南廣鐵路接觸網(wǎng)雷電防護方案的研究

黃鎮(zhèn)城（中國鐵道科學研究院研究生部，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)雷電防護方案的研究

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

摘要：結合南廣鐵路所經(jīng)過地區(qū)的地理、氣候條件及接觸網(wǎng)運行中出現(xiàn)的雷害情況，通過分析接觸網(wǎng)的雷擊類型及其作用范圍，研究接觸網(wǎng)線路增設避雷器和架設避雷線2種方案的雷電防護效果，并提出南廣鐵路接觸網(wǎng)雷電防護方案設計優(yōu)化的建議，以提高接觸網(wǎng)線路的雷電防護水平，降低雷擊跳閘率。

關鍵詞：南廣鐵路；接觸網(wǎng)；雷電防護；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，受東南亞大陸季風影響，夏長冬暖，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574 km，其中南寧站至黎塘西站間為客運專線，黎塘西站至廣州南站間為設計時速200 km/h的Ⅰ級鐵路。南廣鐵路廣西段高架橋梁有178座，合計118.163 km，占廣西段正線總長的37.72%。

南廣鐵路廣西段于2014年4月開通運營，沿線地區(qū)多雷暴，年平均雷暴日高達99天，屬于強雷區(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)運行安全。因此，針對南廣鐵路的特殊氣象條件開展接觸網(wǎng)雷電防護方案的研究刻不容緩。

1　線路防雷設計現(xiàn)狀及效果

1.1線路防雷設計南廣鐵路廣西段的防雷設計采用接觸網(wǎng)正線絕緣錨段關節(jié)、關節(jié)式電分相、2 000 m以上長度的隧道兩端、電纜終端及200 m以上長度的供電線處均加密設置氧化鋅避雷器的方式，共設置698臺（上下行各349臺）。1.2防雷效果采用氧化鋅避雷器加密設置的防護方式，僅僅是降低了雷擊損壞接觸網(wǎng)設備的概率〔1〕，接觸網(wǎng)及AF線因雷擊導致避雷器動作、絕緣子閃絡及損壞的情況仍時有發(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)計見表1，接觸網(wǎng)部分設備受雷擊損壞情況分別見圖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)計數(shù)據(jù)和接觸網(wǎng)設備受雷擊損壞的情況看，因受到避雷器保護范圍有限的影響，采用線路避雷器加密設置方案的雷電防護效果并不理想。

2　接觸網(wǎng)雷電防護方案的效果分析

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

1）感應過電壓：當雷電擊中接觸網(wǎng)線路附近的地面時（圖中A點），雷電流通過電磁耦合在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生感應過電壓，這種雷擊類型簡稱為感應雷。

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

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

圖4　接觸網(wǎng)雷擊類型

2.2避雷線防雷效果分析

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

圖5　未裝設避雷線時接觸網(wǎng)不同雷擊類型的作用區(qū)域

2）裝設避雷線后接觸網(wǎng)雷擊區(qū)域見圖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，當避雷線位置足夠高時，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，此時接觸網(wǎng)的高壓帶電部分被避雷線有效保護，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，當避雷線直接通過支柱接地時，接觸網(wǎng)的耐雷水平等于反擊耐雷水平，通過降低接觸網(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　裝設避雷線后接觸網(wǎng)雷擊區(qū)域

3）通過避雷線防雷效果分析可知，避雷線的主要作用是通過改變雷擊類型，從而提高供電線路的耐雷水平〔6〕。參考IEEE導則IEEE std 1234-1997中電氣幾何模型以及A.J.Phillips在IEEE基礎上的改進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，由此人們得出了計算防雷保護范圍的滾球法。在接觸網(wǎng)避雷線設計時，推薦采用滾球法對避雷線保護范圍進行確定，在復線區(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，從而有效保護接觸網(wǎng)設備。

2.3增設線路避雷器的防雷效果分析避雷器通過釋放雷電和電力系統(tǒng)操作過電壓的能量，保護電氣設備免受瞬時過電壓危害，又能截斷續(xù)流，避免引起系統(tǒng)接地短路。當過電壓值達到規(guī)定的動作電壓時，避雷器立即動作，流過電荷，限制過電壓幅值，保護設備絕緣；電壓值正常后，避雷器又迅速恢復原狀，以保證系統(tǒng)正常供電。

為研究避雷器的保護范圍，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，通過仿真試驗（仿真計算結果見表2）研究其相鄰支柱絕緣子閃絡與雷電流的關系。

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—避雷器長度，n一般情況都取1。

圖8　避雷器保護范圍仿真圖

表2　雷擊第J 6基支柱時的仿真結果

由仿真結果可知，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時提高了50 kA，支柱安裝避雷器后，本基支柱絕緣子基本不會閃絡，最先閃絡的支柱絕緣子是J 3#和J 9#，即避雷器可靠的保護了相鄰的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)閃絡動作的支柱也不同，由此可見避雷器的保護范圍有限，避雷器一側僅能保護附近3~5基支柱的供電設備。

結合避雷器保護范圍分析，在強雷區(qū)每基支柱的接地電阻降到10 Ω的條件下，每隔2個跨距安裝1個避雷器，方可使整個接觸網(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范圍有限及雷擊點的隨機性，為達到避雷線的雷電防護效果需要增設大量的避雷器，由此造成線路設備成倍增加，維護工作量加大，反而降低了接觸網(wǎng)運行可靠性。

3　結束語

南廣鐵路廣西段接觸網(wǎng)近一年的運行實踐證明，當前的線路防雷設計遠不能滿足接觸網(wǎng)運行高可靠性的需求，通過接觸網(wǎng)線路增設避雷器和架設避雷線兩種方案的雷電防護效果研究，其雷電防護方案還有進一步優(yōu)化的空間?？梢赃x取受雷害影響最為嚴重的桂平牽引變電所作為試點，采用供電線直線區(qū)段和上下行接觸網(wǎng)線路支柱頂部單獨架設避雷線的雷電防護方案，提高該區(qū)段接觸網(wǎng)線路的雷電防護水平，降低雷擊跳閘率，從實踐上驗證避雷線對接觸網(wǎng)線路的雷電防護效果。

參考文獻：

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文章編號：1006-8686（2015）0008-04

文獻標識碼：A

中圖分類號：U223.8