張蜀華

0 引言

鐵路牽引接觸網(wǎng)因其無備用的特殊運行方式，一旦遭受雷害影響嚴(yán)重。京滬高速鐵路2011年7月正式運營通車，當(dāng)時正值夏季的雷害高發(fā)期，因此先后出現(xiàn)了多起雷擊并損壞接觸網(wǎng)絕緣子事故。據(jù)統(tǒng)計，北京鐵路局管轄范圍內(nèi)7月份雷擊跳閘共計27次，濟南鐵路局7、8月份雷擊跳閘共計20次，上海鐵路局7月份雷擊跳閘共計53次，所有雷擊跳閘均重合成功，未對正常行車造成影響，但因雷擊造成了部分絕緣子損壞。

京滬高鐵接觸網(wǎng)防雷設(shè)施比較薄弱，防雷措施一般可以從以下方面加強：線路距地面平均高度較高、雷電日較多的區(qū)域架設(shè)避雷線；合理增設(shè)避雷器，增加泄流通路，使雷電流泄入大地；提高絕緣子的濕閃耐壓水平，確保絕緣子在雷雨季節(jié)運行安全；研究綜合接地系統(tǒng)，進一步降低接地電阻；根據(jù)實際情況，分線分區(qū)段進行差異化防雷設(shè)計等。目前，大多項防雷措施基本達成共識。但對避雷器，《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》中未對高架橋與高路基作出條文解釋，對避雷器設(shè)置方案未有明確說明，可操作性較差。因此分析避雷器的設(shè)置分布與雷擊跳閘率的關(guān)系，對于后續(xù)工程的開展，具有十分重要的工程意義。

1 避雷器對雷擊跳閘率的影響

雷擊發(fā)生時，避雷器以其強大的分流作用，使附近支柱得到有效保護，因此也是防雷保護中最經(jīng)濟有效的方式之一。但由于落雷點具有充分的隨機性，如果在未安有避雷器的支柱附近剛好發(fā)生雷擊，那么周圍支柱絕緣子則仍然可能發(fā)生閃絡(luò)。因此避雷器的裝設(shè)密度的有效性對供電系統(tǒng)雷電防護效果起著重要的作用。

1.1 直擊雷跳閘概率

跳閘次數(shù)NZ= NηP

式中，N為每100 km線路年遭受直擊雷次數(shù)，N =γ TdB / 10，其中Td為年雷暴日數(shù)；γ為地面落雷密度，國際大電網(wǎng)會議推薦為；B為接觸網(wǎng)受直擊雷區(qū)域范圍內(nèi)垂直線路方向的引雷寬度；η為建弧率；P為雷擊跳閘概率。

以n根支柱為一組架空地線集中接地，則認(rèn)為在n根支柱之間，（n – 2）根為非集中接地支柱，接地支柱左右的半個跨距（25 m）上的落雷，都等效為集中接地支柱頂部（跨度為25 m），其他落雷都集中非接地支柱（跨度為25（n - 2）m），取雷擊柱率g = 1 / 4，擊線率1 – g = 3 / 4。分別考慮接觸網(wǎng)與支柱的耐雷水平不同，則100 km線路每年由直擊雷引起的實際跳閘的次數(shù)為

式中，PJ為雷直擊接觸網(wǎng)的閃絡(luò)概率；PZ為雷擊非集中接地支柱的閃絡(luò)概率；PD為雷擊集中接地支柱的閃絡(luò)概率。

1.2 感應(yīng)雷跳閘概率

以垂直鋼軌方向為x軸，按線路方向?qū)⒔佑|網(wǎng)附近地面落雷區(qū)按Δx的寬度等分，則對于每個小區(qū)間的耐雷水平，，100 km年落雷次數(shù)為N = γ Td×0.1Δx，則感應(yīng)雷擊引起的每年實際發(fā)生跳閘的次數(shù)：

每年總雷擊跳閘率為n = ng+nz

從表1可得，添加架空地線后，隨雷暴日數(shù)的增加和避雷器間隔支柱的增多，線路雷擊率明顯增長。因此，以所需達到的防雷要求選擇，該線路在不同的雷暴日條件下，設(shè)置避雷器間隔不同，如果雷電日是30，40，50天，理論上間距以500，400，300 m為佳；如果雷電日繼續(xù)升高，需加強其他防雷措施共同配合。

表1 避雷器的安裝方式與雷擊跳閘率關(guān)系表

1.3 連續(xù)閃絡(luò)概率

當(dāng)雷擊發(fā)生時，不但會引發(fā)被雷擊支柱的閃絡(luò)，同時如果首根支柱絕緣子閃絡(luò)后頂部的殘壓超過了第 2根支柱的絕緣子電壓 50%，將引發(fā)第 2根支柱的閃絡(luò)，直至第n根支柱，即

考慮雷擊非集中接地支柱（未安裝避雷器）和雷擊接觸網(wǎng)2種情況下，取擊柱率g = 1 / 4，擊線率1 – g = 3 / 4。由于接觸網(wǎng)與支柱的耐雷水平不同，閃絡(luò)概率：P = gPZ+ (1-g)PJ。

計算可得：

雷擊接觸網(wǎng)時，根據(jù)對稱性，即第n根支柱絕緣子閃絡(luò)的概率為 P（-n）=P（n），可見，沒有接地的情況下，根據(jù)對稱性支柱要連續(xù)閃絡(luò)10次，就可以基本忽略?？紤]連續(xù)閃絡(luò)的概率，接觸網(wǎng)雷擊跳閘率進一步增大，要達到良好的防雷效果，間隔支柱數(shù)量需要進一步減小，從經(jīng)濟性考慮，避雷器安裝間隔越大越好，因此根據(jù)實際線路所在地區(qū)、所處地形環(huán)境、行車速度等情況，合理選擇所需要的避雷器分布方案才能達到最優(yōu)的工程性能。

2 避雷器分布安裝建議

目前避雷器通用的方法是按照《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》TB10009-2005中“防雷、絕緣、接地”章節(jié)中5.3.1規(guī)定：應(yīng)根據(jù)雷電日及運營經(jīng)驗，按下列原則對接觸網(wǎng)進行大氣過電壓保護：a.吸流變壓器的原邊應(yīng)設(shè)避雷裝置。b.高雷區(qū)及強雷區(qū)，下列重點位置應(yīng)設(shè)避雷器：分相和站場端部絕緣錨段關(guān)節(jié)；長度2000 m及以上隧道的兩端；較長的供電線或AF線連接到接觸網(wǎng)上的接線處。c.強雷區(qū)應(yīng)架設(shè)獨立的避雷線，其接地電阻值應(yīng)符合相應(yīng)規(guī)定。

然而隨著高速鐵路的修建，安全要求的不斷提升，橋梁在高鐵中的比重加大，長度超過10 km的橋梁越來越多，超長橋梁不僅需要在其兩端設(shè)置避雷器，還要考慮在中部增設(shè)避雷器。鐵路規(guī)范中一般要求直線區(qū)段，半錨長度不超過750 m，因此至少在高雷區(qū)、強雷區(qū)的每一個錨段的中心錨結(jié)附近增設(shè)1臺避雷器；在AT所附近增設(shè)絕緣關(guān)節(jié)，同時增設(shè)2臺避雷器（上下行各1臺）；在多雷區(qū)、少雷區(qū)每隔一個錨段，在錨段關(guān)節(jié)附近（不得在錨段關(guān)節(jié)內(nèi)）增設(shè)1臺避雷器。

避雷器一般為氧化鋅避雷器，帶脫離器、計數(shù)器，裝配的合成絕緣子泄漏距離1600 mm；本體安裝距柱頂約1 m處，計數(shù)器安裝距地面約2.5 m處（便于觀察處）。接地按作用的不同，分為2類：工作接地和安全接地。避雷器的接地中，通常被要求進行雙重接地，即工作接地和安全接地2種不同類型的接地。因此一般情況下，路基地段的避雷器接地，一端接PW線（安全接地），另一端單獨打接地極（工作接地），且避雷器接地極電阻值小于10 Ω；困難情況下，橋梁區(qū)段的避雷器接地一端接PW線，另一端連貫通地線接入綜合接地系統(tǒng)，支柱直接相連的綜合接地系統(tǒng)電阻值小于1 Ω，同時可以把每個支柱的接地電阻全部降低到一個合適的水平。貫通地線上的接入點與其他設(shè)備在貫通地線的接入點間距不應(yīng)小于15 m。

3 結(jié)語

隨著高速鐵路在國民交通生活中的比重日益增大，行車安全也日益成為人們關(guān)注的焦點。接觸網(wǎng)以其無冗余無備用，成為衡量電氣化鐵路系統(tǒng)可靠安全的指標(biāo)之一。以武漢鐵路局2010年為例，全年牽引供電引起的跳閘事件中，雷擊造成的絕緣子閃絡(luò)達到48.9%，動車組故障占11.1%，設(shè)備質(zhì)量、地方電源外部施工、鳥害引起的各占 6.7%，其他占13.3%?？梢娎讚羰鹿嗜匀皇怯绊戨姎饣F路安全可靠性的重要因素，做好防雷工作仍是高速鐵路的重要任務(wù)。然而現(xiàn)今高鐵設(shè)計規(guī)范對防雷接地仍然沒有給出一個明確要求，因此建議制定電氣化鐵路每 100 km、每年雷擊接觸網(wǎng)跳閘率指標(biāo)或雷擊接觸網(wǎng)設(shè)備故障指標(biāo)，完善接觸網(wǎng)防雷接地技術(shù)方案及標(biāo)準(zhǔn)，對避雷設(shè)備的安裝作出明確要求。

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