張涼永

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

鐵路電力貫通線供電可靠性及雷擊過(guò)電壓的影響

張涼永

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

鐵路電力貫通線是向鐵路通信、信號(hào)等重要負(fù)荷提供電源的鐵路電力工程基礎(chǔ)設(shè)施。由于與鐵路運(yùn)營(yíng)安全直接相關(guān)，貫通線的可靠性是設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的核心問(wèn)題。文章對(duì)通信信號(hào)等重要設(shè)備的用電要求、電源配置、貫通線與城市配電網(wǎng)絡(luò)可靠性的比較、雷擊過(guò)電壓對(duì)貫通線可靠性的影響等問(wèn)題予以淺析，并結(jié)合西南地區(qū)鐵路貫通線的實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)線路的雷擊過(guò)電壓防護(hù)問(wèn)題提出其改善措施。

電源配置； 貫通線； 雷擊過(guò)電壓； 可靠性

鐵路通信信號(hào)等重要設(shè)備是保證列車(chē)運(yùn)行安全的重要設(shè)備，其供電電源要求具有很高的可靠性以確保其穩(wěn)定可靠運(yùn)行。在鐵路系統(tǒng)中以電力貫通線為核心，構(gòu)建鐵路專(zhuān)有的電力子系統(tǒng)向這些重要設(shè)備提供電源，這種模式被長(zhǎng)期使用、沿用至今，積累了大量的運(yùn)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)。而且，鐵路貫通線的實(shí)際運(yùn)行情況表明，鐵路10 kV貫通線的可靠性與城市配電網(wǎng)絡(luò)的相比較具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，是鐵路通信信號(hào)等與鐵路運(yùn)營(yíng)安全相關(guān)重要設(shè)備接取電源的不二之選。同時(shí)，在西南山區(qū)鐵路貫通線上雷擊過(guò)電壓故障在各種類(lèi)型的故障中占有很高的比例，雷擊過(guò)電壓?jiǎn)栴}是對(duì)鐵路貫通線可靠性產(chǎn)生影響的主要因素之一。本文對(duì)通信信號(hào)等重要設(shè)備的用電要求、電源配置、雷擊過(guò)電壓對(duì)貫通線可靠性的影響及其改善措施、貫通線與城市配電網(wǎng)絡(luò)可靠性的比較等問(wèn)題予以淺析。

1 貫通線的主要負(fù)荷的供電要求

目前鐵路通信信號(hào)設(shè)備的電源通常由電源防雷箱接入設(shè)備電源屏，電源屏對(duì)電源的各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理之后再接入設(shè)備。

電源屏本身的技術(shù)指標(biāo)和要求在通信、信號(hào)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中很明確。2008年4月，鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《客運(yùn)專(zhuān)線鐵路信號(hào)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)：鐵路信號(hào)電源屏》，是在TB/T 1528.1～TB/T 1528.7標(biāo)準(zhǔn)以及運(yùn)基信號(hào)〔2005〕458號(hào)《鐵路信號(hào)智能電源屏技術(shù)條件》(暫行)及相關(guān)附錄基礎(chǔ)上，針對(duì)客運(yùn)專(zhuān)線信號(hào)系統(tǒng)的要求進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)和產(chǎn)品的可靠性要求，并適用于200 km/h以上客運(yùn)專(zhuān)線。

電源屏本身具備雙電源切換、穩(wěn)壓隔離、UPS備用等功能。而且技術(shù)條件對(duì)其頻率、波形失真、工頻耐壓、沖擊耐壓、遠(yuǎn)動(dòng)、防觸電保護(hù)、電磁兼容、IP防護(hù)等級(jí)、防火等方面都有具體詳細(xì)的要求。以信號(hào)電源屏為例：兩路接入電源的切換時(shí)間t≤0.15 s、輸入電壓可介于165～275 V，穩(wěn)壓精度≤3%Ue，而且可以在5 min內(nèi)耐受120%的過(guò)載。

顯然，通信信號(hào)設(shè)備的電源屏有較強(qiáng)的電能質(zhì)量轉(zhuǎn)換與處理能力，可以根據(jù)專(zhuān)業(yè)設(shè)備的需求對(duì)引入外部電源的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行有針對(duì)性的轉(zhuǎn)換和處理，使之符合設(shè)備需求，對(duì)外部引入電源的電壓降水平、頻率、波形失真等電能質(zhì)量的指標(biāo)要求并不高，在鐵路電力工程設(shè)計(jì)中真正需要重點(diǎn)考慮和著力解決的應(yīng)該是其接入電源的可靠性問(wèn)題。

介于通信信號(hào)設(shè)備可靠運(yùn)行的重要性，各類(lèi)規(guī)程規(guī)范中對(duì)于通信信號(hào)類(lèi)負(fù)荷的等級(jí)界定都很高?！惰F路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10008-2006)中通信信號(hào)類(lèi)負(fù)荷為一級(jí)。若參照《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 16-2008)中對(duì)民航機(jī)場(chǎng)通信信號(hào)類(lèi)負(fù)荷的分類(lèi)，結(jié)合高鐵的具體情況，鐵路通信信號(hào)設(shè)備負(fù)荷應(yīng)視為一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷。不同規(guī)程規(guī)范中對(duì)此類(lèi)負(fù)荷的電源配置要求是有差異的。

《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.6條：“獨(dú)立電源應(yīng)符合下列要求：(1)兩路電源之間無(wú)聯(lián)系，其中一路電源發(fā)生故障，另一路電源應(yīng)能繼續(xù)工作。(2)兩路電源之間有聯(lián)系，但發(fā)生故障時(shí)兩路電源應(yīng)不致同時(shí)損壞?！?TB 10008-2006第4.1.3的條文說(shuō)明對(duì)“兩路相對(duì)獨(dú)立的電源”的界定解釋為：“當(dāng)兩個(gè)電源之間無(wú)聯(lián)系時(shí)：(1)取自兩個(gè)發(fā)電廠或不同電源的兩個(gè)變電所。(2)取自同一發(fā)電廠的不同母線，不同母線應(yīng)接引不同發(fā)電機(jī)；當(dāng)兩個(gè)電源之間有聯(lián)系時(shí)：取自同一變電所的不同母線段(可為斷路器分段的110/35(10) kV變壓器的二次側(cè)母線)。[3]”而在實(shí)際工程應(yīng)用中，鐵路用戶在某一地區(qū)電網(wǎng)的某個(gè)片區(qū)取得電源時(shí)“兩個(gè)電源之間無(wú)聯(lián)系”是很難做到的，直接由發(fā)電廠接取電源的情況更為少見(jiàn)，所以，第4.2.6條的要求在工程應(yīng)用中實(shí)際上演變成了：只要是由不同電源的兩個(gè)變電所分別取得的電源，甚至同一變電所不同母線上取得的電源，都可以視為相互獨(dú)立的兩個(gè)電源。

在目前高鐵路網(wǎng)大幅擴(kuò)張情況下，就通信信號(hào)設(shè)備負(fù)荷的重要性而言，上述電源配置要求應(yīng)該是偏低的。

《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50052-2009)中一級(jí)負(fù)荷雙電源的配置要求和《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》是有差異的。其3.0.2的條文說(shuō)明的解釋如下：“雙重電源一詞引用了IEC50(601)中術(shù)語(yǔ)第601-02-19條‘duplicate supply’，因地區(qū)大電力網(wǎng)在主網(wǎng)電壓上都是并網(wǎng)的，用電部門(mén)無(wú)論從電網(wǎng)取幾回電源進(jìn)線，也無(wú)法得到嚴(yán)格意義上的兩個(gè)獨(dú)立電源。所以這里指的雙重電源可以是分別來(lái)自不同電網(wǎng)的電源，或來(lái)自同一電網(wǎng)但在運(yùn)行時(shí)電路互相之間聯(lián)系很弱，或者來(lái)自同一個(gè)電網(wǎng)但其間的電氣距離較遠(yuǎn)，一個(gè)電源系統(tǒng)任意一處出現(xiàn)異常運(yùn)行時(shí)或發(fā)生短路故障時(shí)，另一個(gè)電源仍能不中斷供電，這樣的電源都可視為雙重電源。[2]”顯然，《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的定義更為嚴(yán)謹(jǐn)。但要達(dá)到“分別來(lái)自不同電網(wǎng)的電源”這一要求難度極高，經(jīng)濟(jì)上也不合理。而其后者，“來(lái)自同一電網(wǎng)但在運(yùn)行時(shí)電路互相之間聯(lián)系很弱，或者來(lái)自同一個(gè)電網(wǎng)但其間的電氣距離較遠(yuǎn)……”更具實(shí)際意義，設(shè)計(jì)上也更具可操作性。

對(duì)于大多數(shù)一級(jí)負(fù)荷而言，以這種方式配置的系統(tǒng)已經(jīng)同時(shí)滿足了《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。但是在《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中還對(duì)“一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷”作出了規(guī)定，介于其特殊性和重要性，這類(lèi)負(fù)荷要求連續(xù)不間斷供電。為達(dá)不間斷供電的要求，除外部引入雙電源之外還要求配置應(yīng)急電源。

在鐵路電力工程設(shè)計(jì)中，通信信號(hào)設(shè)備的外部電源通常會(huì)由鐵路貫通(自閉)線路、地方電網(wǎng)、柴油發(fā)電機(jī)等途徑取得雙電源，應(yīng)急電源通常由通信信號(hào)設(shè)備自帶的UPS等提供。在高鐵路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上的特等站(特大型站房)，當(dāng)外部電源條件較好便于獲得雙電源引入的情況下，也可由柴油機(jī)提供應(yīng)急電源。此時(shí)設(shè)備自帶的UPS可以用作應(yīng)急電源的再備用。

2 貫通線的供電可靠性及雷擊過(guò)電壓?jiǎn)栴}

2.1 鐵路貫通線的主要特征

在鐵路電力系統(tǒng)中以貫通(自閉)線路為主，向通信信號(hào)等重要設(shè)備提供電源的供電方式在各國(guó)鐵路系統(tǒng)中廣泛使用，而且在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中積累了大量的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)。長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)管理實(shí)踐證明這種技術(shù)上成熟可靠的模式可以有效滿足通信信號(hào)等重要設(shè)備電源的可靠性要求。

普速鐵路通常配置一條電力貫通(自閉)線，為通信信號(hào)等重要負(fù)荷專(zhuān)用，鐵路沿線各車(chē)站由地方電網(wǎng)取得電源供車(chē)站生產(chǎn)生活用電，同時(shí)為通信信號(hào)設(shè)備提供備用電源。隨著國(guó)內(nèi)高鐵客運(yùn)專(zhuān)線的大規(guī)模擴(kuò)張，為提高系統(tǒng)可靠性和供電能力，在鐵路兩側(cè)各通長(zhǎng)架設(shè)一條貫通線路的雙貫通線供電方式被大量使用。雙貫通模式下一條貫通線為通信信號(hào)等重要負(fù)荷專(zhuān)用，另一條貫通線提供通信信號(hào)設(shè)備的備用電源，并在供電能力允許的條件下接入其他負(fù)荷，以盡可能提高電力設(shè)備利用率和資金使用效率。

貫通(自閉)線已經(jīng)成為確保通信信號(hào)等關(guān)鍵設(shè)備正常運(yùn)行的重要保障設(shè)施，也是鐵路安全運(yùn)營(yíng)的重要保證。以貫通線和鐵路變配電所為核心構(gòu)成的鐵路專(zhuān)用供電系統(tǒng)，其電源取自鐵路沿線各地區(qū)電網(wǎng)，10 kV架空或電纜線路沿鐵路通長(zhǎng)架設(shè)，分區(qū)段供電(供電臂長(zhǎng)度一般40～60 km)，相鄰供電臂之間互為備用(ZCH+BZT)。其典型特點(diǎn)為：

(1) 系統(tǒng)外部電源來(lái)自鐵路沿線各地區(qū)城市供配電網(wǎng)絡(luò)(在外部電源匱乏的貧困地區(qū)也可由鐵路牽引供電系統(tǒng)取得電源)。

相互獨(dú)立的電源多點(diǎn)接入，系統(tǒng)電源的可靠性很高。貫通線是沿鐵路通長(zhǎng)架設(shè)的專(zhuān)用電力線路，由若干個(gè)供電臂相互接續(xù)覆蓋鐵路全線。每個(gè)供電臂兩端由不同的地方電力網(wǎng)絡(luò)接入電源，并經(jīng)由設(shè)置于鐵路變配電所內(nèi)的調(diào)壓裝置隔離，使之相對(duì)地獨(dú)立于地方電力系統(tǒng)之外。由于每個(gè)供電臂的長(zhǎng)度可達(dá)40～60 km，其兩端的電源來(lái)自不同地區(qū)(或片區(qū))，電源相互之間的獨(dú)立性高，可以滿足“分別來(lái)自不同電網(wǎng)”或“來(lái)自同一電網(wǎng)但在運(yùn)行時(shí)電路互相之間聯(lián)系很弱，或者來(lái)自同一個(gè)電網(wǎng)但其間的電氣距離較遠(yuǎn)……”的要求，完全可以視為嚴(yán)格意義上兩個(gè)相互獨(dú)立的電源。相互接續(xù)的每個(gè)供電臂都采用這種方式配置，獨(dú)立電源多點(diǎn)接入，其系統(tǒng)電源的可靠性是非常高的。在貫通線的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，除供電臂兩端的電源互為備用之外，在極端情況下，只要供電能力許可，還可以跨區(qū)遠(yuǎn)程供電。

(2) 負(fù)荷量小而且負(fù)荷性質(zhì)單一。

在專(zhuān)用自閉線路模式下，除信號(hào)類(lèi)負(fù)荷之外其他性質(zhì)的負(fù)荷極少，在單貫通(或部分雙貫通線)模式下，也以通信信號(hào)類(lèi)負(fù)荷為主；鐵路車(chē)站上的其他等級(jí)不高的站房照明、車(chē)站站場(chǎng)照明、機(jī)務(wù)、車(chē)務(wù)、工務(wù)、給排水設(shè)備等各類(lèi)生產(chǎn)生活用電，一般情況下可在地方電網(wǎng)另行接入外部電源電。貫通線這種負(fù)荷性質(zhì)單一、而且負(fù)荷量不大的顯著特征為其可靠運(yùn)行提供了非常好的基礎(chǔ)條件。

(3) 運(yùn)行過(guò)程中的外部干擾影響小。

在鐵路電路工程設(shè)計(jì)中，鐵路貫通線的路徑選擇大多靠近鐵路正線，尤其是電纜線路，絕大多數(shù)設(shè)置于鐵路用地范圍之內(nèi)，受到外界工程施工、人為因素或其他用戶影響的概率很低。這個(gè)特征和城市網(wǎng)絡(luò)中的電力線路有明顯區(qū)別。鐵路供電段、水電段等運(yùn)行管理部門(mén)只要做好日常線路巡視、定期計(jì)劃?rùn)z修維護(hù)等工作，貫通線由于人為因素導(dǎo)致的故障率完全可以控制在非常低的水平上。

(4) 供電臂長(zhǎng)，供電能力受限。

貫通線的每一個(gè)供電臂都必須承擔(dān)其覆蓋范圍內(nèi)鐵路沿各站的通信信號(hào)等重要負(fù)荷，所以沿鐵路遠(yuǎn)距離送電是貫通線的客觀需求，在供電電壓允許偏差不大于±5%Ue(《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.3.1～4.3.3條)等規(guī)范要求的技術(shù)指標(biāo)限定之下，貫通線的供電能力受到較大制約。當(dāng)線路末端有重要的大容量單臺(tái)設(shè)備時(shí)受到貫通線供電能力制約的情況尤為明顯。例如，位于高鐵路網(wǎng)重要節(jié)點(diǎn)上的特大型客站，其信號(hào)的單臺(tái)設(shè)備容量Pe可達(dá)80～90 kW，若由貫通線提供電源，當(dāng)貫通線反方向送電時(shí)設(shè)備即位于線路末端，此時(shí)的貫通線電壓降水平校驗(yàn)計(jì)算要滿足“電壓允許偏差不大于±5%Ue”的條件是很難的。這類(lèi)問(wèn)題一般情況下只能通過(guò)合理的負(fù)荷分類(lèi)、限制非重要負(fù)荷的接入，盡量提高貫通線的重要負(fù)荷使用效率等措施來(lái)解決。

2.2 貫通線和城市配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性比較

就系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性而言，以鐵路貫通線為核心構(gòu)成的專(zhuān)用供電系統(tǒng)與城市配電網(wǎng)絡(luò)相比較具有明顯優(yōu)勢(shì)。以下為鐵路某供電段管內(nèi)電力貫通線(包括雙貫通和單貫通)和西南某市城市電網(wǎng)(包括市區(qū)某區(qū)域用戶情況和城鄉(xiāng)電網(wǎng))的實(shí)際運(yùn)行可靠性情況對(duì)比。以年平均停電時(shí)間、年平均停電次數(shù)、系統(tǒng)故障率3個(gè)指標(biāo)作為系統(tǒng)可靠性的評(píng)估參數(shù)，各項(xiàng)參數(shù)按如下方法統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

2.2.1 系統(tǒng)年故障停電時(shí)間：Ttd

2.2.2 系統(tǒng)年故障率(‰)：Kj

式中：Ttd為年系統(tǒng)故障停電時(shí)間；Tz為該系統(tǒng)(鐵路貫通線或城市某片區(qū)電網(wǎng))年運(yùn)行正常時(shí)間和故障停電時(shí)間的之和。

2.2.3 用戶平均停電次數(shù)：Dpj

式中：N為用戶總數(shù)(或貫通線的負(fù)荷點(diǎn)數(shù))，λk為第k個(gè)用戶的故障次數(shù)，Dpj的單位是次/戶。

2.2.4 用戶年平均停電時(shí)間：Tpj

式中：N為用戶總數(shù)(或貫通線的負(fù)荷點(diǎn)數(shù))；δk為第k個(gè)用戶的故障后停電的平均持續(xù)時(shí)間；Tpj的單位是h/戶。

貫通線與城市10 kV配電網(wǎng)絡(luò)供電故障對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 貫通線與城市10 kV配電網(wǎng)絡(luò)供電故障率對(duì)比

由表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以清晰地表明，鐵路10 kV貫通線的可靠性明顯優(yōu)于城市10 kV配電網(wǎng)絡(luò)，這和貫通線電源多點(diǎn)接入、負(fù)荷性質(zhì)單一、受外界的干擾影響小等特征相吻合。這種高可靠性的特征迎合了通信信號(hào)等與鐵路運(yùn)營(yíng)相關(guān)重要設(shè)備用電的可靠性需求。這也是為確保運(yùn)輸安全，鐵路電力工程長(zhǎng)期以來(lái)以貫通線為核心構(gòu)建鐵路專(zhuān)有的電力子系統(tǒng)的主因。近年來(lái)，隨著高鐵、客運(yùn)專(zhuān)線路網(wǎng)的快速擴(kuò)張，雙貫通線模式得以推廣使用，這種模式非常有效的進(jìn)一步提高了鐵路通信信號(hào)等重要設(shè)備的電源可靠性。

2.3 雷擊過(guò)電壓對(duì)鐵路貫通線可靠性的影響

2.3.1 鐵路貫通線運(yùn)行可靠性的影響因素

對(duì)鐵路貫通線運(yùn)行可靠性產(chǎn)生的影響因素很多，諸如：線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、絕緣等級(jí)、產(chǎn)品質(zhì)量、冰雪雷雨等氣候因素、地形地貌條件、負(fù)荷情況、施工質(zhì)量、維護(hù)管理水平、其他工程施工或人為干擾影響、山體滑坡及其他自然災(zāi)害等等。而且不同地區(qū)的線路其重要的影響因素和也存在明顯差異，例如，東北地區(qū)導(dǎo)線桿塔的覆冰問(wèn)題，東南沿海潮濕氣候及腐蝕問(wèn)題，西北黃土高原區(qū)域塵埃對(duì)絕緣水平的影響等等。

2.3.2 10 kV貫通線的雷擊過(guò)電壓

對(duì)貫通線運(yùn)行產(chǎn)生影響的眾多因素中，雷擊過(guò)電壓是對(duì)可靠性構(gòu)成威脅的一個(gè)極其重要的因素，其影響范圍很廣，并在華東、華南及西南山區(qū)尤為突出。

由于鐵路貫通線沿鐵路通長(zhǎng)架設(shè)，其供電范圍覆蓋鐵路全線。長(zhǎng)距離的10 kV(或35 kV)電力線路暴露于曠野而且連續(xù)不間斷運(yùn)行，線路遭受雷擊的概率高。在華東、華南及西南山區(qū)，由于年平均雷暴日較高，雷擊過(guò)電壓誘發(fā)故障的概率明顯高于其他地區(qū)。

西南山區(qū)的貫通線路，因雷擊產(chǎn)生的過(guò)電壓擊穿絕緣導(dǎo)致針式瓷瓶或懸式絕緣子炸裂、避雷器損壞、相間閃絡(luò)、斷線等原因?qū)е碌墓收咸l在貫通線停電事故中占有非常高的比例。地形地貌復(fù)雜、氣候多變的山區(qū)架空線路，此類(lèi)故障的占有率甚至可以高達(dá)70%以上。

架空電力線路因雷擊產(chǎn)生的過(guò)電壓分兩類(lèi)情況:雷直擊于桿塔或?qū)Ь€引起的“直擊雷過(guò)電壓”和雷擊于電力線路附近的地表，由電磁感應(yīng)在導(dǎo)線、橫擔(dān)等金屬構(gòu)件上而產(chǎn)生的“感應(yīng)雷過(guò)電壓”。

在雷擊事故中，感應(yīng)雷過(guò)電壓的發(fā)生概率約占80%，遠(yuǎn)高于直擊雷過(guò)電壓。由于電壓等級(jí)、絕緣強(qiáng)度、桿塔形式(鐵塔或鋼筋混凝土桿塔)、接地裝置、避雷線設(shè)置等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上的差異，通常情況下，35 kV及以下等級(jí)的電力線路和設(shè)備上感應(yīng)雷過(guò)電壓所構(gòu)成的威脅明顯多于110 kV及以上高電壓等級(jí)電力線路及設(shè)備。

圖1 雷電波波形

對(duì)大多為10 kV等級(jí)的長(zhǎng)距離鐵路貫通線而言，感應(yīng)雷過(guò)電壓是對(duì)線路運(yùn)行的可靠性構(gòu)成威脅的主要原因之一。

(1)感應(yīng)雷過(guò)壓：當(dāng)雷云中電荷大量聚集并向地表接近時(shí)， 雷云和大地之間形成高強(qiáng)度電場(chǎng)，其場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到2 500～3 000 kV/ m時(shí),會(huì)發(fā)生先導(dǎo)放電，隨后在極短的時(shí)間(約為50～100 μs)內(nèi)產(chǎn)生“閃絡(luò)”，其強(qiáng)烈的電荷“中和”過(guò)程導(dǎo)致被稱(chēng)為“主放電階段”的極大放電電流(數(shù)十到數(shù)百 kA)。由于放電電流變化速率很快，尤其是在放電電流達(dá)到峰值之前陡度α(α=di/dt)值很高，在放電通道周?chē)臻g將形成強(qiáng)度很高而且變化速度很快的磁場(chǎng)，位于磁場(chǎng)內(nèi)的導(dǎo)線、避雷線、接地引下線、橫擔(dān)等金屬導(dǎo)體上都會(huì)產(chǎn)生很高的電磁感應(yīng)電壓。規(guī)程建議，在當(dāng)雷擊點(diǎn)距離線路的距離S>65 m時(shí)，感應(yīng)過(guò)電壓的最大值Ug可按下式估算：

式中：Ug為感應(yīng)電壓最大值(kV)；Ugd為帶避雷線情況下感應(yīng)電壓最大值(kV)；I為雷電流幅值(kA)；hd為線路導(dǎo)線懸掛高度(m)；S為雷擊點(diǎn)距離線路的距離(m)，K為避雷線與導(dǎo)線的耦合系數(shù)。其中的雷電流幅值，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)雷電流幅值積累概率分布情況在設(shè)計(jì)中合理選定。

若針對(duì)西南山區(qū)鐵路電力貫通線的情況，并參考貴州省雷電流幅值積累概率分布，取貫通線計(jì)算參數(shù)：hd=10 m，I=20 kA，S=65 m，K=0，則Ugd=Ug=76.9 kV，即：出于感應(yīng)雷過(guò)電壓防護(hù)的需要，在云貴山區(qū)雷擊事件發(fā)生率較高的區(qū)段，10 kV貫通線上常用的針式絕緣子的50%全波沖擊閃絡(luò)電壓(U50%)亦大于80 kV。設(shè)計(jì)中可靠的選型應(yīng)當(dāng)使用P-15T(U50%=115 kV)，若基于節(jié)約投資的目的選用P-10T(U50%=80 kV)，雖然技術(shù)參數(shù)上也可以滿足要求，但發(fā)生雷擊閃絡(luò)擊穿事故的概率會(huì)明顯增加，在雷擊高發(fā)區(qū)貫通線的可靠性被大幅降低了(表2)。

表2 10 kV貫通線幾種絕緣子電氣特性比較

(2)直擊雷過(guò)電壓：當(dāng)雷擊于桿塔時(shí)雷電流會(huì)通過(guò)桿塔泄入大地。當(dāng)雷直擊導(dǎo)線時(shí)雷電流沿導(dǎo)線流動(dòng)，部分雷電流經(jīng)由避雷器的放電間隙、桿塔接地裝置等泄入大地(部分雷電流將通過(guò)線路侵入變電站在設(shè)備上產(chǎn)生雷電侵入波過(guò)電壓)。在雷電流泄放的短暫過(guò)程中，由雷電通道所產(chǎn)生的空間電磁場(chǎng)發(fā)生急劇變化，將在導(dǎo)線感應(yīng)出與雷電流極性相反的過(guò)電壓。對(duì)無(wú)避雷線、高度40 m以下的線路，此過(guò)電壓最大值Uga使用下式估算：

式中：α為感應(yīng)過(guò)壓系數(shù)(kV/m)，其數(shù)值等于以kA/m計(jì)算的雷電流平均陡度，即α=I/2.6，取貫通線計(jì)算參數(shù)：hd=10 m，I=20 kA，則Uga= 76.9 kV。上述分析表明，直擊雷過(guò)電壓與S=65 m時(shí)的感應(yīng)過(guò)電壓水平一致，此時(shí)Uga=Ugd。當(dāng)雷擊線路外側(cè)地表的位置S>65 m后，感應(yīng)過(guò)電壓水平低于直擊雷過(guò)電壓或S=65 m時(shí)的感應(yīng)雷過(guò)電壓，設(shè)計(jì)中鐵路貫通線的絕緣水平直接使用Uga=Ugd參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)即可。

2.3.3 貫通線雷擊過(guò)電壓的防護(hù)

“關(guān)于雷擊過(guò)電壓的防護(hù)，至今國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的共識(shí)是：無(wú)源不可消雷、也不能驅(qū)(拒)雷，只能攔截和改變?nèi)氪蟮芈窂剑芎玫脑O(shè)計(jì)和建設(shè)雷擊過(guò)電壓防護(hù)措施是能夠避免雷擊過(guò)電壓產(chǎn)生的破壞性后果的。[1]”雷擊過(guò)電壓防護(hù)措施是一個(gè)涉及到電力系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題。就鐵路10 kV貫通線而言，以下這些措施經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行管理實(shí)踐證明可以有效地改善和提高雷擊過(guò)電壓的防護(hù)效果。

(1)降低桿塔接地阻抗。

這是改善貫通線路直擊雷防護(hù)效果最為有效的措施。桿塔接地阻抗的大小和直擊雷情況下桿塔頂部電位呈正相關(guān)，阻抗越大桿塔頂部電位越高，和導(dǎo)線之間的電位差越大，發(fā)生絕緣子閃絡(luò)的概率越高?？梢酝ㄟ^(guò)改變接地體的尺寸、截面積、埋深、幾何形狀等方式來(lái)降低工頻接地電阻和沖擊接地電阻。在雷電流泄放過(guò)程中由于土壤中存在火花擊穿效應(yīng)。沖擊接地電阻一般低于工頻接地電阻，而且沖擊接地電阻因土壤性質(zhì)、沖擊電流峰值及波形、接地裝置的幾何形狀不同而差異很大，在設(shè)計(jì)中常以工頻電阻值作為接地設(shè)計(jì)的依據(jù)，但其中需要注意垂直接地體在雷電流沖擊時(shí)的電感效應(yīng)。延長(zhǎng)接地體的長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致電感效應(yīng)增加，這是對(duì)雷電流的泄放的不利因素。在山區(qū)線路的石質(zhì)基坑或土壤電阻率較高的桿塔建議使用長(zhǎng)效降阻劑，并加強(qiáng)定期檢測(cè)，尤其是在雷雨季節(jié)來(lái)臨之前要切實(shí)掌握桿塔接地電阻值的變化情況。

(2)合理確定貫通線路絕緣水平。

在設(shè)計(jì)中適當(dāng)提高絕緣等級(jí)，尤其是在山區(qū)線路上的雷擊高發(fā)區(qū)段加強(qiáng)絕緣，增加絕緣子U50%(50%全波沖擊閃絡(luò)電壓)值，可以改善感應(yīng)雷過(guò)電壓情況下反擊閃絡(luò)的防護(hù)效果。

(3)避雷線設(shè)置。

規(guī)程規(guī)定35 kV及以下的線路一般不全線架設(shè)避雷線，裝設(shè)自動(dòng)重合閘裝置。西南地區(qū)電力貫通線的實(shí)際運(yùn)行情況表明，在地貌條件復(fù)雜氣候多變的山區(qū)，雷擊有非常明顯的選擇性。某些區(qū)域會(huì)有雷雨高發(fā)的局部小氣候，貫通線路上的部分區(qū)段會(huì)頻繁的反復(fù)遭受雷擊、而部分區(qū)段會(huì)多年無(wú)雷擊記錄?？稍诓糠掷讚舾甙l(fā)區(qū)段的貫通線路上加強(qiáng)絕緣并增設(shè)避雷線。貫通線路徑上的雷擊故障明顯高發(fā)區(qū)段通常出現(xiàn)在突兀的山脊、高導(dǎo)電巖層區(qū)段、高差大而陡峭的山谷等區(qū)段，在這些區(qū)段針對(duì)性的設(shè)置避雷線可以非常明顯改善整條貫通線的防雷擊過(guò)電壓水平、大幅度降低雷擊故障率。

(4)安裝避雷器。

由于雷電流陡波的折射與反射，線路末端斷開(kāi)時(shí)反射波等于入射波，當(dāng)波到達(dá)開(kāi)路末端時(shí)全部磁場(chǎng)能量將被轉(zhuǎn)變而使電壓上升1倍，因此在鐵路貫通線路的每一條供電臂末端、架空線與電纜轉(zhuǎn)換處的終端桿、末端變臺(tái)桿等處必須安裝避雷器。

(5)在貫通線中電纜線路所占比例越高，雷擊過(guò)電壓的故障概率越低。

在西南山區(qū)鐵路橋梁隧道比例較高的區(qū)段盡可能在橋梁上、隧道內(nèi)敷設(shè)電纜。采用全電纜貫通線方案幾乎可以徹 底解決雷擊故障問(wèn)題，國(guó)內(nèi)多條高鐵客專(zhuān)采用全電纜10kV貫通線方案并已投入運(yùn)行。海南省是國(guó)內(nèi)典型的雷擊高發(fā)區(qū)(局部地區(qū)的年均雷暴日數(shù)在100以上)，海南東環(huán)鐵路采用全電纜10kV貫通線，自2010年12月底開(kāi)通運(yùn)行至今，貫通線的雷擊停電故障次數(shù)為零。

3 結(jié)束語(yǔ)

通信信號(hào)等重要設(shè)備直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)安全，其接入電源的可靠性是鐵路電力工程設(shè)計(jì)需要考慮的重要問(wèn)題。以電力貫通線為核心構(gòu)建的鐵路專(zhuān)有電力系統(tǒng)向通信信號(hào)等重要設(shè)備提供電源的模式可以提供可靠性較高的電源，這種模式已經(jīng)在鐵路系統(tǒng)多年的實(shí)踐中積累了豐富的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于雷擊過(guò)電壓等對(duì)貫通線可靠性影響的問(wèn)題在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)予以高度重視，并采取綜合措施著力解決。

[1] 許穎，徐士珩.交流電力系統(tǒng)過(guò)電壓防護(hù)及絕緣配合[M].中國(guó)電力出版社，2006

[2] GB 50052-2009供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[3] TB 10086-2006鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[4] GBJ 64-1983工業(yè)與民用電力裝置的過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[5] DL/T 620-1997交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合[S]

張涼永(1964～)，男，工程師，國(guó)家注冊(cè)電氣工程師。

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[定稿日期]2014-10-29