致导线绝缘子闪络，其耐雷水平反而低于避雷线非绝缘架设。

(3)避雷线绝缘肩架绝缘等级高低，对线路的耐雷水平和雷击跳闸率无影响，不建议采用避雷线绝缘架设模式;间隔进行支柱接地改造虽然能部分提高支柱耐雷水平，但对整体雷击跳闸率有一定的效果，并且能有效降低工程投资，宜根据具体情况选择。

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本文发表在《铁道标准设计》2018.4，全文收录在即将发布的《中国防雷资讯汇编》，敬请关注。