曹建設(shè) 隋延民 宮衍圣 劉長(zhǎng)利 李慶軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化處，710043，西安∥第一作者，高級(jí)工程師)

接觸網(wǎng)作為向電力機(jī)車供電的特殊形式的輸電線路，具有露天布置、工作環(huán)境惡劣、無(wú)備用的特點(diǎn)。鐵路沿線所經(jīng)地區(qū)地理、氣候條件復(fù)雜，接觸網(wǎng)極易遭受雷擊而影響運(yùn)輸安全。珠三角城際鐵路地處雷電災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)，年平均雷暴日87.6天，部分地區(qū)年雷暴日高達(dá)127天;且高架橋比例很高，更易遭受雷擊。本文結(jié)合廣佛環(huán)線進(jìn)行牽引網(wǎng)雷電安全評(píng)估及防護(hù)措施研究。

1 牽引網(wǎng)雷擊過(guò)電壓的分類

按雷擊點(diǎn)的不同，可以將雷擊過(guò)電壓劃分為直接雷擊過(guò)電壓和感應(yīng)雷擊過(guò)電壓。直接雷擊過(guò)電壓是雷電直接擊中承力索、回流線或架空地線、支柱、軟(硬)橫跨引起的線路過(guò)電壓。根據(jù)雷擊線路部位的不同，直接雷擊過(guò)電壓又分為兩種情況:一種是雷電直接擊中接觸網(wǎng)支柱頂部，瞬時(shí)升高的電位可能超過(guò)接觸網(wǎng)絕緣子承受電壓的能力，會(huì)向接觸網(wǎng)導(dǎo)線放電，這種在正常工作狀態(tài)下的低電位點(diǎn)向高電位點(diǎn)放電現(xiàn)象稱為反擊;另一種是直接擊中承力索(無(wú)避雷線時(shí))或繞過(guò)避雷線(屏蔽失效)擊中導(dǎo)線，直接在導(dǎo)線上產(chǎn)生過(guò)電壓，稱之為繞擊。線路附近的地面落雷，在線路上產(chǎn)生感應(yīng)雷擊過(guò)電壓。

牽引網(wǎng)絕緣耐受雷電沖擊電壓的能力有限，無(wú)論雷電直接擊中導(dǎo)線或者雷擊線路附近地面，雷電過(guò)電壓都可能超過(guò)接觸網(wǎng)的絕緣承受能力，導(dǎo)致線路絕緣放電，引起線路跳閘［1］。為了考核和評(píng)價(jià)接觸網(wǎng)耐受雷電的能力，比較接觸網(wǎng)的不同防雷設(shè)計(jì)方案或防雷改造措施前后的技術(shù)性能和效果，首先需要研究接觸網(wǎng)雷電安全評(píng)估方法。

2 牽引網(wǎng)雷電安全評(píng)估方法

TB 10009—2005《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:年平均雷暴日超過(guò)60天的強(qiáng)雷區(qū)應(yīng)架設(shè)獨(dú)立避雷線。一般而言，年平均雷暴日多的地區(qū)，牽引網(wǎng)雷電事故發(fā)生的頻率更高。然而，影響牽引網(wǎng)雷電事故頻率的因素很多，單純以年平均雷暴日的高低來(lái)評(píng)估是否采取必要的防雷措施值得商榷。

日本在接觸網(wǎng)防雷方面取得了比較成功的經(jīng)驗(yàn)。其針對(duì)雷擊頻度及線路重要程度，將線路所在地區(qū)劃分為A、B、C 3個(gè)區(qū)。對(duì)于劃分為A區(qū)的雷害嚴(yán)重且重要的線路，全線采用架設(shè)避雷線的防雷措施。在牽引網(wǎng)雷電安全評(píng)估上，建議采用牽引網(wǎng)耐雷水平及雷擊跳閘率來(lái)評(píng)價(jià)牽引網(wǎng)的雷害程度。

2.1 牽引網(wǎng)耐雷水平及雷擊跳閘率

2.1.1 雷電直擊接觸網(wǎng)支柱頂部

雷電直擊接觸網(wǎng)支柱頂部時(shí)，同一支柱上平腕臂和斜腕臂絕緣子上的雷電過(guò)電壓，誰(shuí)先達(dá)到自己的50%沖擊放電電壓，誰(shuí)就先放電，兩者的最小值為雷電直擊接觸網(wǎng)支柱頂部情況下的接觸網(wǎng)耐雷水平。

平腕臂的絕緣子耐雷水平Ip為:

式中:

U1——支柱平腕臂絕緣子50%沖擊閃絡(luò)電壓;

β——支柱分流系數(shù);

Rc——接觸網(wǎng)支柱的等值沖擊接地電阻;

τf——雷電流波頭時(shí)間;

L0——接地引下線的單位長(zhǎng)度等值電感;

hp——支柱上平腕臂絕緣子接地端對(duì)地距離;

hg——接地引下線的長(zhǎng)度;

hc——承力索對(duì)地平均高度;

hr——回流線對(duì)地平均高度;

k0——回流線與接觸網(wǎng)之間的幾何耦合系數(shù)，考慮電暈修正系數(shù)，k≈1.15k0。

斜腕臂的絕緣子耐雷水平Ix為:

式中:

U2——支柱斜腕臂絕緣子50%沖擊閃絡(luò)電壓;

hx——支柱上斜腕臂絕緣子接地端對(duì)地距離;其余變量同上。

2.1.2 雷電直擊接觸網(wǎng)承力索

雷電直擊接觸網(wǎng)承力索時(shí)的耐雷水平I0為:

式中:

Um——支柱絕緣子最小沖擊閃絡(luò)電壓，取U1和U2的最小值;

z——接觸網(wǎng)波阻抗。

2.1.3 直擊雷引起每年實(shí)際發(fā)生的跳閘次數(shù)

直擊雷引起每年實(shí)際發(fā)生的線路跳閘次數(shù)n1為:

式中:

N——線路上每年落雷總數(shù);

η——建弧率;

g1，g2——分別為擊柱率和擊線率;

p1——超過(guò)雷擊接觸網(wǎng)支柱時(shí)耐雷水平的雷電流概率;

p2——超過(guò)雷擊承力索時(shí)耐雷水平的雷電流概率;

T——線路所在地區(qū)平均雷電日;

γ——地面落雷密度，γ =0.023 × T0.3;

be——復(fù)線接觸網(wǎng)等值受雷寬度，be=b+2d+4hs，其中b為線間距，d為架空地線距離支柱中心的距離，hs為線路最上層導(dǎo)線的對(duì)地平均高度。

除了陜南以外的西北地區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)的部分地區(qū)，我國(guó)一般地區(qū)雷電流幅值超過(guò)I的概率P可按下式計(jì)算:

2.1.4 接觸網(wǎng)附近地面落雷引起每年實(shí)際發(fā)生的雷擊跳閘次數(shù)

接觸網(wǎng)附近地面落雷引起每年線路實(shí)際發(fā)生的雷擊跳閘次數(shù)n2為:

式中:

bs——線路單側(cè)等值受雷寬度;

其余變量同上。

2.2 分流系數(shù)及雷電擊柱率

2.2.1 高架區(qū)段支柱分流系數(shù)的計(jì)算

對(duì)于非高架區(qū)段，文獻(xiàn)［1］給出了雷擊有集中接地引下線(吸上線)連接點(diǎn)的支柱分流系數(shù)。對(duì)于高架區(qū)段，因線路的支柱接地引下線長(zhǎng)度和相鄰兩接地引下線之間的架空地線長(zhǎng)度相差不大，因此，計(jì)算分流系數(shù)的等值電路需考慮接地引下線的影響。

高架區(qū)段支柱分流系數(shù)等值電路如圖1所示。

圖1 高架區(qū)段支柱分流系數(shù)等值電路

計(jì)算雷電流分流系數(shù)β的等值方程為:

式中:

Rg——接地引下線的等值沖擊接地電阻;

L0——接地引下線的單位長(zhǎng)度等值電感;

hg——接地引下線長(zhǎng)度;

L——相鄰兩根支柱間回流線的等值電感。

需要說(shuō)明的是，對(duì)于高架區(qū)段采用鋼支柱及綜合接地技術(shù)的客運(yùn)專線及城際鐵路，需用鋼支柱相關(guān)參數(shù)取代接地引下線參數(shù)。

由式(8)可推出分流系數(shù)(為便于計(jì)算，取t=τf/2):

2.2.2 擊柱率和擊線率的計(jì)算

由于支柱和架空地線的絕緣很低甚至不存在，在雷電直擊的情況下，它們可以看作是物理連接的一個(gè)整體，故在分析牽引網(wǎng)的雷擊屏蔽范圍時(shí)將雷擊支柱的情況歸為雷擊架空地線(回流線)［2］。廣佛環(huán)線牽引網(wǎng)的雷電屏蔽范圍見(jiàn)圖2(導(dǎo)線高度考慮了高架及地面線路的平均高度21.27 m)。

復(fù)線牽引網(wǎng)的擊柱率為架空地線(回流線)的雷電屏蔽寬度l1與整個(gè)牽引網(wǎng)的雷電屏蔽寬度l1+l2之比。

圖2 牽引網(wǎng)的雷電屏蔽范圍

2.3 廣佛環(huán)線牽引網(wǎng)雷電安全評(píng)估

根據(jù)上述牽引網(wǎng)雷電安全評(píng)估方法，廣佛環(huán)線雷電直擊承力索時(shí)的耐雷水平為4.498 kA，雷電直擊接觸網(wǎng)支柱時(shí)的耐雷水平為33.593 kA，直擊雷引起的跳閘次數(shù)為5.636次，地面落雷引起的雷擊跳閘次數(shù)為4.732次，每年實(shí)際雷擊跳閘次數(shù)合計(jì)10.368 次。

目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)已頒布的防雷標(biāo)準(zhǔn)均不適用于鐵路系統(tǒng)。鐵路標(biāo)準(zhǔn)中也沒(méi)有專門針對(duì)防雷的標(biāo)準(zhǔn)，僅在TB 10009—2005中規(guī)定:年平均雷暴日超過(guò)60天的地區(qū)，應(yīng)架設(shè)獨(dú)立避雷線。其它條件不變的情況下，年平均雷暴日60天時(shí)，廣佛環(huán)線每年對(duì)應(yīng)的雷擊跳閘次數(shù)為6.339次。廣佛線起碼應(yīng)將其作為控制目標(biāo)，即將每年跳閘次數(shù)控制在6次以內(nèi)。

3 接觸網(wǎng)防雷保護(hù)措施及效果分析

在牽引網(wǎng)雷電安全評(píng)估、確定線路雷害程度的基礎(chǔ)上，根據(jù)線路的重要程度，適當(dāng)考慮景觀要求，結(jié)合隧道、地形、風(fēng)口等因素，爭(zhēng)取以最小的投資代價(jià)，將接觸網(wǎng)雷擊跳閘率限制在可接受的范圍之內(nèi)。

到目前為止，還沒(méi)有一種裝置(或方法)能阻止雷電的產(chǎn)生，也沒(méi)有能夠阻止雷擊到接觸網(wǎng)上的器具和方法，采用金屬材料接閃、引下并導(dǎo)入大地是目前唯一有效的防雷方法。適合接觸網(wǎng)防雷保護(hù)的措施有降低接觸網(wǎng)支柱的接地電阻、設(shè)置避雷器、安裝避雷線。

3.1 降低支柱的接地電阻

降低支柱的接地電阻，是減少雷擊支柱頂部引起反擊、提高線路耐雷水平的最簡(jiǎn)單有效的方法。

由于沖擊幅值大、陡度高的雷電流會(huì)使得接地裝置周圍的土壤發(fā)生電離，并呈現(xiàn)非線性與頻率變化特性，因此采用沖擊接地電阻來(lái)表征接地體的暫態(tài)電阻特性。輸電線路沖擊接地電阻一般采用工頻接地電阻乘以沖擊系數(shù)的方法來(lái)確定。沖擊系數(shù)根據(jù)模擬試驗(yàn)方法獲得［3］。也有文獻(xiàn)給出了接地電阻和沖擊接地電阻的關(guān)系式［4］。單獨(dú)接地體的沖擊系數(shù)可按SDJ 8—1979《電力設(shè)備接地設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》選取。對(duì)于采用綜合接地系統(tǒng)的城際鐵路，尚未見(jiàn)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)有沖擊接地電阻試驗(yàn)的相關(guān)報(bào)道，建議盡快開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究。出于保守考慮，計(jì)算時(shí)沖擊系數(shù)暫取1。

雷擊廣佛環(huán)線的接觸網(wǎng)支柱頂部時(shí)，不同阻值的沖擊接地電阻與雷擊支柱頂部牽引網(wǎng)耐雷水平及直擊雷引起的跳閘率的關(guān)系分別見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 沖擊接地電阻和雷擊支柱牽引網(wǎng)耐雷水平的關(guān)系

圖4 沖擊接地電阻和雷擊支柱引起的雷擊跳閘率的關(guān)系

從圖3、圖4可以看出，接觸網(wǎng)沖擊接地電阻越大，雷擊支柱的牽引網(wǎng)耐雷水平越低，引起的雷擊跳閘率越高。因此，需確保高架區(qū)段的接觸網(wǎng)支柱接入綜合接地系統(tǒng)的可靠性，否則其將成為雷擊危害的薄弱環(huán)節(jié)。

3.2 接觸網(wǎng)防雷采用避雷器的探討

3.2.1 相關(guān)規(guī)范對(duì)接觸網(wǎng)采用避雷器的規(guī)定

TB 10009—2005等設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)接觸網(wǎng)上采用避雷器做出了相應(yīng)規(guī)定。對(duì)于高雷區(qū)及強(qiáng)雷區(qū):由于站場(chǎng)咽喉部位允許對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行檢修的時(shí)間有限，分相供電臂末端可能出現(xiàn)雷電行波發(fā)生全反射使過(guò)電壓提高一倍，且分相和站場(chǎng)部絕緣錨段關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更換和維修相對(duì)困難，因此分相和站場(chǎng)端部絕緣錨段關(guān)節(jié)應(yīng)設(shè)避雷器;長(zhǎng)大隧道濕度大，絕緣子容易積污，而且隧道內(nèi)接觸網(wǎng)檢修困難，因此長(zhǎng)達(dá)2 000 m及以上的隧道兩端應(yīng)設(shè)避雷器;為了避免接觸網(wǎng)中的雷電過(guò)電壓侵入到牽引變電所，較長(zhǎng)的供電線或正饋線連接到接觸網(wǎng)上的接線處應(yīng)設(shè)避雷器。這些規(guī)定對(duì)接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)起到了重要的指導(dǎo)作用。

3.2.2 接觸網(wǎng)全線采用避雷器的防雷效果

金屬氧化物避雷器(MOA)在防止雷電直擊導(dǎo)線或桿塔，以及避雷線的反擊、繞擊等方面是非常有效的。然而，國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果均表明:線路避雷器并不適合廣闊區(qū)間的分散式安裝，應(yīng)該在雷擊比較密集的地點(diǎn)采取密集的安裝方式［5－6］。全線大規(guī)模采用氧化鋅避雷器會(huì)帶來(lái)如下問(wèn)題:

(1)高密集地安裝避雷器，每年的預(yù)防試驗(yàn)和維修工作量極大，維修費(fèi)用也將大大增加。

(2)我國(guó)電氣化鐵道沿線都屬嚴(yán)重污穢地區(qū)，隧道和站場(chǎng)等個(gè)別區(qū)段屬污穢特別嚴(yán)重地區(qū)，不存在輕污區(qū)［7］。污穢條件下，避雷器的工頻電壓耐受能力低，其大量安裝在接觸網(wǎng)上，必然增加污閃事故率［8］。

(3)避雷器自身故障率不可忽略。2005年，廣東某供電局62個(gè)10 kV配網(wǎng)避雷器共發(fā)生故障62次［9］。什邡供電局經(jīng)過(guò)對(duì)2005—2007年配網(wǎng)系統(tǒng)故障的原因分析后發(fā)現(xiàn)，有近30%的故障原因都是由于避雷器自身故障造成的［10］。電氣化鐵道用的金屬氧化物避雷器也存在著硅橡膠外套接縫開(kāi)裂、電阻片老化、瓷外套MOA密封失效受潮等問(wèn)題。若按照文獻(xiàn)［11］考慮避雷器自身故障率為0.5%，則廣佛環(huán)線20.02 km的露天線路避雷器每年發(fā)生的故障將超過(guò)4次，達(dá)到雷電安全評(píng)估年實(shí)際雷擊跳閘次數(shù)(10.4次)的近40%。

因此，接觸網(wǎng)全線大規(guī)模采用避雷器并不能取得預(yù)期的防雷效果，建議在電分相、車站絕緣錨段關(guān)節(jié)處、長(zhǎng)隧道兩端等重要場(chǎng)合適量安裝。

3.3 避雷線的屏蔽效果及保護(hù)角的確定

防雷如同防洪，有選擇性地人為提供一條雷電流入地的良好通道，是防止雷電直擊的基本方法。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期工程實(shí)踐考驗(yàn)的直擊雷防護(hù)裝置有避雷針和避雷線。其中，避雷針作為一種主動(dòng)式接閃裝置，不適用于沿狹長(zhǎng)地帶分布的接觸網(wǎng)防雷。

電力部門35 kV及以下電力線路一般不沿全線架設(shè)避雷線。雖然可以將牽引供電系統(tǒng)的絕緣等級(jí)等同于電力部門的35 kV線路，但由于牽引供電系統(tǒng)的重要程度遠(yuǎn)高于電力部門的35 kV及以下線路，因此要求接觸網(wǎng)具有更高的可靠性［12］。

3.3.1 避雷線的屏蔽效果

避雷線與大地相連保持地電位，可以看作將一部份“大地”引入導(dǎo)線的近區(qū)。對(duì)于靜電感應(yīng)，其影響是增大了導(dǎo)線的對(duì)地電容而使導(dǎo)線對(duì)地電位降低;對(duì)于電磁感應(yīng)，其影響相當(dāng)于在導(dǎo)線—大地回路附近增加了一個(gè)地線—大地的短路環(huán)，因而抵消了一部分導(dǎo)線上的電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因此，由于接地避雷線的電磁屏蔽作用，會(huì)使導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓降低。感應(yīng)過(guò)電壓降低的倍數(shù)就是避雷線與接觸網(wǎng)之間的幾何耦合系數(shù)。廣佛環(huán)線按照?qǐng)D5加高肩架3 m的情況下，感應(yīng)過(guò)電壓可降低28.43%。

3.3.2 避雷線保護(hù)角的確定

避雷線的保護(hù)作用在于引雷擊自身，以保護(hù)導(dǎo)線不受直擊。但這種保護(hù)作用并非100%有效，繞擊率是衡量避雷線保護(hù)作用的重要參數(shù)。

線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和模擬試驗(yàn)均證明，雷電流繞過(guò)避雷線直擊導(dǎo)線的概率與避雷線對(duì)邊導(dǎo)線的保護(hù)角、桿塔高度，以及線路經(jīng)過(guò)地區(qū)的地形、地貌、地質(zhì)條件等有關(guān)。我國(guó)電力部門規(guī)定避雷線對(duì)邊導(dǎo)線的保護(hù)角一般采用20～30°。日本國(guó)鐵在重雷區(qū)采用避雷線進(jìn)行直擊雷防護(hù)，其保護(hù)角定為45°。DL/T 620－1997推薦，對(duì)平原線路，繞擊率Pa和保護(hù)角a、桿塔高度ht的關(guān)系式為:

廣佛環(huán)線可參照日本國(guó)鐵單獨(dú)架設(shè)避雷線的安裝方式，在接觸網(wǎng)鋼支柱上方加高肩架(見(jiàn)圖5)。

由于承力索和支柱中心的距離確定，肩架的高度h1隨著a的減小而增大，兩者的關(guān)系為:

結(jié)合式(10)和(11)，可得出橋高21.27 m時(shí)繞擊率隨肩架高度變化的關(guān)系，如圖6所示。

圖5 接觸網(wǎng)避雷線安裝示意圖

圖6 廣佛線環(huán)線繞擊率與肩架高度的關(guān)系

因此，橋高21.27 m的情況下，推薦在接觸網(wǎng)鋼支柱上方加高肩架3 m，其對(duì)應(yīng)的避雷線保護(hù)角約為44.56°，此時(shí)繞擊率可降低到0.1左右。

需要特別說(shuō)明的是，若將繞擊率控制在一定數(shù)值下，高架橋越高，需要增加的肩架高度也越高，保護(hù)角需要控制得更小。反之亦然。這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)具體情況進(jìn)行計(jì)算，確定合理的保護(hù)角大小，最終將繞擊率控制在能接受的范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本文給出了牽引網(wǎng)雷電安全評(píng)估方法，建議采用牽引網(wǎng)耐雷水平及雷擊跳閘率評(píng)價(jià)接觸網(wǎng)的雷害程度。降低支柱的接地電阻，是減少雷擊支柱頂部引起反擊、提高線路耐雷水平的最簡(jiǎn)單有效的方法。避雷器只建議在電分相、車站絕緣錨段關(guān)節(jié)處、長(zhǎng)隧道兩端等重要場(chǎng)合適量安裝。

(2)避雷線的電磁屏蔽作用會(huì)使導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓降低，但避雷線防范直擊雷并非百分之百有效。繞擊率是衡量避雷線保護(hù)作用的重要參數(shù)。研究結(jié)果表明:若將繞擊率控制在一定數(shù)值下，高架橋越高，需要增加的肩架高度也越高，保護(hù)角則需要控制得越小。因此，在設(shè)計(jì)及制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需根據(jù)具體情況進(jìn)行計(jì)算，確定合理的保護(hù)角大小，最終將繞擊率控制在能接受的范圍內(nèi)。

(3)牽引網(wǎng)防雷技術(shù)研究必須結(jié)合大量的統(tǒng)計(jì)分析資料，建議相關(guān)部門盡快統(tǒng)一組織開(kāi)展沖擊接地電阻研究及牽引供電系統(tǒng)防雷標(biāo)準(zhǔn)的制定。

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