黃鎮(zhèn)城（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，研究生，北京　100081；南寧鐵路局供電處，工程師，廣西　南寧　530029）

南廣鐵路接觸網(wǎng)雷電防護(hù)方案的研究

黃鎮(zhèn)城
（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，研究生，北京100081；南寧鐵路局供電處，工程師，廣西南寧530029）

摘要：結(jié)合南廣鐵路所經(jīng)過(guò)地區(qū)的地理、氣候條件及接觸網(wǎng)運(yùn)行中出現(xiàn)的雷害情況，通過(guò)分析接觸網(wǎng)的雷擊類(lèi)型及其作用范圍，研究接觸網(wǎng)線路增設(shè)避雷器和架設(shè)避雷線2種方案的雷電防護(hù)效果，并提出南廣鐵路接觸網(wǎng)雷電防護(hù)方案設(shè)計(jì)優(yōu)化的建議，以提高接觸網(wǎng)線路的雷電防護(hù)水平，降低雷擊跳閘率。

關(guān)鍵詞：南廣鐵路；接觸網(wǎng)；雷電防護(hù)；避雷線

10.13572/j.cnki.tdyy.2015.04.004

南廣鐵路位于北緯23°~23°26′（北回歸線）之間，屬南亞熱帶海洋氣候，受東南亞大陸季風(fēng)影響，夏長(zhǎng)冬暖，高溫多雨，干濕季節(jié)分明，每年5~8月為雨季，年平均降雨量1 600~1 800 mm。南廣鐵路自既有南寧站引出后，經(jīng)廣西貴港、梧州市，廣東云浮、肇慶市，引入廣州南站，正線全長(zhǎng)574 km，其中南寧站至黎塘西站間為客運(yùn)專(zhuān)線，黎塘西站至廣州南站間為設(shè)計(jì)時(shí)速200 km/h的Ⅰ級(jí)鐵路。南廣鐵路廣西段高架橋梁有178座，合計(jì)118.163 km，占廣西段正線總長(zhǎng)的37.72%。

南廣鐵路廣西段于2014年4月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，沿線地區(qū)多雷暴，年平均雷暴日高達(dá)99天，屬于強(qiáng)雷區(qū)。截至10月底，南廣鐵路廣西段接觸網(wǎng)因雷擊跳閘93次，占南寧局高鐵接觸網(wǎng)雷擊跳閘總件數(shù)的50.5%，占南廣鐵路接觸網(wǎng)跳閘總件數(shù)的84.55%，其中造成接觸網(wǎng)絕緣部件擊穿或損傷55處，極大威脅高鐵接觸網(wǎng)運(yùn)行安全。因此，針對(duì)南廣鐵路的特殊氣象條件開(kāi)展接觸網(wǎng)雷電防護(hù)方案的研究刻不容緩。

1　線路防雷設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及效果

1.1線路防雷設(shè)計(jì)南廣鐵路廣西段的防雷設(shè)計(jì)采用接觸網(wǎng)正線絕緣錨段關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)式電分相、2 000 m以上長(zhǎng)度的隧道兩端、電纜終端及200 m以上長(zhǎng)度的供電線處均加密設(shè)置氧化鋅避雷器的方式，共設(shè)置698臺(tái)（上下行各349臺(tái)）。1.2防雷效果采用氧化鋅避雷器加密設(shè)置的防護(hù)方式，僅僅是降低了雷擊損壞接觸網(wǎng)設(shè)備的概率〔1〕，接觸網(wǎng)及AF線因雷擊導(dǎo)致避雷器動(dòng)作、絕緣子閃絡(luò)及損壞的情況仍時(shí)有發(fā)生〔2〕，桂平、貴港牽引變電所附近雷害尤為突出。南廣鐵路廣西段4~7月份32起接觸網(wǎng)雷擊故障統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，接觸網(wǎng)部分設(shè)備受雷擊損壞情況分別見(jiàn)圖1、圖2、圖3所示。

表1　2014年4~7月份接觸網(wǎng)雷擊故障統(tǒng)計(jì)表

圖1　厚祿至桂平間261#支柱附近承力索被雷擊斷6股

圖2　厚祿至桂平間301#支柱附近承力索被雷擊斷5股

圖3　根竹至貴港間112#、215#支柱斜腕臂絕緣子被雷擊壞

從4~7月份接觸網(wǎng)雷擊故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和接觸網(wǎng)設(shè)備受雷擊損壞的情況看，因受到避雷器保護(hù)范圍有限的影響，采用線路避雷器加密設(shè)置方案的雷電防護(hù)效果并不理想。

2　接觸網(wǎng)雷電防護(hù)方案的效果分析

2.1接觸網(wǎng)雷擊類(lèi)型的劃分根據(jù)雷擊點(diǎn)位置和雷擊過(guò)電壓產(chǎn)生原理，可將接觸網(wǎng)雷擊過(guò)電壓的產(chǎn)生途徑分為3種〔3、4〕，如圖4所示。

1）感應(yīng)過(guò)電壓：當(dāng)雷電擊中接觸網(wǎng)線路附近的地面時(shí)（圖中A點(diǎn)），雷電流通過(guò)電磁耦合在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓，這種雷擊類(lèi)型簡(jiǎn)稱(chēng)為感應(yīng)雷。

2）雷擊接地部分產(chǎn)生的過(guò)電壓：當(dāng)雷電直接擊中接觸網(wǎng)的接地部分時(shí)，如支柱頂部（圖4中B點(diǎn)）、回流線、AT供電方式下的保護(hù)線等，雷電流通過(guò)導(dǎo)線電感及接地電阻產(chǎn)生的過(guò)電壓。其與電力系統(tǒng)反擊過(guò)電壓的產(chǎn)生原理相同，因此也定義為反擊過(guò)電壓，這種雷擊類(lèi)型簡(jiǎn)稱(chēng)為反擊雷。

3）雷擊高壓部分產(chǎn)生的過(guò)電壓：當(dāng)雷電直接擊中接觸網(wǎng)的高壓帶電部分時(shí)，如接觸線或承力索（圖4中C點(diǎn)），AT供電方式下的正饋線和加強(qiáng)線，雷電流通過(guò)高壓導(dǎo)線的波阻抗產(chǎn)生的過(guò)電壓。其與電力系統(tǒng)的繞擊過(guò)電壓的產(chǎn)生原理相同〔5〕，因此也定義為繞擊過(guò)電壓，這種雷擊類(lèi)型簡(jiǎn)稱(chēng)為繞擊雷。

圖4　接觸網(wǎng)雷擊類(lèi)型

2.2避雷線防雷效果分析

1）未裝設(shè)避雷線時(shí)接觸網(wǎng)的防雷區(qū)域見(jiàn)圖5所示。從圖5可以看出，當(dāng)雷擊點(diǎn)位于BCD之間時(shí)，雷電將擊中承力索等設(shè)備，此時(shí)接觸網(wǎng)的雷擊類(lèi)型為繞擊雷，接觸網(wǎng)的耐雷水平為3 kA左右；當(dāng)雷擊于AB或DE區(qū)間時(shí)，雷電將擊中回流線，此時(shí)接觸網(wǎng)的雷擊類(lèi)型為反擊雷，接觸網(wǎng)的耐雷水平與接地電阻有關(guān)。

圖5　未裝設(shè)避雷線時(shí)接觸網(wǎng)不同雷擊類(lèi)型的作用區(qū)域

2）裝設(shè)避雷線后接觸網(wǎng)雷擊區(qū)域見(jiàn)圖6所示。從圖6可以看出，由于避雷線位置較高，圖5中繞擊區(qū)域被壓縮，當(dāng)避雷線位置足夠高時(shí)，從圖6左半部分可以看出，上下行線路的避雷線引雷區(qū)間相互重疊，此時(shí)接觸網(wǎng)的高壓帶電部分被避雷線有效保護(hù)，因此雷電繞擊的概率接近為零。接觸網(wǎng)的最低耐雷水平由雷擊避雷線所決定，當(dāng)避雷線直接通過(guò)支柱接地時(shí)，接觸網(wǎng)的耐雷水平等于反擊耐雷水平，通過(guò)降低接觸網(wǎng)的接地電阻，可有效提高接觸網(wǎng)的耐雷水平，降低雷擊跳閘率。

圖6　裝設(shè)避雷線后接觸網(wǎng)雷擊區(qū)域

3）通過(guò)避雷線防雷效果分析可知，避雷線的主要作用是通過(guò)改變雷擊類(lèi)型，從而提高供電線路的耐雷水平〔6〕。參考IEEE導(dǎo)則IEEE std 1234-1997中電氣幾何模型以及A.J.Phillips在IEEE基礎(chǔ)上的改進(jìn)電氣幾何模型中的擊距公式〔7、8〕：

rc=1.34（h+x）0.6I0.65（1）

rg=rc（2）

式中：rc和rg分別為雷電對(duì)承力索和大地的擊距；

I為雷電流幅值。

由公式（1）可知，雷電流幅值越大，擊距越大，由此人們得出了計(jì)算防雷保護(hù)范圍的滾球法。在接觸網(wǎng)避雷線設(shè)計(jì)時(shí)，推薦采用滾球法對(duì)避雷線保護(hù)范圍進(jìn)行確定，在復(fù)線區(qū)段，為使上下行線路的避雷線引雷區(qū)域相互重疊，可適當(dāng)提升避雷線高度，以避免接觸網(wǎng)高壓帶電部分受到雷電繞擊的影響，從而有效保護(hù)接觸網(wǎng)設(shè)備。

2.3增設(shè)線路避雷器的防雷效果分析避雷器通過(guò)釋放雷電和電力系統(tǒng)操作過(guò)電壓的能量，保護(hù)電氣設(shè)備免受瞬時(shí)過(guò)電壓危害，又能截?cái)嗬m(xù)流，避免引起系統(tǒng)接地短路。當(dāng)過(guò)電壓值達(dá)到規(guī)定的動(dòng)作電壓時(shí)，避雷器立即動(dòng)作，流過(guò)電荷，限制過(guò)電壓幅值，保護(hù)設(shè)備絕緣；電壓值正常后，避雷器又迅速恢復(fù)原狀，以保證系統(tǒng)正常供電。

為研究避雷器的保護(hù)范圍，采用圖7所示避雷器等效電路模型，將避雷器安裝在圖8中的第J6基支柱上，通過(guò)仿真試驗(yàn)（仿真計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2）研究其相鄰支柱絕緣子閃絡(luò)與雷電流的關(guān)系。

圖7　避雷器模型圖

圖中L0=0.2 d/n（3）

R0=100 d/n（4）

L1=15 d/n（5）

R1=65 d/n（6）

C=100 d/n（7）

式中：d—避雷器長(zhǎng)度，n一般情況都取1。

圖8　避雷器保護(hù)范圍仿真圖

表2　雷擊第J 6基支柱時(shí)的仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，隨著接地電阻的降低，接觸網(wǎng)的耐雷水平顯著提高。以接地電阻10 Ω為例，耐雷水平比60 Ω時(shí)提高了50 kA，支柱安裝避雷器后，本基支柱絕緣子基本不會(huì)閃絡(luò)，最先閃絡(luò)的支柱絕緣子是J 3#和J 9#，即避雷器可靠的保護(hù)了相鄰的J 4、J 5#和J 7、J 8#支柱絕緣子。在不同的接地電阻下，由于避雷器的作用，首先出現(xiàn)閃絡(luò)動(dòng)作的支柱也不同，由此可見(jiàn)避雷器的保護(hù)范圍有限，避雷器一側(cè)僅能保護(hù)附近3~5基支柱的供電設(shè)備。

結(jié)合避雷器保護(hù)范圍分析，在強(qiáng)雷區(qū)每基支柱的接地電阻降到10 Ω的條件下，每隔2個(gè)跨距安裝1個(gè)避雷器，方可使整個(gè)接觸網(wǎng)的雷擊跳閘率與安裝避雷線的效果基本相同。但由于避雷器的防護(hù)范圍有限及雷擊點(diǎn)的隨機(jī)性，為達(dá)到避雷線的雷電防護(hù)效果需要增設(shè)大量的避雷器，由此造成線路設(shè)備成倍增加，維護(hù)工作量加大，反而降低了接觸網(wǎng)運(yùn)行可靠性。

3　結(jié)束語(yǔ)

南廣鐵路廣西段接觸網(wǎng)近一年的運(yùn)行實(shí)踐證明，當(dāng)前的線路防雷設(shè)計(jì)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足接觸網(wǎng)運(yùn)行高可靠性的需求，通過(guò)接觸網(wǎng)線路增設(shè)避雷器和架設(shè)避雷線兩種方案的雷電防護(hù)效果研究，其雷電防護(hù)方案還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。可以選取受雷害影響最為嚴(yán)重的桂平牽引變電所作為試點(diǎn)，采用供電線直線區(qū)段和上下行接觸網(wǎng)線路支柱頂部單獨(dú)架設(shè)避雷線的雷電防護(hù)方案，提高該區(qū)段接觸網(wǎng)線路的雷電防護(hù)水平，降低雷擊跳閘率，從實(shí)踐上驗(yàn)證避雷線對(duì)接觸網(wǎng)線路的雷電防護(hù)效果。

參考文獻(xiàn)：

〔1〕劉明光，李光澤，孔中秋，徐新社，鈕承新，路延安，王連生，郭永忠.論接觸網(wǎng)上避雷器的應(yīng)用〔J〕.電氣化鐵道.2005（05）

〔2〕劉靖.牽引網(wǎng)雷擊跳閘研究〔D〕.北京交通大學(xué).2009

〔3〕于增.接觸網(wǎng)防雷技術(shù)研究〔J〕.鐵道工程學(xué)報(bào).2002（1）

〔4〕DL/T 620—1997交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合〔S〕.1997

〔5〕張志勁，司馬文霞，蔣興良，孫才新，舒立春.超/特高壓輸電線路雷電繞擊防護(hù)性能研究〔J〕.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào).2005.1-6

〔6〕架空地線的保護(hù)范圍及繞擊率的計(jì)算〔J〕.華中工學(xué)院學(xué)報(bào).1965.1-14

〔7〕IEEE Guide.IEEE Guide for improving the lightning perfor?mance of transmission lines.IEEE stardard 1243—1997，New York，NY.

〔8〕Phillips，A.J.；Anderson，J.G.Computer simulation of light?ning flashes to transmission lines.Eleventh International Symposium on High Voltage Engineering，1999，22—27 （467）：224—227.

文章編號(hào)：1006-8686（2015）0008-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：U223.8