接觸網(wǎng)雷害防護(hù)措施及效果分析

徐 禎

接觸網(wǎng)雷害防護(hù)措施及效果分析

徐 禎

分析了地面接觸網(wǎng)和高架橋接觸網(wǎng)無防護(hù)及設(shè)置避雷線的閃絡(luò)情況，并對(duì)避雷線設(shè)置在不同高度處的防雷效果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，提出了接觸網(wǎng)雷害防護(hù)措施宜采用避雷線+帶間隙避雷器的方案。

接觸網(wǎng)；閃絡(luò)；防護(hù)措施

0 引言

雷電過電壓對(duì)牽引供電系統(tǒng)造成的影響體現(xiàn)在接觸網(wǎng)短路跳閘故障。當(dāng)接觸網(wǎng)絕緣子遭受過電壓閃絡(luò)后，因雷電流在絕緣子周圍電離空氣產(chǎn)生等離子層，從而導(dǎo)致接觸網(wǎng)發(fā)生直流短路引起牽引變電所直流饋線斷路器跳閘，這時(shí)絕緣子因燒損可能發(fā)生永久性短路或非永久性損傷。其后果體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是若絕緣子非永久性損傷，則牽引變電所可重合閘后恢復(fù)供電，造成的影響后果較小；二是若絕緣子永久性損壞，則牽引變電所重合閘不成功，對(duì)供電系統(tǒng)的影響很大。雷電流雖然很大，但持續(xù)時(shí)間很短，在幾百微秒之間，其能量不足以燒壞絕緣子。絕緣子因雷電擊穿后流經(jīng)絕緣子的電流幅值為1×104～10×104A，持續(xù)時(shí)間為20～100 ms，該電流能量很大，可徹底燒壞絕緣子而導(dǎo)致永久性短路故障。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，因雷電過電壓引起的牽引變電所直流斷路器跳閘故障中約有70%可實(shí)現(xiàn)重合閘，30%為絕緣子永久性損壞短路故障。

1 接觸網(wǎng)無防護(hù)及設(shè)置避雷線的閃絡(luò)分析

防雷措施有避雷線、避雷器、放電間隙等，采用何種措施應(yīng)依據(jù)投資額與取得的防護(hù)效果綜合評(píng)價(jià)。完全實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)不跳閘及絕緣子不被燒損的工程代價(jià)極高且無必要，因此應(yīng)分析接觸網(wǎng)各種防護(hù)措施對(duì)應(yīng)的雷害水平程度，達(dá)到運(yùn)營單位可以接受的水平。

下文首先分析接觸網(wǎng)無任何避雷線、架空地線，且接觸網(wǎng)不安裝任何避雷器等設(shè)施情況下，對(duì)應(yīng)不同雷暴日的接觸網(wǎng)閃絡(luò)次數(shù)，以此為基礎(chǔ)，再分析接觸網(wǎng)在加避雷線、避雷器等設(shè)施后不同雷暴日對(duì)應(yīng)的接觸網(wǎng)閃絡(luò)次數(shù)，分析各種防雷設(shè)施施加前后的閃絡(luò)次數(shù)并判定其防雷效果。

1.1 接觸網(wǎng)無任何防護(hù)措施時(shí)閃絡(luò)情況分析

圖1為地面接觸網(wǎng)幾何斷面圖，圖2為其無任何防護(hù)措施情況下的閃絡(luò)次數(shù)曲線圖。

圖1 地面接觸網(wǎng)幾何斷面圖

圖2 地面接觸網(wǎng)無任何防護(hù)措施情況下的閃絡(luò)次數(shù)曲線圖

圖3為高架橋接觸網(wǎng)幾何斷面圖，圖4為其無任何防護(hù)措施情況下的閃絡(luò)次數(shù)曲線圖。

圖3 高架橋接觸網(wǎng)幾何斷面圖

圖4 高架橋接觸網(wǎng)無任何防護(hù)措施情況下的閃絡(luò)次數(shù)曲線圖

1.2 接觸網(wǎng)設(shè)避雷線時(shí)閃絡(luò)情況分析

接觸網(wǎng)因承力索在導(dǎo)線上方，承力索對(duì)導(dǎo)線起到全屏蔽作用，因此計(jì)算接觸網(wǎng)遭受直擊雷次數(shù)只按承力索考慮。避雷線可利用既有接觸網(wǎng)架空地線進(jìn)行設(shè)置，為節(jié)省投資沒必要單獨(dú)設(shè)置避雷線。避雷線設(shè)置高度應(yīng)高于承力索，并使避雷線與承力索距離滿足兩導(dǎo)線間電氣安全距離要求，避雷線的設(shè)置有2種方式：

（1）方式一：避雷線設(shè)于接觸網(wǎng)支柱垂直上方，其高度滿足上下行兩避雷線對(duì)承力索起屏蔽作用，其高度追求在對(duì)承力索起屏蔽作用情況下的最低高度以節(jié)省投資。圖5為避雷線在柱頂上方時(shí)的接觸網(wǎng)示意圖。

圖5 支柱上方垂直放置架空地線示意圖

（2）方式二：避雷線在柱頂向接觸網(wǎng)側(cè)內(nèi)傾置于一定高度，以使避雷線相對(duì)承力索達(dá)到一定保護(hù)角要求，圖6為避雷線內(nèi)傾時(shí)接觸網(wǎng)示意圖。

圖6 支柱內(nèi)傾放置架空線示意圖

由于上下行同時(shí)存在避雷線，上下行避雷線同時(shí)起到對(duì)上下行接觸網(wǎng)的保護(hù)作用。避雷線在支柱垂直上方設(shè)置還是內(nèi)傾設(shè)置應(yīng)以計(jì)算的接觸網(wǎng)閃絡(luò)次數(shù)進(jìn)行判定。

1.2.1 避雷線設(shè)置在支柱垂直上方

當(dāng)避雷線在支柱上方，且高于承力索0.1 m，并與承力索水平距離為3 m時(shí)，各種雷暴日的接觸網(wǎng)跳閘次數(shù)曲線圖見圖7。

圖7 避雷線在支柱垂直上方時(shí)，接觸網(wǎng)跳閘次數(shù)曲線圖

1.2.2 避雷線在支柱上方且向內(nèi)傾斜

當(dāng)避雷線在支柱上方且向線路側(cè)內(nèi)傾斜時(shí)，各種雷暴日的接觸網(wǎng)跳閘次數(shù)曲線圖見圖8。

1.2.3 2種方案效果對(duì)比

對(duì)比分析地面接觸網(wǎng)避雷線設(shè)置在不同位置的防護(hù)效果（圖7 a和圖8 a）、高架橋上接觸網(wǎng)避雷線設(shè)置在不同位置的防護(hù)效果（圖7 b和圖8 b），可以看出2種方案效果基本相同。

圖8 避雷線在支柱上方且向內(nèi)傾斜時(shí)，接觸網(wǎng)跳閘次數(shù)曲線圖

2 避雷線設(shè)置高度的防雷效果分析

圖7、圖8為接觸網(wǎng)上設(shè)置避雷線最低高度（只比承力索高0.1 m）時(shí)的防護(hù)效果情況。通過計(jì)算表明當(dāng)避雷線高度比承力索高度稍增加時(shí)，防護(hù)效果要增加。當(dāng)高度繼續(xù)增加時(shí)，引雷效果增加，防護(hù)效果反而要降低。因此，接觸網(wǎng)設(shè)置避雷線時(shí)，存在一個(gè)最佳高度問題，具體情況見表1和表2。

表1 接觸網(wǎng)在地面上，絕緣子總閃絡(luò)次數(shù)（次/100 km×年）統(tǒng)計(jì)表

表2 接觸網(wǎng)在高架橋上，絕緣子總閃絡(luò)次數(shù)（次/100 km×年）統(tǒng)計(jì)表

通過表1可以看出：當(dāng)接觸網(wǎng)在地面時(shí)，避雷線高度高于承力索為0.4 m時(shí)效果最好（未考慮避雷線最高溫時(shí)的馳度）。通過表2可以看出，當(dāng)接觸網(wǎng)在高架橋時(shí)，避雷線高度高于承力索0.9 m時(shí)效果最好。但總的看來避雷線高度變化對(duì)防護(hù)效果的影響并不大，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中避雷線高度在0.4～1.0 m范圍內(nèi)均可行。

3 接觸網(wǎng)設(shè)置避雷器時(shí)防護(hù)效果分析

帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器相比保護(hù)間隙，其動(dòng)作后能抑制系統(tǒng)工頻續(xù)流起弧，牽引變電所不會(huì)因雷擊故障而跳閘，可降低接觸網(wǎng)雷擊跳閘率，防雷保護(hù)效果更理想，因此，架空接觸網(wǎng)雷電防護(hù)所用避雷器應(yīng)優(yōu)先選擇帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器。

當(dāng)每個(gè)接觸網(wǎng)支柱均安裝帶間隙避雷器時(shí)，通過模擬仿真研究，在直擊雷作用下，最嚴(yán)苛情況，當(dāng)雷電流100 kA時(shí)，流過避雷器本體沖擊電流為71 kA，因此，對(duì)于100 kA以上的直擊雷，當(dāng)無避雷線屏蔽承力索時(shí)，接觸網(wǎng)遭受直擊雷時(shí)流過避雷器的電流可能導(dǎo)致避雷器損壞。

金屬氧化物避雷器的安裝方案也直接決定其所能起到的防護(hù)效果。在電力系統(tǒng)供電線路上所采用的金屬氧化物避雷器與絕緣子并聯(lián)安裝，其優(yōu)勢(shì)在于直接限制作用在絕緣子上的過電壓從而達(dá)到對(duì)絕緣子的可靠保護(hù)。而當(dāng)前在城市軌道交通架空接觸網(wǎng)所采用的1.5 kV直流金屬氧化物避雷器并沒有與絕緣子并聯(lián)安裝，其一端與架空接觸網(wǎng)帶電導(dǎo)線相連，另一端通過電纜直接與大地相連，實(shí)際并不能限制絕緣子兩端的電壓。因此，架空接觸網(wǎng)絕緣子并聯(lián)安裝串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器是一種比較可靠的雷電過電壓防護(hù)措施。

因此，在當(dāng)雷暴日較大的環(huán)境條件下，若每個(gè)接觸網(wǎng)支柱絕緣子并聯(lián)1支帶間隙避雷器，可有效防止絕緣子被擊穿，且可有效避免接觸網(wǎng)短路引起的跳閘。

4 接觸網(wǎng)設(shè)避雷線及避雷器防護(hù)效果分析

圖9、圖10給出了不同位置處的接觸網(wǎng)在已設(shè)避雷線，并每間隔1個(gè)支柱絕緣子安裝1個(gè)避雷器的情況下，防雷效果計(jì)算分析曲線。

圖9 地面接觸網(wǎng)防雷效果分析圖

圖10 高架橋上接觸網(wǎng)防雷效果分析圖

通過對(duì)比圖7 a、圖9，圖7 b、圖10的數(shù)據(jù)表明，全線在設(shè)有避雷線但無避雷器和有避雷線間隔1個(gè)支柱安裝避雷器，在各種雷暴日情況下的防雷效果不明顯，接觸網(wǎng)跳閘次數(shù)只減少了16%左右，避雷器每個(gè)支柱均安裝和間隔支柱安裝的防護(hù)效益差距巨大，因此雷暴日較大情況下，還應(yīng)以每個(gè)支柱絕緣子并聯(lián)1個(gè)帶間隙避雷器為好。

5 結(jié)論

通過上述對(duì)接觸網(wǎng)無任何防護(hù)措施、只設(shè)避雷線方案、只設(shè)避雷器方案的防護(hù)效果分析看出：

（1）只設(shè)避雷線方案可有效降低接觸網(wǎng)遭受直擊雷的次數(shù)，并有效降低牽引變電所的跳閘次數(shù)（地面15%，高架橋30%），但當(dāng)雷暴日數(shù)增大時(shí)，牽引變電所跳閘次數(shù)較高，且由于存在電位反擊后接觸網(wǎng)絕緣子大量燒損的可能性，事故還會(huì)發(fā)生。

（2）若不考慮架空地線抬高后的避雷效果，在雷暴日較大時(shí)，地面及高架橋接觸網(wǎng)考慮全部采用安裝接觸網(wǎng)絕緣子帶間隙避雷器，可避免接觸網(wǎng)跳閘。但由于受成本和重量限制，避雷器的通流容量不宜做的太大，因此在90～100 kA以上雷電直擊接觸網(wǎng)時(shí)，有可能造成避雷器因通流容量不夠而爆炸損壞。

因此，考慮綜合，建議采用以下綜合防護(hù)措施：避雷線+帶間隙避雷器方案。將架空地線抬高至最佳高度，且在雷暴日達(dá)到一定級(jí)別時(shí)，考慮在接觸網(wǎng)絕緣子上并聯(lián)間隙避雷器，這種情況下，由于避雷線已將上下行接觸網(wǎng)全屏蔽，接觸網(wǎng)不可能再遭受直擊雷，帶間隙避雷器只承受避雷線遭受雷擊后的反擊雷電流，這部分雷電流只有總電流大小的20%左右，即使按最大雷電流300 kA考慮，避雷器的通流容量也足夠。對(duì)于感應(yīng)雷，通過計(jì)算表明，避雷器通流電流小于2 kA，因此避雷器容量不成問題。

The flashover on overhead contact systems either above the ground or above the viaduct not setting with protection or setting with lightning wire is analyzed, the statistics and analysis are made on effectiveness of lightning protection with the lightning wires set in different heights, and the appropriate scheme is put forward for overhead contact system lightning protection by means of lightning wire equipped with gap arrestor.

OCS; flashover; protection measure

U226.8+3

B

1007-936X(2014)04-0013-05

2014-06-23

徐 禎.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司機(jī)輛分公司安全質(zhì)量監(jiān)察室，助理工程師，電話：18031780011。