高铁接触网避雷器(一)
浅谈高速铁路接触网防雷措施
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浅谈高速铁路接触网防雷措施
作者：吴文斌
来源：《科学与财富》2015年第04期
摘 要：高速铁路的发展迅速，使得接触网作为来担负高铁机车的供电设备具有着十分重要的作用，接触网位于高铁线路走向的最上方，接触网它极易遭受雷击的影响而引起设备的损坏。本文根据国内外接触网的防雷现状和防雷措施的具体实施，分析并计算出了是否要采用避雷线，接触网遭受雷击的过程也是它过电压情况、耐雷水平的反馈，在仿真的软件测试中搭建相应的接触网遭受雷击模型，仿真软件的使用的验证了接触网架能否达到避雷的效果，为了高速铁路的接触网全线架设避雷线的防雷作用提供了有利依据。
关键词：高速铁路；接触网；防雷；措施
从目前我国的高速铁路的开通情况来看，一部分的线路雷击事故还是较为频繁的，雷害导致的跳闸也是其中的一个重要因素。随着我国铁道运营里程的快速发展，重载以及高速铁路的迅猛发展，从而减少因接触网发生雷击故障而造成的事故发生，它具有重要的理论意义与工程应用价值。我们可以利用电气化的几何模型来分析回流线对于接触网雷击的屏蔽效果，并通过仿真软件分析雷击回流线的时候接触网上所感应的电压。并深入研究高速铁路 AT 供电的方式以及接触网避雷线的保护情况，从而推导出高架桥单线与复线铁路的避雷线设计高度。
一、国内外高速铁路接触网防雷的现状
随着我国高速铁路的快速发展，应考虑牵引高铁线路的结构等级与所经过的地区的雷电灾害频率，所经过的土壤所含电阻率与地形地貌等自然条件的情况，共同来设计牵引系统所进行的防雷设计。欧洲率先就拥有高速铁路的国家之一，它对雷击的接触网造成了牵引性的供电系统灾害有着丰富的实践经验，设计的标准是一年时间之内 100千米牵引网将会遭受雷击的次数来做为评定的标准，只是采用牵引变电的配带综合性自动重合闸与避雷器来限制雷电电压过高，避雷器不能够减少因雷电的侵入而减少损害接触网的次数，只能够对接触网的过电压起到有效的保护作用。无论是对于欧洲的气候条件还是经济等方面的因素考虑高铁的接触网进行有效的避雷也是十分重要的。
二、国内接触网防雷接地设计的概况
我国铁道接触网的防雷设计主要是依据《高速铁路设计规范》、《铁路电力牵引供电设计规范》与《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定》来进行规定的。根据雷电日的数量来分为4个等级管理区域：年平均雷电日在20d及以下地区为少雷区，年平均雷电日在20d以上、40d及以下地区为多雷区，年平均雷电日在40d以上、60d及以下地区为高雷区，年平均雷电日在60d以上地区为强雷区。《高速铁路设计规范》中规定重污染或是重雷区以及高路
高铁接触网避雷器(二)
城市轨道交通接触网带间隙避雷器的应用
城市轨道交通接触网带间隙避雷器的应用
沈海滨，陈维江，王立天，赵海军，王彦利，尹 彬
摘 要：设计了城市轨道交通架空接触网雷电防护用串联间隙金属氧化物避雷器的结构，分析选择了避雷器的
额定参数，通过雷电冲击放电伏秒特性等型式试验对避雷器样品性能进行了检验，最后简要介绍了产品的应用效果。
关键词：架空接触网；雷电防护；串联间隙金属氧化物避雷器；参数选择
Abstract: The main structure of the metal oxide surge arrester(MOA) with series gap used for lightning protection on
the overhead contact system of urban mass transit (UMT) is designed in the paper, and some pivotal parameters of the arresters are discussed and given. In order to verify the performance of the arresters, type tests such as lightning impulse volt-second test are done. Finally, the application effect of the arresters is briefly introduced.
Key words: overhead contact system; lightning protection; metal oxide surge arrester with series gap; parameters
choice
中图分类号：U239.5 文献标识码：B 文章编号：1007-936X(2010)05-0042-04
0 引言
近年来，随着国内城市轨道交通系统工程数量不断增多，架空接触网雷害问题日益突出，但雷电防护研究相对滞后。至今，在全国已投运城轨工程中，仅有部分线路通过接触网支柱顶端架设避雷线来降低雷击闪络事故概率，未见其他雷电防护措施的研究报道。雷电防护手段单一、功能不完善，已不能满足现代城轨系统高运行可靠性的要求。
在架空接触网支柱上装设金属氧化物避雷器（以下简称避雷器），通过避雷器本体采用的氧化锌（ZnO）电阻片释放雷电能量，抑制直流续流起弧，保护绝缘子免于雷击损坏的同时，可防止线路雷击跳闸，是一种性能优异的雷电防护措施。避雷器从结构上可分为无间隙和带串联间隙2种，相比无间隙结构，带串联间隙避雷器除间隙闪络击穿期间外，电阻片均不承受系统运行电压，避免了电阻
作者简介：沈海滨.中国电力科学研究院，工程师，北京100192，电话：010-82813380-519；
陈维江.国网武汉高压研究院，教授级高级工程师；
王立天.中铁电气化勘测设计研究院有限公司，高级工程师；
赵海军.中铁电气化勘测设计研究院有限公司，工程师； 王彦利.中铁电气化勘测设计研究院有限公司，高级工程师；
尹 彬.山东迅实电气有限公司，高级工程师。
片长期耐受电压老化损坏的问题，延长了使用寿命。因此，在城市轨道交通系统接触网中引入带串联间隙避雷器有着工程应用价值。
本文针对腕臂绝缘子用带间隙避雷器开展研制工作，设计避雷器的结构，研究选择电阻片参数、避雷器额定电压和串联间隙距离，通过雷电冲击放电伏秒特性等型式试验对样品性能进行检验 。
1 避雷器结构与工作原理
参考文献[1，2]的研究成果，结合架空接触网的实际结构，本文设计的带间隙避雷器由避雷器本体、串联间隙和安装金具3部分组成，应用时避雷器安装到腕臂上，与绝缘子并联，结构示意如图1。为了适应不同应用场合，设计出2种串联间隙结构以供选择，图1 a的串联间隙由平板电极与避雷器本体端部构成，图1 b的串联间隙由避雷器本体端部的环电极与绝缘子地电位端端部法兰构成。
a 结构一 b 结构二
图1 避雷器结构示意图
避雷器本体外绝缘选用复合硅橡胶材料，具有
42
耐气候老化、耐电蚀损、耐污秽、重量轻等优点，尤其适合户外架空线路长期使用。
避雷器的保护功能利用金属氧化物电阻片的良好非线性特性得以实现，其工作原理：在线路正常运行时，由于串联间隙隔离，避雷器本体不承受系统直流运行电压；在幅值足够高的感应雷或直击雷过电压作用下，串联间隙击穿，本体电阻片在高电压下瞬间呈现低阻抗，释放雷电能量，限制住绝缘子两端的过电压，防止绝缘子沿面闪络放电；雷电冲击后，施加在避雷器本体两端的电压为系统运行电压，本体电阻片在低电压下呈现高阻抗，串联间隙绝缘性能迅速恢复，线路回到正常运行状态。
2 避雷器额定参数
2.1 金属氧化物电阻片参数
ZnO电阻片长期在直流电场的作用下会造成低价阳离子的迁移，特别是小离子半径的元素更易迁移，导致材料内部产生微应力，在过电压作用时，应力场加剧，容易引起电阻片破坏[3]
。所以直流电阻片与交流电阻片在制造工艺上存在差异，在相同额定电压下，要求直流电阻片比交流电阻片具有更高的电位梯度和能量耐受密度。城市轨道交通系统虽然采用直流制式，但系统运行电压只有1 500 V，加之避雷器采用带串联间隙结构，只有在雷击动作期间，本体才瞬时承受直流运行电压。考虑到该系统下运行电压对电阻片的作用时间短、作用应力小，故电阻片直接选用常规的交流电阻片。【高铁接触网避雷器】
文献[2]对电力系统10 kV配电网用ZnO电阻片参数进行了研究，通过试验手段验证了10 kV配电网选用交流D35型（直径35 cm）电阻片的合理性。城市轨道交通架空接触网导线对地高度与线路绝缘配置水平均与10 kV配电线路相当，线路走廊多位于城区，有建筑物等遮护，雷电防护也应以防感应雷为主。因此，借鉴文献[2]的研究成果，选择D35型电阻片，从性能和经济性角度都是合适的。D35型电阻片应能耐受幅值65 kA的4/10 s大电流冲击2次，耐受幅值150 A的2 ms方波电流冲击20次，更为详细的电阻片性能参数要求，可依据交流无间隙金属氧化物避雷器标准[4]规定的相关内容执行。
2.2 避雷器额定电压
带间隙避雷器额定电压即为避雷器本体的额定电压，该参数的选择恰当与否，直接关系到避雷器的保护性能、运行可靠性和经济成本。为确定该参数，对架空接触网导线上出现的最大感应过电压做了仿真计算，研究该过电压作用下流经避雷器的冲击电流幅值，以此为依据选择额定电压。
参考文献[5]中关于感应过电压的研究内容，本文根据前苏联拉里昂诺夫（РАЗЕВИГ）模型
[5，6]
推导的公式，计算出接触网导线上产生的最大感应过电压。在该基础上，利用电力系统中广为采用的ATP-EMTP[7]电磁暂态程序，仿真研究接触网上避雷器流过的冲击电流。计算采用的集中参数等值电路如图2所示。
Z
u(t)为雷电感应过电压；Z为接触网导线波阻抗；Zs为接触网支柱波阻抗；R为支柱冲击接地电阻。
图2 集中参数等值电路图
为保证间隙可靠灭弧，希望避雷器额定电压选择的高些，城市轨道交通系统可能出现的最大暂时过电压接近2 kV，避雷器额定电压选择大于2 kV为宜；从保护绝缘子效果方面考虑，希望绝缘子全波额定雷电冲击耐压与避雷器残压间的配合系数取得越大越好，即避雷器额定电压选择的小些。架空接触网绝缘子雷电冲击耐压与电力系统10 kV配电网绝缘子耐压水平接近，参考10 kV配电网雷电防护设计和运行经验，带间隙避雷器额定电压选择在13 kV以内较为合适。故本文在仿真计算时，将避雷器额定电压初步确定在5～13 kV范围内，并取5，7，10和13 kV典型值作为研究对象。
仿真研究结果表明：在幅值不大于300 kA、波头时间为0.5～3.0 s的雷电流作用下，避雷器本体在雷电感应过电压作用下承受的冲击电流幅值不超过1.5 kA，该持续时间短（脉宽只有几十至43
几百s）、幅值小的冲击电流对于D35型电阻片来说是完全能够耐受住多次动作的。部分仿真计算结果见表1。
表1 流过避雷器本体的冲击电流幅值表（单位：kA）
雷电流 本体额定电压/kV 幅值/kA 5 7 10 13 20 0.28 0.26 0.22 0.19 50 0.48 0.45 0.42 0.38 100 0.67 0.64 0.61 0.57 150 0.80 0.78 0.74 0.71 200 0.91 0.89 0.85 0.81 250 1.00 0.97 0.94 0.90 300 1.08 1.05 1.02 0.98 注：雷电流波头时间t1 = 0.5 s，支柱冲击接地电阻 R = 30 。
从表1数据还可以看出，避雷器额定电压从 5 kV升至13 kV，流过避雷器本体的冲击电流幅值变化并不明显。分析原因在于：流过避雷器本体的冲击电流受到本体阻抗、支柱波阻抗和支柱冲击接地电阻的共同约束，在避雷器动作期间，本体呈现低阻抗，阻抗值相比于支柱波阻抗和支柱冲击接地电阻要小很多，这使得流经避雷器本体的冲击电流幅值主要取决于支柱波阻抗值和支柱冲击接地电阻值，受避雷器额定电压取值不同的影响较小。
根据表1数据，避雷器额定电压取5～13 kV都是可行的。考虑架空接触网实际运行中还将遭受一定数量的直击雷，避雷器额定电压选得过低，避雷器雷击损坏的概率将增加；而在保证避雷器保护效果和运行可靠的前提下，额定电压选高无疑将增加产品的经济成本。综合权衡，最终确定避雷器额定电压为10 kV。 2.3 串联间隙距离
串联间隙距离的确定原则：满足避雷器在雷电过电压下动作，在直流运行电压及操作过电压下不动作，同时，间隙距离不宜选得过小，防止避雷器遇雷频繁动作降低使用寿命。
通过对带间隙避雷器和绝缘子分别进行正极性50%雷电冲击放电电压（U50%）试验研究，确定串联间隙的最大距离；根据系统最高运行电压和操作过电压幅值情况确定串联间隙的最小距离。综合上述研究结果，最终确定2种结构避雷器串联间隙距离均取70 mm，该间隙距离对应的U50%与绝缘44
子的放电电压之比为80%～90%。雷电冲击放电试验得到的部分间隙距离下的正极性U50%见表2。
表2 不同间隙距离下的正极性U50%
（标准气象条件下）值表
带间隙避 间隙距离 雷电冲击50% 占纯绝缘子闪络 雷器型式
/mm 放电电压/kV
击穿电压的百分比/%
55 101 77.6 60
105 81.0 结构一
65 108 83.5 70 116 89.4 75 122 94.5 80 127 97.8 50
97 74.7 结构二
60 102 78.9 70 108 83.1 80
114
87.9
3 试验检验
雷电冲击放电伏秒特性试验是带间隙避雷器一项重要的型式试验项目，用来检验避雷器动作的可靠程度，以验证产品结构设计的合理性。将避雷器试品按照图3的试验接线布置进行了大量的雷电全波冲击放电伏秒特性试验研究。每次试验都拍摄雷电放电路径，记录数据。
图3 雷电冲击放电伏秒特性试验接线图
试验结果表明，在避雷器串联间隙距离取 70 mm条件下，所有雷电冲击放电均发生在串联间隙上；将串联间隙距离每次增加5 mm，直到80 mm，重复上述试验依然得到同样结果。试验证明，设计的避雷器结构合理、动作可靠。间隙距离取70 mm时避雷器的伏秒特性曲线见图4。
a 结构一
b 结构二
图4 伏秒特性曲线图
依据标准[8]规定，对避雷器本体试品进行了参数检定及局部放电性能、密封性能、复合外套绝缘耐受性能、复合外套与芯体的界面性能和机械性能等其它型式试验项目的检验。
4 应用效果
津-滨（天津市区—滨海新区）快速轨道交通线路地处雷电活动较为频繁的渤海湾地区，一期工程正线全长45.1 km，其中高架桥线路所占比例达88%，线路结构决定了其易遭受雷击、导线上感应的雷电过电压幅值高。实际运行情况与分析吻合，2004—2006年，接触网因雷击导致绝缘子损坏超过60只，行车被迫中断数小时。为了妥善解决该问题，2007年7月，选定该线路某一易遭雷击路段，安装了本文研制的避雷器，当年该易击段未发生雷击故障，第2年全线约一半线路增装避雷器。
5 结论
（1）串联间隙金属氧化物避雷器利用电阻片释放雷电能量、抑制直流续流起弧，有效地保护了绝缘子免于雷击损坏，同时串联间隙隔离系统运行电压作用到避雷器本体上，延长了电阻片的使用寿命，是一种较理想的城市轨道交通架空接触网雷电
防护手段。
（2）城市轨道交通架空接触网用串联间隙金属氧化物避雷器电阻片选用交流D35型ZnO电阻片，额定电压选为10 kV，串联间隙距离按照间隙
的50%雷电冲击放电电压与被保护绝缘子的放电电压之比在80%～90%内选取。
（3）本文研制的串联间隙金属氧化物避雷器结构合理，安装方便，保护效果明显。
参考文献：
[1] 沈海滨，陈维江，张少军，等.一种防止10.kV架空绝缘导线雷击断线用新型串联间隙金属氧化物避雷器[J].电网技术，2006，31（3）：64-67.
[2] 陈维江，孙昭英，尹彬.防止10 kV架空绝缘导线雷击断线用带间隙金属氧化物避雷器研究[C].江苏省电机工程学会论文集，2005.
[3] 王玉平，李盛涛.新型ZnO压敏电阻片的研究进展[J].电气应用，2005，24（6）.
[4] GB11032-2000交流无间隙金属氧化物避雷器[S].2000. [5] 张山，陈维江，李成榕，等.变电站10 kV进线保护段研究[J].电网技术，2007，31（1）：71-74.
[6] B·P·拉里昂诺夫著.高电压技术[M].北京：水利电力出版社，1994.
[7] 电力科学研究院高压所.ATP程序用户使用手册[M].北京：中国电力科学研究院出版科，1994.
[8] DL/T815-2002交流输电线路用复合外套金属氧化物避雷器[S].2002.
收稿日期：2010-08-06
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高铁接触网避雷器(三)
接触网线路避雷器不同安装方式的防雷效果
接触网线路避雷器不同安装方式的防雷效果
张雪原
摘 要：以国内接触网绝缘子的绝缘强度和雷电流的概率分布为基础，运用接触网雷击跳闸的概率模型计算比
较了接触网未安装线路避雷器和安装线路避雷器的雷击跳闸情况。为接触网的线路避雷器使用提供了参考，同时为电力系统中弱绝缘配供电线路的线路避雷器使用提供借鉴。
关键词：线路避雷器；接触网；防雷；铁路
Abstract: That the line surge arresters are installed on the catenary is the means to reduce the lightning tripping
frequency because the lightning overvoltage affects the reliability of the traction power system greatly. But the people have not the way to evaluate the influence of the line surge arrester on the catenary. The authors campare study the probability results on the catenaty with the line surge arrester and without it by the probability model of the lightning tripping basing on the lightning current probability distribution and the dielectric strength of the catenary insulator in china. The result can provide reference for the use of the line surge arrester on the catenary.
Key words: line surge arrester; catenary; lightning protection; railway
中图分类号：U226.8+3 文献标识码：A 文章编号：1007-936X(2010)05-0035-04
0 引言
随着高速铁路的发展，列车速度提高，密度加大，雷击接触网跳闸会使整个铁路运输系统增大调节难度，这就迫切要求采取措施降低雷击跳闸次数，提高供电可靠性。
安装线路避雷器是降低线路雷击跳闸次数的措施之一。接触网的额定电压为25 kV，其绝缘等级与电力系统中配电网相当，但由于牵引供电网的特殊性，对接触网防雷还需要进行更为精确的理论分析。
本文利用国内线路绝缘子和雷电概率分布的基础数据，建立牵引网的雷击跳闸概率模型，分析线路避雷器与雷击跳闸概率的关系。
况，应首先确定支柱的分流系数。
雷击接触网时，雷电流向2个方向传播，可以认为这2个方向上雷电流的分布是对称的，只对其中的一个方向支柱的分流情况进行分析即可。设：接触网一个方向上传播的雷电流是ic，为斜角波头，ic = at，波头长度为，每档接触网的等值电感为Lc，支柱的等值电感为Lp，支柱的接地电阻为Rg，雷电流分流系数为c。则c的计算电路如图1所示。
http://m.zhuodaoren.com/shenghuo320191/
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