廣深鐵路沿線雷電活動分析

張志訪，卓建洪，趙紫輝，曹曉斌，吳廣寧

0 引言

根據(jù)國內(nèi)鐵路牽引供電系統(tǒng)運(yùn)營部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前已開通了近2.6萬km電氣化鐵路[1]，隨著運(yùn)營里程的增加以及高速、重載專線的快速發(fā)展，提高牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)耐雷性能、減少雷擊故障跳閘率，保障電氣化鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩兄匾囊饬x。

廣東省部分地區(qū)年雷暴日超過100 d。由于雷電活動頻繁，廣深公司管內(nèi)電氣化鐵路自開通以來一直深受雷害的影響。雷擊支柱頂部后，雷電流通過支柱內(nèi)部的鋼筋流入大地時使鋼筋發(fā)熱，從而導(dǎo)致支柱燒傷開裂。根據(jù)不完全統(tǒng)計，2004—2009年，廣深線更換雷擊損壞支柱109根、更換絕緣子97處，因此雷害已嚴(yán)重威脅到廣深線的安全運(yùn)行，并已帶來了極大的經(jīng)濟(jì)損失，因此需要對其進(jìn)行防雷研究以提高廣深鐵路接觸網(wǎng)的耐雷水平。本文通過對廣深鐵路沿線雷電活動情況分析，確定其雷電流幅值分布范圍以及防雷的目標(biāo)。

1 廣深鐵路沿線地形情況

Google Earth是一款Google公司開發(fā)的虛擬地球儀軟件，它將衛(wèi)星圖片與全球衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)、地理信息系統(tǒng)、圖形、視頻流以及3D等技術(shù)結(jié)合在一起，為用戶實時提供三維空間信息和數(shù)據(jù)。地形地貌對架空線路防雷的影響，主要是地面傾角對桿塔耐雷水平的影響[2]。圖1為基于Google Earth軟件的廣深鐵路沿線衛(wèi)星地圖。

圖1 廣深鐵路沿線衛(wèi)星地圖

從圖1可以看出，廣深線位于珠江下游沖積平原，地勢較為平坦，受亞熱帶海洋氣候的影響，雷電活動較為頻繁。廣深鐵路沿線沒有山丘，四周相對海拔較小，缺乏起屏蔽作用的地形。

2 雷電活動分析

由于廣深鐵路沿線地處廣東省范疇，其雷電特征與廣東省雷電分布有著內(nèi)在的聯(lián)系，本文先從廣東省雷電分布情況入手，進(jìn)而分析廣深線的雷電分布規(guī)律，以便找到兩者之間的異同，更切合實際的確定防雷目標(biāo)。

2.1 廣東省雷電活動情況分析

（1）雷電活動分布。由于廣東省的雷電數(shù)據(jù)樣本巨大，并且雷電數(shù)據(jù)本身具有空間屬性，因此可以選用地理信息系統(tǒng)（GIS）來處理該數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS軟件對廣東省的電子地圖進(jìn)行截取，從而得到廣東省的雷電活動情況，然后通過網(wǎng)格劃分法可以得到不同地區(qū)的落雷次數(shù)，圖2為2008年7月份廣東省雷電活動分布情況。

圖2 廣東省2008年7月落雷次數(shù)分布圖

（2）雷電流幅值分布。通過對廣東省10年間（1998—2008年）的30 667 055個雷電流幅值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到廣東省雷電流幅值分布如圖3所示。

通過對圖 3曲線擬合得到廣東省雷電流幅值概率計算公式為

式中，P為雷電流幅值概率；I為雷電流幅值，kA。

（3）雷電流幅值概率密度。分布函數(shù)無法直觀地得到某一個雷電流幅值范圍內(nèi)的實際落雷情況，因此本文計算了廣東省雷電流概率密度曲線如圖4所示。

圖3 廣東省雷電流幅值分布圖

圖4 廣東省雷電流概率密度曲線圖

其對應(yīng)的雷電流概率密度

2.2 廣深鐵路沿線雷電活動情況分析

（1）雷電流幅值概率密度。通過廣深公司測得的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，以廣深線為中心，以雷電監(jiān)測系統(tǒng)的精度（1 km）為半徑，可得影響廣深線的雷電活動區(qū)域（見圖5）。

圖5 影響廣深線的雷電活動區(qū)域圖

同樣利用ArcGIS對10年間（1998—2008年）的雷電活動數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，得到廣深線雷電流概率密度曲線如圖6所示。

圖6 廣深線雷電流概率密度曲線圖

比較圖6與圖4，二者外形比較相似，90%的雷電流幅值分布在80 kA以下，但二者并不重合，圖4的峰值發(fā)生在20 kA左右，而廣深線的雷電流概率峰值在40 kA。由于廣深線經(jīng)過的地方土壤電阻率普遍較低，因此雷電流分布的平均值比廣東省的平均值要高。

（2）雷電流幅值分布。根據(jù)雷電活動數(shù)據(jù)，同樣可以得到圖7所示的廣深線雷電流幅值分布。

圖7 廣深線雷電流幅值分布曲線圖

通過對圖7曲線擬合，得到廣深線雷電流幅值概率

根據(jù)式（3）計算得到廣深線主要雷電流幅值分布表（見表1）。

表1 廣深線主要雷電流幅值分布表

從表1中可以看出，雷電流幅值大于80 kA的概率小于10%，大于45 kA的概率為50%。

3 廣深鐵路雷電防護(hù)

3.1 防雷目標(biāo)

由于廣深鐵路處于珠江下游沖積平原，地勢較為平坦，根據(jù)廣深鐵路2004—2008年的運(yùn)行資料顯示，很多區(qū)間與站場均發(fā)生過支柱燒傷或絕緣子閃絡(luò)以及跳線燒傷的現(xiàn)象。通過比較發(fā)現(xiàn)這些遭受雷擊的支柱所處地形具有相同的特點，即均處于田野之中，而且附近缺乏建筑物。因此，這些支柱將被列為重點防護(hù)支柱。

根據(jù)廣深鐵路歷年雷害情況，結(jié)合其雷電活動特點以及Google Earth軟件對地形的篩選，確定防雷重點改造區(qū)段。其中以吉山—下元區(qū)間、下元—仙村區(qū)間、仙村站、仙村—石龍區(qū)間、石灘—石龍區(qū)間以及茶山—東莞區(qū)間的雷害現(xiàn)象最多，為重點防護(hù)區(qū)段。圖8為吉山—東莞三維衛(wèi)星地圖。

圖8 吉山—東莞三維衛(wèi)星地圖

3.2 防雷措施

接觸網(wǎng)防雷的主要方法有降低接地電阻、增設(shè)線路避雷器、架設(shè)避雷線（針）和提高絕緣等級[3]。降低接地電阻可以有效地提高線路的耐雷水平，當(dāng)接觸網(wǎng)的支柱形式、尺寸與絕緣子型式和數(shù)量確定后，影響接觸網(wǎng)反擊耐雷水平的主要因素則是桿塔的接地電阻；增設(shè)線路避雷器對防止雷直擊導(dǎo)線、雷擊塔頂或避雷線的反擊、繞擊等方面是非常有效的，但考慮其經(jīng)濟(jì)性和局限性，一般在雷電特別嚴(yán)重地區(qū)增設(shè)避雷器；架設(shè)避雷線可以有效降低接觸網(wǎng)遭受直擊雷的概率，同時也可以降低絕緣子因感應(yīng)過電壓而擊穿閃絡(luò)的概率，從而大幅度提高接觸網(wǎng)的耐雷性能；提高線路絕緣等級，其U50%閃絡(luò)電壓上升，可以在一定程度上提高線路的耐雷水平，但由于提高幅度有限，因此絕緣子的選擇主要按照線路的污穢等級進(jìn)行，而在防雷應(yīng)用中不必特意考慮。

綜上所述，針對廣深鐵路的防雷目標(biāo)，得出以下雷電防護(hù)措施：重點防護(hù)支柱建議架設(shè)避雷針或避雷器并進(jìn)行接地改造；防雷重點區(qū)段建議全線架設(shè)避雷線，并合理增設(shè)避雷器，同時進(jìn)行接地改造。

4 結(jié)論

通過對廣深鐵路沿線的雷電流分布情況進(jìn)行分析，其雷電流幅值分布與廣東省的雷電流幅值分布既有相同之處，也存在著區(qū)別。二者相同之處是其雷電流幅值分布曲線的形狀相同，具有相同的變化趨勢，而且90%以上的雷電流幅值小于80 kA；不同之處是廣深鐵路沿線的雷電流幅值比廣東省偏高，其平均值為45 kA，而廣東省的雷電流幅值的平均值約為22 kA。因此在制定廣深鐵路接觸網(wǎng)防雷措施時，按照廣東省的雷電數(shù)據(jù)進(jìn)行計算將會產(chǎn)生較大的誤差，這就要求必須按照廣深鐵路沿線的實際雷電參數(shù)進(jìn)行計算。

[1]孫珂，李勇.電氣化鐵路供電工程建設(shè)中存在的問題及相關(guān)建議[J].能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2010，22（2）：40-41.

[2]曹曉斌，馬御棠，吳廣寧，等.利用地形參數(shù)計算超高壓輸電線路繞擊跳閘率[J].高電壓技術(shù)，2010，36（5）：1178-1182.

[3]于增.接觸網(wǎng)防雷技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報，2002，（1）：89-94.