浅析铁路接触网雷击过程的雷电通道分型模型

1 引言

雷电过电压常常造成电力系统的失效，尤其是具有高电压的铁路接触网很容易遭受雷电绕击，造成铁路线的供电失效进而影响铁路线路的正常运行。目前铁路接触网的研究大多是基于电气几何模型进行研究的，但是闪电本身是一个由先导发展到回击的完整过程组成的。先导的发展过程中将产生很强烈的电磁场，这将影响整个空间的电磁场分布，且接触网本身的高对地电压也会影响先导的发展方向。所以，我们亟需基于大量的观测事实，建立闪电先导模型，并通过模型的模拟来研究先导与接触网之间的相互作用，进而研究如何减少接触网绕击的方法。

1963 年，Young、Clayton 及 Hileman 提出了电气几何模型（EGM）。在后来学者的进一步发展改进下，电气几何模型已经成为目前国内外研究雷电绕击输电线路应用最为广泛的一种方法，但是 EGM 在线路的防雷屏蔽设计时存在着一定的局限性；随着人们对闪电过程物理机制研究的深入，基于长间隙放电理论的先导发展模型的建立与模拟逐渐成为了国内外学者研究绕击问题的一种重要的新方法。Dellera 和 Eriksson 发展了上行先导起始判据，提出了先导发展模型（LPM），这一模型利用长间隙放电来模拟自然雷电放电，考虑了上行先导对放电路径的影响；何金良建立了线路绕击分析模型，对比分析了先导发展模型与电气几何模型的合理性问题，讨论了不同条件下先导发展模型的绕击概率；任晓毓建立了先导物理模式和先导随机模式，模拟了下行先导电位不同、下行先导起始位置不同、铁路单轨和双轨这几种不同情况下的连接过程并分析了不同击穿电场对最后一跳的影响。

2 铁路输电线路

2.1 铁路输电线路接触网简介

接触网是指电气化铁道中，沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路，也称为架空式接触网。它从结构形式上看可分为以下几个组成部分：（1）接触悬挂：主要包括承力索、悬吊、接触网及连接它们的零件等。与电力机车受电弓直接接触的是接触网；（2）支持装置；（3）支柱与基础。

2.2 铁路接触网产生电场的计算

本文采用 HJ/T24‐1998 推荐的计算方法模式对铁路接触网产生的电场进行计算，计算方法如下：

假设线路为平行于地面的无限长导线，地面为良导体，将接触网上的电荷等效为线电荷，利用镜像法计算线路上的等效电荷。

2.3 25kv 铁路接触网产生的电场仿真

1、单轨铁路线

假设接触网对地电压为 25kv，地面上方模拟空间中分布着线性增加的背景电场，下边界（地面）电场大小为 10kv/m，随着高度的增加，电场以 0.1kv/m 的系数增加，背景电场的方向为从天空垂直指向大地。将背景电场定义为侧边界具有很定的电位梯度，上边界电位恒定且地电位为 0。应用 2.2 介绍的方法，在大气电场的存在的情况下，计算 20*20m2空间中。

3 先导随机模式的建立与模拟

3.1 先导随机模式模型建立

3.1.1 模型参数选择

选取模拟空间为地面上方 200m*200m 范围，并将模拟空间离散为（200*200）个边长为1m 的均匀网格，接触网位于地面正中，接触网高度 7m，承力索高度 8m。

假定存在如上所述的背景电场；下行先导为负极性先导，具有恒定电位-40MV，其速度为 2*105m/s；由于接触网不容易产生上行先导，所以模拟中不考虑接触网产生上行先导；下行先导、接触网和地面满足 Dirichlet 边界条件，空气边界满足 Neumann 边界条件。

3.1.2 先导通道下一步发展点的确定

模拟中，由于将模拟空间离散为均匀分布的网格，则先导每向前发展一步就会在空间网格中发展一个网格点。当模拟空间中，先导已发展点周围一个网格点范围内的点（除去已经发展为先导点的点）的电场强度i,jE大于临界场强 Es时，则认为该点为下行先导下一步可能的发展点。符合上述条件的先导可能发展点也许有很多个点，但先导每一步只能有一个点得以发展，这个点的选择是通过电脑产生一组随机数，应用其概率随机选择的。

3.1.3 先导稳定发展条件及击穿判据

先导稳定发展的条件采用 CRFI 标准进行判断：正先导和负先导持续发展需要满足的最小电场分别为 500kV/m 和 1MV/m。

发生最后一跳的条件为：模拟中，上下行先导之间或下行先导与未产生上行先导的某目标物上的某点之间的平均场强超过临界击穿电场 500kV/m。且称这两点之间的距离为最后一跳的距离Ls。

4 结论

1）没有接触网存在时，先导发展是随机的、没有指向性；当有接触网的存在的时候，先导发展是具有一定的指向性的，几乎都是朝着接触网的方向进行发展的；发展过程中先导具有明显的分叉现象，且随着先导发展越向地面发展，分叉越多。这与实际闪电过程相符。

2）最后一跳的距离均在 4080m 范围之内。

3）无论是双接触网还是单接触网，接触网的存在对闪电先导的发展有很大的影响，且随着下行先导与接触网水平距离的增加，接触网对下行先导发展趋势的影响越来越弱；在单轨情况时，当两者的水平距离大于 100m 时，接触网与下行先导的相互作用轨情况时，当两者的水平距离大于 120m 时，接触网与下行先导的相互作用可以忽略。