基于雷电先导法的高架桥雷击特性研究

吴显志，李瑞芳，陈　奎，韩　虎，金　亮



基于雷电先导法的高架桥雷击特性研究

吴显志1，李瑞芳2，陈奎2，韩虎2，金亮2

（1.广州地铁集团有限公司，广东省 广州市 510010；2.西南交通大学电气工程学院，四川省 成都市 610031）

近几年来，我国的高铁事业不断发展，由雷击接触网所造成的故障不断增加，而接触网一旦发生故障就将直接影响高速列车安全、稳定的运行。本文主要分析雷电先导发展过程中，雷电流下行先导发展对线路表面感应电场的产生的影响，在先导发展模型现有研究的基础上，使用模拟电荷法计算雷电下行先导向下发展时接触网线路表面电场强度的变化，研究雷电流幅值、接触网导线等条件对接触网上行先导产生的影响。研究结果表明：随着雷电流幅值的变化，一级定位点高度不断的增大。存在高架桥时，随着雷电流幅值的增大，一级定位点高度增加的更明显。

雷电；高速铁路；接触网；下行先导；高架桥

1　引言

随着我国经济建设的快速发展，运输供需矛盾日益严重，而高速铁路以其运营速度快、输送能力强、节能环保等优势，在我国得到快速发展。我国高速铁路分布范围很广，所通过地区地貌、气候、地质条件差别很大，很容易遭受雷击［1～2］。高铁牵引供电系是高速铁路的电力源泉，是电力机车与机电系统正常运行的动力保证。高速铁路牵引供电系统一旦发生故障，将导致列车失电、设备损坏，引起运输中断等，使线路失去运营能力，造成重大的经济损失，更严重将造成行车事故以及人员伤亡［3～4］。

目前世界上研究者对于雷电的研究主要集中在两个方面：一是对雷暴日，落雷密度，雷电流幅值、波形及其分布统计，正负极性雷比例统计等的研究。另一方面主要是研究雷电放电物理过程，包括雷云的形成，云中电荷的分布，云间放电和对地放电机理等。通过对于雷电形成以及发展的物理过程的研究，有利于预测雷击发生时的雷击点位置，准确计算避雷线和避雷针的保护范围，减少雷击对线路造成的伤害［5］。

典型的用于分析雷电发展的方法主要有规程法、电气几何模型和先导发展模型，先导发展模型充分考虑了雷电发展过程中，导线周围空间电场的变化情况，更符合雷电发展的物理机理［6］。因此通过使用先导发展模型分析高架桥接触网的上行先导发展，有利于其防雷设施的设计，提高线路运行的安全性。

本文利用雷电先导理论建立了雷电先导法的高架桥雷击模型，计算雷电下行先导向下发展时接触网线路表面电场强度的变化，研究雷电流幅值、接触网导线等条件对接触网上行先导产生的影响。相关研究结果能为高速铁路高架桥防雷提供借鉴。

2　雷电先导发展模型

线路上行先导起始判据通常使用线路周围某一种物理参数，如感应电位、感应场强、电晕尺寸等，用来判断线路是否能够满足产生上行先导起始的条件［7］。

本文中，上行先导起始判据采用Peek判据。在导线表面上行先导起始之前，认为雷电下行先导是竖直向下发展，当导线表面产生上行先导之后，下行先导开始往场强最大的方向发展，而导线的上行先导始终是朝着下行先导头部的方向发展。并且假设上行先导通道内部电荷也是均匀分布的，电荷密度与下行先导通道电荷密度相同。

下行先导与上行先导头部之间或者下行先导与没有发生上行先导的地面目的物表面之间的平均电场强度超过临界击穿场强时，判定发生击穿［8］。一般情况下，学者们认为当雷电下行先导与线路结构中导线、避雷线、杆塔等之间的临界击穿电压为500kV/m，而与大地之间的临界击穿电压要更大，达到750kV/m时才能够完成击穿。雷电下行先导与上行先导之间的电场强度取决于各自头部的点位以及两者的空间位置。下行先导头部电位通过计算下行通道中电荷在头部的分布得到。

笔者采用将模拟电荷法与先导发展模型相结合，进行电场计算的基础上，模拟雷电先导发展的物理过程。接触网雷电先导发展模型如图1。

图1　接触网雷电先导发展模型

3　基于模拟电荷法的空间场强计算

本文使用模拟电荷法计算雷电下行通道对接触网线路表面感应电场。模拟电荷法是用于静电场数值计算的主要方法之一，可以看作是镜像法的推广，该方法依据是静电场的唯一性定理，将导体表面连续分布的自由电荷用导体内部离散分布的一组电荷进行代替［9］。

对于雷电先导发展模型，为了便于分析，作以下几个假设：上行先导头部电位为导线电位；只考虑雷电通道内电荷对线路空间电场的影响；不考虑同时击中两个目的物的情况。同时将雷电下行先导通道电荷分别用一段线电荷和头部的点电荷进行代替，用于模型计算。

4　上行先导发展过程中的影响因素研究

4.1接触网模型

计算所用接触网模型如图2，接触网系统选用LGJ120/70的避雷线，JTM95/93.27承力索。为了方便计算，下面只计算左侧线路所产生的上行先导，同时，由于承力索空间位置处于接触线上方，并且两者存在电气连接，因此假设承力索一定先于接触线产生上行先导，所以只考虑计算避雷线与承力索上行先导。

4.2雷电流幅值对一级定位点的影响

选择雷电流侧面距离10m，无高架桥接触网，雷电流在接触网的左侧，计算当雷电流幅值从5～50kA变化时导线表面感应场强，利用Peek判据计算得避雷线和承力索的临界场强，进而得到一级定位点高度与雷电流幅值的关系图3所示。

图2　接触网计算参数模型

图3　一级定位点高度与雷电流幅值关系图

从图3中一级定位点高度和雷电流幅值的关系图可以发现，两者之间呈斜率减少的曲线上升变化。一级定位点高度代表着接触网线路上行先导起始的难易程度，高度越高，越容易产生上行先导。在雷电流幅值较小时，一级定位点高度随着雷电流幅值的增大增加的更快，而随着雷电流幅值的增大，一级定位点高度增加的速率会有所降低。可以得到的结论：当雷电流幅值增大时，对于同一接触网线路而言，一级定位点高度也将增大，接触网线路会在更高的位置产生上行先导，也就意味着线路更加容易被击穿。

4.3避雷线半径对一级定位点高度的影响

计算时采用无高架桥接触网线路结构，固定雷电流幅值为I=30kA，雷电流侧面距离10m，分别计算当接触网避雷线采用LGJ-185/25、LGJ-240/30、LGJ-300/50、LGJ-400/35钢绞线时的一级定位点高度。四种避雷线的临界场强均为2.8798× 103kV/m。计算发现当所采用的避雷线半径增大时，一级定位点高度也在增大，并且可以推测得到线路半径对一级定位点高度的影响比较大。

导线半径主要是影响到了线路感应场强的大小，由于Peek判据临界电晕半径的关系，导线半径较小时，不会影响到临界场强的大小，而是只影响感应场强的大小。通过感应场强计算过程可以知道，导线半径对于感应电压以及感应电荷量等参数的计算都有影响，所以导线半径最终可以影响一级定位点的高度。

4.4高架桥高度对一级定位点高度的影响

雷电流侧面距离固定为10m，在线路左侧，接触网线路无高架桥的情况在之前已经完成计算，现在计算10m高架桥、16m高架桥接触网线路的一级定位点高度。

高架桥高度与一级定位点高度关系如图4所示。通过计算结果可以知道，当接触网线路存在高架桥结构时，会极大的提高线路一级定位点高度，线路上行先导起始变得更加容易。同时，对于同一线路来说，当存在高架桥时，随着雷电流幅值的增大，一级定位点高度增加的更明显。

图4　一级定位点高度与高架桥关系图

5　结论

本文分析了雷电下行先导向下发展时接触网线路表面电场强度的变化，研究雷电流幅值、接触网导线等条件对接触网上行先导产生的影响，得出结论如下：

（1）当雷电流幅值增大时，对于同一接触网线路而言，一级定位点高度也将增大，接触网线路会在更高的位置产生上行先导。

（2）导线半径对于感应电压以及感应电荷量等参数的计算都有影响。所采用的导线半径增大时，一级定位点高度也在增大。

（3）接触网高架桥的存在主要影响到的是接触网线路导线的高度。随着高架桥高度的增高，线路更容易产生上行先导。

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吴显志（1982-），男，高级工程师，研究方向为轨道交通领域过电压研究。李瑞芳（1980-），女，博士，讲师，研究方向为高电压与绝缘技术。陈 奎（1989-），男，硕士研究生，研究方向为超高压输电线路过电压与接地技术。

P427.32

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2095-2066（2016）16-0173-02

2016-5-22